杭州至富阳城际铁路宋家塘段防洪评价

王俊芳，石小蓁，王 琰

（1.浙江中水工程技术有限公司，杭州 310000；2.山东浩华建设集团有限公司，山东 青岛 266205；3.青岛瑞泰创展工程检测有限公司，山东 青岛 266111）

1 研究背景

铁路是国民经济的动脉，确保汛期铁路运输安全畅通，直接关系到经济社会发展。铁路桥梁工程建设对河道堤防安全、河势稳定、输水安全、通航及渠道治理规划等产生一定影响。根据《中华人民共和国防洪法》、《中华人民共和国河道管理务例》和国家计委、水利部《河道管理范围内建设项目管理的有关规定》等法规，对河道管理范围内建设项目应进行防洪评价。经过不懈努力，尤其是建国以来的防洪建设，铁路已基本形成了较为完整的防洪工程体系。然而经济社会的飞速发展，对防洪体系的要求则越来越高。因此对铁路防洪体系效果进行评价则显得尤为重要。赵继华［1］对北京铁路局不同时期的防洪体系效果进行评价，制定各评价指标评价标准，最后得出各时期防洪体系效果评价的等级。王茂龙［2］以甘泉铁路为例，阐述洪灾系统及其风险、铁路防洪体系，并根据甘泉铁路现状，采用频率统计法、聚类分析法、经验判断法和专家评价法等方法选取了22个指标作为甘泉铁路的评价体系指标。胡余忠［3］介绍了合肥至武汉铁路跨越淠河总干渠特大桥基本情况，就桥梁建设对河道输水能力的影响作了分析评价，结果表明，铁路建设对河道输水能力影响较大，建议采取相应的补偿措施。

MIKE 21是一个专业的工程软件包，用于模拟河流、湖泊、河口、海湾、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及环境。MIKE 21为工程应用、海岸管理及规划提供了完备、有效的设计环境。窦海英［4］防洪评价中不同的评价模型进行了对比研究，结果表明相对于其他模型MIKE模型具有更高的精度。MIKE模型在桥梁防洪评价中得到了广泛运用，也验证了该方法的准确性［5-8］。本文基于MIKE模型对杭州至富阳城际铁路工程全宋家塘段铁路进行防洪评价，并给出评价结果和防洪建议，为类似工程提供了参照。

2 M IKE模型计算理论

本文采用二维水动力模型进行防洪评价计算，该控制方程包括一个连续方程和两个动量方程［9］。二维水流连续方程如下：

x向的动量方程为：

y向的动量方程为：

式中 z为水位；p、q为x、y方向单宽流量；h为水深；s为源、汇项；six、siy分别为源、汇项在x、y方向的分量；c为谢才阻力系数；Ωp为科氏力；E为紊动扩散系数。

若不考虑源、汇项及科氏力项，并除以水深h，则可得相应的基本方程组如下：

式中 u、v为x、y方向垂线平均流速。

模型求解采用非结构网格中心网格有限体积法求解，其优点为计算速度加快，非结构网格可以拟合复杂地形。对计算区域内滩地干湿过程，采用水位判别法处理，即当某点水深小于浅水深时，令该处流速为0，滩地干出；当某点水深大于浅水深时，参与计算，滩水上滩。

3 实际工程防洪评价

3.1 工程概况

杭州至富阳城际铁路工程全线设置宋家塘车辆基地一座，车辆段位于宋家塘村与高压走廊所夹阴冻山区域，320国道及北渠以北、规划九龙二环路以南的地块内，属富阳区银湖街道范围。

宋家塘段通段道路特大桥为宋家塘车辆段车辆基地连接国道G320的物资运输专用通道，桥梁跨越北渠，桥梁全长419m，位于桩号T1DK0+066.5～T1DK0+485.5，桥跨布置采用预应力混凝土连续箱梁4×35m+4×30m+4×35m，桥面宽度9m，0号桥台采用重力式桥台、12号桥台采用肋板式桥台，其余桥墩采用双柱墩，墩径1.5m。墩台均采用钻孔灌注桩基础。

表1 设计标准

3.2 设计洪水

项目区附近有千家村和富阳两个雨量站，其中千家村站位于车辆段西北部、新桥江上游右岸区域，距离项目区较近，有1961年以来的雨量观测资料；根据千家村雨量站1961—2015年共55年最大10min，1，3，6，24h暴雨量统计成果进行频率计算分析，并采用P-Ⅲ曲线适线拟合各短历时设计暴雨。设计洪水采用浙江省推理公式法计算；北渠无实测流量资料，采用暴雨资料间接推求洪水［10］。项目区位置北渠上游的主要支流包括坑西溪、新义溪，下游主要有受降溪，所在段年设计洪水计算成果如表2。

表2 年最大设计洪水计算成果

北渠作为撇洪渠道承担高水高排任务，北渠右堤保护对象为皇天畈流域富阳城区，根据GB50201—2014《防洪标准》、GB50805—2012《城市防洪工程设计规范》和《富阳市皇天畈水系综合规划》等有关规划，富阳主城区防山洪标准为20年一遇，即北渠非回水段右堤的防洪标准为20年一遇。

综合考虑与富阳区城市防洪排涝工程标准的匹配性，防洪影响的评价标准与河道设防标准一致，即对北渠右岸堤防的影响采用20年一遇，对北渠河道及河湾的影响采用梅雨期5年一遇。考虑到本文主要研究新建桥梁建筑物对河道防洪效果的影响，因此在防洪评价分析中采用河道的20年一遇防洪标准进行校核。

