洪安涧河铁路特大桥防洪评价分析

杨菊香

（山西省水利水电勘测设计研究院，太原030024）

1 概况

1.1 铁路大桥

洪安涧河铁路特大桥位于山西省临汾市洪洞县苏堡镇董寺与曲亭镇范村一带，铁路等级为国铁Ⅰ级，大桥设计洪水标准100年一遇。大桥全长1130.08m，中心里程桩号DK325+032.04，桥孔跨布置34m×32m。桥型为34～32m简支梁桥，共35墩34跨，河道内设有20个桥墩，主河道内布置4个桥墩，桥墩采用变截面圆端形柱式墩，最大桥墩厚度由顶部2.5m逐渐变大到4.9m，桥墩的平面形状上游段与下游段均采用半圆形，最大半径2.45m，大桥设计梁底板高程508.87m，矩形桥台，钻孔灌注桩基础。大桥由北向南跨越洪安涧河干流下游河道，线路方向与河流方向成80°交角。

1.2 洪安涧河

洪安涧河为汾河一级支流，发源于古县、沁源和安泽交界处的太岳山，在洪洞县苏堡镇南铁沟入洪洞县境，在洪洞县北营村流入汾河。洪安涧河主流全长59.7km，纵坡1.04%，流域面积1121km2。河型为单式河谷，河床稳定，基本为砂砾卵石冲积而成［1］。桥位交叉以上控制流域面积1113km2，桥址区为洪安涧河的冲积阶地区，地形平坦，地势开阔。洪安涧河现状河段在古县县城段、洪洞县城区段及古县部分乡镇段进行过治理，桥址所在该段河道右岸有堤防。

2 防洪评价计算

2.1 洪水

洪安涧河铁路特大桥工程属国铁Ⅰ级特大桥工程，根据GB 50201—94《防洪标准》要求，防洪标准采用100年一遇设计；该工程所在河段两岸为乡村，确定河道防洪标准为20年一遇［2］。

洪安涧河在桥址断面上游设有东庄水文站，控制流域面积987km2，为国家正规水文站，资料可靠。根据东庄站1953～2005年共53年的实测洪水系列资料，并将1916年历史调查洪水加入实测洪峰系列进行频率分析，适线时洪峰以点据配合最佳为原则，并适当照顾大水点据，采用P-Ⅲ型适线成果。根据适线成果求出东庄站不同频率设计洪峰流量。铁路大桥桥址断面至东庄水文站之间无支流汇入，暴雨分布比较均匀，区间无特殊的调蓄作用，桥址断面处与东庄水文站的控制流域面积相差不大，仅为11%，采用面积比法计算洪安涧河桥址断面处的洪水。经计算，100年一遇的洪峰流量3063m3/s，20年一遇洪峰流量1522m3/s。设计洪峰流量成果如表1。

表1 设计洪峰流量成果

2.2 洪水位及雍水计算

河道水面线采用一维恒定非均匀渐变流方程计算：

式中 Z为断面水位（m）；Q为断面流量（m3/s）；V为平均流速（m/s）；a，ξ 分别为动能修正系数和局部阻力系数；K为综合流量系数，K=∑AiRi（2/3）/ni，其中Ai，Ri，ni分别为河道的过水面积、水力半径和糙率。

依据现场察看及纵、横断面资料分析，桥址所在河道平缓、宽阔，属缓流区，故自下而上逐断面推算河道水面线［3］。从推求河道河段最下游断面开始，把该断面过设计流量时的水位作为起始水位，根据水文和河槽类型等资料，选取河槽糙率为0.035，逐断面推算上游断面的水位。

经计算，大桥建成后发生100年一遇洪水时，本大桥桥址处水面宽度减小，断面平均流速增加，设计洪水位481.42m，较现状壅高0.44m，桥址以上形成壅水段，壅水长度约600m，最大壅水高度0.44m。建桥后发生20年一遇洪水时，桥址处洪水位480.68m，比现状壅高0.38m，桥址以上形成壅水段，壅水长度500m，最大壅水高度0.38m。

洪水位及壅水分析计算成果如表2。

表2 壅水计算成果

2.3 桥梁底部高程复核计算

根据JTG C30—2002《公路工程水文勘测设计规范》规定［4］，确定桥梁底部高程=设计洪水位（Hs）+壅水高度（ΔZ）+风壅增水高度（e）+桥墩冲高（Δh冲）+桥下净空安全值（Δhj）。

计算结果如表3。

表3 桥梁底部高程复核值 单位：m

经计算，建桥后100年一遇洪水发生时，桥梁底部高程复核值为482.97m，远远低于设计桥梁底板高程，不影响河道行洪。

2.4 冲刷计算分析

2.4.1 水流斜冲防护岸坡冲刷

水流斜冲防护岸坡冲刷深度依据GB50286—98《堤防工程设计规范》公式计算［5］：

式中 Δhp为从河底算起的局部冲深（m）；α 为水流流向与岸坡交角（°）；m为防护建筑物迎水面边坡系数；d为坡脚处土壤计算粒径（cm），对非粘性土，取大于15%（按重量计）的筛孔直径；Vj为水流的局部冲刷流速（m/s）。

