石太铁路山区段涵洞水害成因分析及防治

申文军

(中国铁路北京局集团有限公司工务部，北京 100866)

北京铁路局辖内既有铁路总长12 609.2 km，山区铁路占46.0%，部分线路建设年代久远，所在区域地形复杂，导致其防洪能力偏低，雨季极易发生泥石流、山体滑坡、路基侵蚀冲毁等水因灾害[1-2]。

针对山区铁路桥涵、路基病害，相关研究已广泛开展，并取得了一系列成果。刘保东等总结山区铁路桥涵水害的主要类型与特征，并给出相应防治对策[3]；赵长江从宏观上分析铁路水害频繁发生的主要原因，并提出确保汛期铁路行车安全的相应对策[4]。以往研究多从宏观上对泥石流、崩塌落石、路基下沉以及水漫路基进行了原因分析与对策研究[5-8]，但针对华北山区涵洞水害的专门性研究相对匮乏。以下依托石家庄-太原重载铁路(位于河北井陉县山区段)某涵洞，对其在雨季发生的水因病害进行诱因分析，并提出针对性防治措施。

1 水害概况

石家庄至太原铁路系晋煤外运的主要通道，为三级线路一级运量的重载线，是新中国第一条双线电气化铁路，其建设年代早，设备等级低，抗洪能力弱。2016年7月19日至21日井陉县境内普降暴雨，局部降特大暴雨，井南站雨量值达604 mm。2016年7月21日3时51分，石太铁路上下行线K57+400～K57+700里程处突发特大洪水，洪水携带大量泥沙、石块、树枝等杂物淤积堵塞涵洞(1-5.0 m拱涵，净高3.6 m，位于石太铁路下行K57+632里程处)，造成该区间线路下沉60 mm，其中150 m线路被冲刷，导致其横移1.5 m，道床冲空长约40 m，约500 m3杂物掩埋线路，如图1、图2所示。

图1 水害现场情况

图2 水害位置航拍示意

2 地质条件

2.1 气象水文条件

井陉县境内属暖温带半湿润大陆季风气候，降水主要源于东南季风，每年随季风到来的迟早与强弱，呈现年际和季节降水量变化。境内气温年际变化不大。根据气象资料，1985～2004年，年平均气温为13.1 ℃，年均气温最高值出现在1998年，达14.1 ℃，年均气温最低值出现在1985年，为12.1 ℃，汛期平均降水量为285 mm。

2.2 地形地貌

井陉县地处太行山东麓、河北省西陲。其北邻平山县，东部和东南部与获鹿、元氏、赞皇三县毗连，西部和西南部与山西省盂县、平定、昔阳三县接壤。

2.3 地层岩性及地质构造

井陉地区位于河北省太行山中段，区域地质构造受新华夏系第三隆起带的控制。受喜马拉雅运动的影响，形成了盆地形态的基本轮廓，区内断裂以北北东向为主，部分为南北向，盆地周边多为古生代地层组成的丘陵低山，盆地内部及坡麓地带广泛发育第四系地层。该地区新构造运动显著，以升降运动为主，并伴随断裂及火山活动，断裂活动具继承性，雪花山玄武岩的喷发与此有关。

工程所在地的河床以卵石土或碎石土为主，局部出露基岩，路基填料为片石类土，场地工程地质条件较好，有利于路基支挡结构、路堑边坡防护结构以及框架桥结构等构筑物的布置。

3 水害成因分析

3.1 暴雨强度大

根据石家庄工务段蔡公庄雨量观测站2016年7月18日～21日统计数据，该区域10 min最大降雨量为16.5 mm，1 h最大降雨量为56.7 mm，24 h最大降雨量为301.2 mm，连续雨量为604.5 mm；致灾雨量为587.6 mm。此次降雨时间长，强度大，属于百年一遇。