3.3 局部二维水力计算

为分析工程建设前后桥墩对河道流场的影响变化，采用丹麦DHI研发的MIKE 21 FlowModel软件（HD模块）进行二维水动力模型计算。本次二维计算主要针对桥梁上下游北渠河道，计算范围为北渠受降闸上游至通道道路桥上游约800m的河道，网格布设考虑了水流、地形的差异，并作了加密，工程位置附近河段的概化地形见图。

图1 工程建设前后地形

根据二维计算，桥位处北渠现状20年一遇水位为17.88m，工程建成后该段河道20年一遇水位为17.88～17.93m。当遭遇20年一遇洪水时，由于新建桥墩阻水，桥墩上游局部位置水位有壅高，最大壅高幅度为0.05m，由于出入段线桥与通段道路桥桥位之间距离很小，桥墩壅水影响相互叠加，最大壅高位置发生在上游通段道路桥的桥墩上游侧。桥墩壅水影响向上游逐渐减小，桥墩上游1m范围内水位最大壅高0.05m，至桥墩上游侧10m处，壅水幅度减小至0.01m，桥墩壅水影响范围至桥墩上游侧约500m。

图2 工程建设前后20年一遇洪水位等值线图

受桥墩阻水影响，桥位处河道流场和流速都会有所变化，明显变化就是桥墩处水流出现绕流，桥墩上游侧流速减缓，桥墩之间流速增加［11］。根据二维计算，遭遇20年一遇洪水时，桥位处河道流速约0.55～1.03m/s，桥梁建成后，桥墩之间河道流速增加，约为0.63～1.10m/s，最大流速增幅约0.15m/s；遭遇梅雨期5年一遇洪水时，桥位处河道流速约0.33～1.02m/s，桥梁建成后，桥墩之间河道流速增加，约为0.38～1.24m/s，最大流速增幅约0.24m/s。

图3 工程建设前后20年一遇流速等值线图

根据桥位处河床地质条件，断面流速，分析桥墩局部冲刷。据《浙江省涉河桥梁水利技术规定（试行）》，冲刷坑的横向宽度一般为桥墩直径的4~5倍，单侧约2倍，根据墩台设计，出入段线特大桥7#桥墩距离北渠右岸堤防堤脚只有0.7m，通段道路特大桥9#桥墩距离北渠右岸堤防堤脚只有1.2m，堤防在近岸桥墩冲刷坑范围内。桥墩局部冲刷会影响到堤防，通段道路桥桥位处堤脚最大冲刷为0.62m。

4 综合影响评价

4.1 河道行洪影响评价

通段道路桥的桥墩阻水面积为22.4m2，河道行洪会受到一定影响。经防洪水利计算，桥位处遭遇20年一遇洪水时，最大壅高为0.05m，工程建成后该段河道20年一遇水位为17.88～17.93m，桥梁造成壅水较小，壅高后水位在右岸堤顶高程以下，工程建设影响在河道两岸防洪能力可承受范围之内，对行洪安全影响很小。

4.2 对河势稳定的影响分析

通段道路特大桥占用北渠河道，桥墩布置基本顺水流方向，桥梁建设后由于桥墩的局部阻水，在桥墩附近将产生水位和流速及河床冲淤变化，但是影响仅限于局部，不会对河势稳定产生影响，更不会改变此河段整体河势。

通段道路桥桥位处右岸堤脚最大冲刷为0.62m，而现状堤防堤脚的埋深为1.15m，桥位处冲刷不会影响堤防稳定。

4.3 对现有水利工程的影响分析

工程建设对现状河道及其他水利工程的影响主要是对桥位处堤防的影响。根据桥梁设计方案，出入段线桥7#桥墩的承台与挡墙冲突，桥梁施工会对堤防下部挡墙造成破坏，要求降低承台高程，同时桥梁施工时应注意对防洪堤的保护，确保防洪堤堤身安全，及时修复破坏的堤防。

涉堤工程开工前要向当地水行政主管部门申报，经批准后方能开工，汛期来临前要做好度汛措施，并报当地防汛指挥部门批准。由于通段道路特大桥梁底与现状堤顶净空只有0.72m，堤顶加高后的堤顶净空只有0.41m，不利于后期堤防管理维护，建议优化桥梁方案，抬高梁底高程。

5 结论

本文利用MIKE模型对宋家塘段大桥进行防洪评价，给出了相关评价过程和评价结果。为类似工程提供了参考，主要结论如下：

（1）MIKE模型可以根据不同水文条件对桥梁结构进行防洪评价，可用于校核不同的设计方案对防洪影响。

（2）通过计算分析，杭州至富阳城际铁路宋家塘段通段道路特大桥建成后，当遭遇20年一遇洪水时，工程上游水位壅水高度0.05m，桥墩布置顺水流方向，桥梁建设后由于桥墩局部阻水，对附近局部水位和水流以及河床冲淤产生变化，但影响限于局部，整个工程建设对行洪及河势稳定影响较小，不会影响流域的整体防洪规划。

（3）根据《浙江省涉河桥梁水利技术规定》，“主槽处承台顶高程宜在平均低潮（水）位以下，边滩的承台顶高程宜在滩面以下”，可通过降低桥墩的承台顶高程，以减少试车线大桥占用水域面积。为保证右岸堤防满足抗冲刷要求，可在通段道路桥墩上游至出入段线特大桥桥墩下游内设混凝土护脚，并设砼护坡。