2.4.2 水流平行于岸坡冲刷

水流平行于岸坡产生的冲刷计算按 《水力计算手册》公式计算［6］：

式中 hB为局部冲刷深度（m）；hp为冲刷处的深度（以近似设计水位最大深度代替）（m）；Vp为平均流速（m/s）；VH为河床面上允许不冲流速（m/s）；n为系数，与防护岸坡在平面上的形状有关，一般取0.25。

冲刷深度计算结果如表4。

表4 大桥桥址处河道堤岸冲刷深度 单位：m

由表4并结合水面线计算成果可知：①洪安涧河特大桥建成后，当发生100年一遇洪水时，在桥址断面上游600m范围内形成壅水段，其水流流速增加，冲刷深度增加0.19m，发生20年一遇洪水时冲刷深度增加0.13m；②洪安涧河特大桥桥址右侧有堤防，河滩平缓宽阔，桥墩与水流呈10°夹角，对水流方向有改变，导致水流对堤岸冲刷有增加。

2.5 防洪综合评价

洪安涧河特大桥建成后，两侧河滩内将矗立20个桥墩，墩柱具有阻水面积，使河道行洪过水面积减小，桥址处壅水较高，水流流速加快，桥址以上形成壅水段并产生淤积，使上游河道纵向缓慢淤高。主河道内布置4个桥墩，对河道主流流线影响较大。

大桥的施工建设是在河道有堤防的地方进行，对现有堤防有所扰动。发生较大洪水时，桥址处一定范围内水流流速加快，对河道堤防的冲刷有所加剧。工程建设要永久或临时占用河道管理范围内土地，且要在河道内外施工，势必破坏河道两岸的防护作物。

工程属国铁Ⅰ级特大桥工程，防洪标准采用100年一遇设计洪水，符合GB 50201—94《防洪标准》要求；河道段乡村防洪标准20年一遇洪水，符合GB 50201—94《防洪标准》及GB 50286—98《堤防工程设计规范》的规定。大桥设计梁底板高程远远高于本次复核按100年一遇设计洪水计算的桥梁底部高程，大桥设计满足防洪要求。

3 工程影响防治措施

3.1 对河道泄洪、河道管理影响的防治补救措施

3.1.1 河道泄洪

在河道内外施工建设，堆渣、弃渣量较大，将影响河道行洪安全。建议妥善安排施工期，务必在汛期来临之前工程施工完毕。在施工完成后，将弃渣清理出河道集中处理，防止洪水受阻或弃渣被带入主河道，并推平施工便道等临时建筑物，恢复河道原貌，以利洪水通畅宣泄。

3.1.2 河道管理

施工建设是在河道有堤防的地方进行，对现有堤防有所扰动。施工期间建设单位应与河道管理部门保持联系，商讨堤防的拆除和修复问题等。大桥建设对河滩地和滩地防护作物有影响，建设单位应与河道管理部门及时联系和协商，解决好施工影响河道滩地问题及已经确权划界土地的征占用问题等。

3.2 对河道壅水及冲刷的防治补救措施

3.2.1 河道壅水

洪安涧河特大桥建成后，河道过水面积减小，流速加快，发生100年一遇洪水时，桥址处河道洪水位壅高0.44m，影响范围约600m；发生20年一遇洪水时，桥址处河道洪水位壅高0.38m，影响范围约500m。在壅水影响范围内右侧有堤防，堤防右岸有董寺村，因此，建议在影响范围内对右岸堤防进行防护加固处理。

3.2.2 防治补救

工程建成后，较大洪水时，桥址处一定范围内水流流速加快，对河道冲刷有所加剧。建议对桥址处上下游50m范围内的河道及左岸岸坡、右岸堤防进行适当防护加固，以减小建桥引起的水流对护岸冲刷影响。

3.3 减少对环境与水质影响的防治补救措施

项目建设初期应及时做好水土保持工作，对可能造成的水土保持方面的影响做好预测和评估，并拟定减少影响所应该采取的措施；对施工区域内生产、生活产生的废水、污水等应通过适当处理，实现达标排放，不得任意弃置或直接向河道排放，避免对河道水质及周边环境产生污染；对河道、岸边开挖等毁坏的生物保护和地表植被进行恢复。

［1］李英明，潘军峰.山西河流［M］.北京:科学出版社，2004.

［2］GB 50201—94，防洪标准［S］.

［3］李炜.水力计算手册（第二版）［K］.北京:中国水利水电出版社，2006.

［4］JTG C30—2002，公路工程水文勘测设计规范［S］.

［5］GB50286—98，堤防工程设计规范［S］.

［6］武汉水利电力学院水力学教研室.水力计算手册［K］.北京:水利出版社，1980.