3.2 涵洞上游自然生态发生改变

在该既有涵洞上游沟谷，由于人为原因导致自然生态发生改变：村民开辟梯田，人为将大量碎石块转移至河道内，造成原本畅通的河道堵塞，从而加速河水对河道的冲刷。测量发现，涵洞上游自然生态改变造成原河道被冲刷(约1.5 m深)，大量原本沉积在河道内的碎石被河水冲入下游，如图3所示。

图3 河流上游图片

3.3 涵洞高程低

基于现场水灾实际调查，可以发现当水害发生时，主河道内河水水位已经高于既有涵洞顶部，河床整体抬高，造成涵洞拱底基本与河床平齐，从而发生河水倒灌现象，进一步降低了沟谷内上游洪水的流速，导致大量碎石在涵洞前方沉积，甚至堵塞涵洞，进一步加重水害程度[9-12]，如图4所示。

图4 既有涵洞图片

3.4 涵洞入口地形影响

受现场地形的影响，在该既有涵洞前，洪水的流向发生较大角度转向，从而形成一个漩涡，造成大量碎石沉积淤积，导致涵洞发生堵塞，并进一步引起河水上涨甚至漫没路基的现象(如图5所示)。

图5 既有涵洞入口处河水转向

3.5 其他水流汇入

涵洞上游河道局部与绵佑渠并行，受此次强降雨影响，绵佑渠发生溃坝，导致大量地表水汇入该河道，造成河道内水量与流速激增，从而加剧了下游涵洞水害。

4 水害防治措施

铁路涵洞水害是众多因素综合作用导致，针对该涵洞水害成因提出综合防治措施，主要包含河流生态改善与桥涵复旧设计两方面。

4.1 河流生态改善

河流生态恶化是诱发铁路涵洞水灾的主要原因，综合河道调查情况，采取以下措施来消除。①疏浚河道，清理河道中堆积碎石块，整平被冲刷河道，稳定水流方向，并配合水务部门定期巡查，避免沙石逐年淤积问题。②改善涵洞入口处河流走向，通过开挖转角内侧石块，将河水以小角度引流至涵洞口。③对易发生冲刷的河床进行防护。④调查涵址上游水库、塘坝情况，加固上游邻近河流堤坝，同时尽可能设置导流堤将其他河流引流至距离本涵洞较远位置。⑤加强水文观测，密切关注气象部门发布的汛情预报，及时检查重点防汛节点的洪水位。

4.2 桥涵复旧设计

基于对此次涵洞水害成因的分析，结合线路现场实际情况，提出该水害工点的复旧方案。应遵循“分析成因、找准根源；原状复旧、适当提升；整治彻底，不留后患；兼顾水害上下游、前后端；完善排水系统、提升抗洪能力”的原则，坚持以疏为主、疏挡结合、因害设防、突出重点和因地制宜的综合治理措施[13-16]。

涵洞无法满足暴雨或洪水时水流顺利通过是发生水害的根本原因，复旧方案中，应首要考虑抗洪能力不足的问题(包含原涵洞孔径不足、高程较低等)。复旧框架桥施工前，应首先对本次水灾造成的淤积碎石进行清理，恢复原河道高程，并对基础进行加固。

为解决既有涵洞排水能力不足问题，提出补充设置过水能力更强的框架桥方案，即在拱涵大里程方向邻近该涵洞采用顶进法修建一座框架桥，此外，抬高复旧方案中框架桥高程(使其高于原涵洞高程4 m)。新建框架桥设计流量为250 m3/s，大于原涵洞的设计流量。

(1)水文计算分析

根据该框架涵工程特点判定该桥梁水文计算宜采用小流域流量计算法，本次小流域流量计算选用“三院法”计算公式，针对山丘区，当a=S1%/tn时，有

(1)

式中，Q1%为百年一遇设计流量/(m3/s)；S1%为设计洪水频率为百年一遇的雨力/(mm/mim)；F为汇水面积/km2；η为暴雨点面折减系数；L4为流域长度/km；I4为流域坡度；n为暴雨衰减指数。

式(1)中，C2可按照式(2)计算，有

(2)

式(2)中，β0、r0、m0与A4均可从《桥渡手册》查取。

g0可按照式(3)进行计算

g0=1+m0·P0

(3)

式(3)中，P0可按照式(4)进行计算

(4)

式(4)中，N0可从《桥渡手册》查取。

计算中，所采用的铁路设计活载为中-活载，即JQS标准荷载，本框架桥的设计流量为250 m3/s。

计算中所需要各原始参数见表1。

表1 原始计算参数汇总

经计算得到的各中间参数与最终流量计算结果，如表2所示。

表2 中间参数与计算结果汇总

由上述计算可得，流域内百年一遇水流强度为84.127 m3/s，远小于新建框架桥的设计流量250 m3/s，故新建框架桥可确保平时河流顺利通过，以及在保证河流流域生态的前提下抵御较大洪水。

(2)工程地质情况

根据桥址区钻探揭露地层情况可知，拟建场地在20.0 m深度范围内，地基土层主要为人工填土与一般第四系土层。地下水位高程为267.37～267.48 m，因其埋藏较深，本次复旧方案可不考虑地下水对本工程的影响。

根据现场调查，附近未发现污染源，参照该地区类似工程经验，结合附近土体的试验结果，同时依据相关规范，可以判定混凝土结构所处环境为碳化环境、化学侵蚀环境、盐类结晶破坏环境形成的复合环境。施工时应采取相应的耐久性工程技术措施。

(3)框架桥设计

设计框架桥中心位于石太铁路K57+649.3处，桥址处铁路设置为2股道，铺设无缝线路，轨道结构采用60 kg/m钢轨，钢筋混凝土轨枕。该区间线路位于直线区段，线路坡度为7.5‰(上坡)，线间距为4.0 m，桥位处两侧路基边坡高约9.0 m，路基两侧铺设有铁路光、电缆。

框架桥主体为整体框架结构，净跨距设置为10.0 m，框架桥主体长12.0 m，框架桥中心线与铁路线路中心线的交角为90°，框架桥顶板顶面距钢轨底面0.80 m。框架桥结构总高10.0 m，结构净高8.0 m，顶板厚1.0 m，底板厚1.0 m，边墙厚1.0 m，顶板加腋尺寸为0.5 m×1.5 m，底板加腋尺寸为0.2 m×0.2 m。

框架桥主体前端刃角及悬臂长4.5 m，主体后端尾墙长3.0 m，尾墙侧人行道悬臂板长3.0 m。框架桥顶进到位后，将刃角、前后端底板补齐。

(4)施工方案

为保证线路正常运营，将施工影响降到最低，该框架桥采用顶进法进行施工，工作坑设置在线路北侧，由北向南顶进。工作坑采用1∶1放坡开挖方式开挖，工作坑后采用夯填土和浆砌片石进行处理，并选用挖孔灌注桩结合后背梁的形式进行加固，框架桥在滑板上预制，待混凝强度达到设计强度后，方可顶进施工。

5 结论

基于石太铁路下行线K57+632里程位置处涵洞水害情况，在调查该地区气象、水文、地质资料的基础上，按照“原状复旧、适当提升、完善排水系统、提升抗洪能力”的原则，经过桥涵水文检算，提出采用框架桥扩孔改造的复旧方案，取得了较好的效果，主要结论如下。

(1)涵洞水害主要为拱涵堵塞淤积、杂物掩埋线路、以及道床冲空造成的线路沉降与横移等。

(2)涵洞水害主要原因为暴雨历时长、雨强大，上游自然生态发生变化，涵洞底部高程低，涵洞前水流转向角度大，以及其他水源汇入造成河水量大增等。

(3)提出扩孔顶进框架桥复旧方案，可在保证线路安全运营前提下有效降低水害发生风险。