蘭新高速鐵路新疆戈壁漫流區(qū)橋涵綜合排水設計研究

王昌鵬

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043)

蘭新高速鐵路新疆段東起紅柳河西至烏魯木齊市區(qū)，全長709.9 km。線路走行于天山南麓山前沖洪積戈壁漫流地帶，并通過新疆境內的四大風區(qū)。全線橋梁總長123.923 km，箱形橋共81座，涵洞1 216座，漫流區(qū)導流堤344.688 km。

既有蘭新線歷史上發(fā)生過多次水害，常見的有:洪水沖毀截水堤壩及橋涵附屬建筑物；涵洞孔徑偏小的地方涵前積水浸泡路基，道床下沉變形；河床淤積抬高導致橋下凈空減小；墩臺水流沖刷、磨蝕等問題。經過幾十年的水害治理，通過增設橋涵及優(yōu)化導流堤等附屬設施，近年來水害已較少。

蘭新高速鐵路為無砟鐵路，對線路平順性及安全性要求高，橋涵防洪標準也較既有蘭新線高。在借鑒既有蘭新線工程經驗的基礎上，保證橋涵綜合排水通暢是蘭新高速鐵路設計面臨的重要技術問題。

1 漫流區(qū)橋涵設計面臨的技術問題

1.1 線路方案對橋涵排洪的影響

1)線路平面位置

新疆戈壁漫流區(qū)多數也是風區(qū)，綜合考慮車站布置、有利于防風工程設置、橋涵排洪等因素，設計線路走向除在既有蘭新鐵路煙墩站—哈密站區(qū)間和在達坂城濕地上跨既有蘭新線后走行在既有鐵路北側之外，總體走行在既有蘭新鐵路的南側。

2)線路縱斷面方案

在滿足防洪要求條件下，為減少防風設施設置，確保高速鐵路在大風區(qū)運營安全，風區(qū)線路縱斷面設計多選擇以低填方和路塹形式通過。

漫流區(qū)蘭新高速鐵路多位于既有鐵路下游，既有鐵路可起到一定天然屏障及水流歸槽作用，減少漫流影響。但受車站布置需靠近城市的要求，漫流嚴重的鄯善—吐魯番區(qū)段，蘭新高速鐵路距離既有線路較遠，同時線路高程不高。

1.2 漫流區(qū)對橋涵排洪的影響

本線漫流區(qū)橋梁仍位于漫流中段區(qū)域，河床比降一般在20%～30%，漫流河段具有河床寬廣、灘槽難分、股流眾多、主流變遷、股流沖刷明顯、拉槽較深的特點。因此，設計需重點解決的技術問題有合理確定橋長、涵洞孔徑、橋涵分布密度、橋涵下斷面及導流堤沖刷安全參數；減少涵前積水，提高路基穩(wěn)定性，避免下沉；保證橋涵綜合排水通暢。

2 漫流區(qū)橋涵工程設計

新疆漫流區(qū)河段或沖溝橋涵設置應綜合考慮橋梁孔徑、水流變遷、股流沖刷、墩臺沖刷、橋下淤積、導流堤布置等因素[1-2]。

2.1 設計原則

遵循“橋涵設置分散與小集中相結合”的原則，形成“橋+涵洞+導流堤”的綜合排水系統(tǒng)。

1)對于大范圍緩坡漫流區(qū)，根據地形條件、洪水主流位置及其可能擺動的趨勢，遵循“分散與小集中相結合”的原則，較均勻布置橋涵工點，并設置導流堤束水。

2)漫流區(qū)設置人字形封閉導流堤，并在迎水面采取防沖護砌。

3)減小壩體的長度及高度，控制壩前沖刷深度，并采取措施提高橋梁、涵洞防護工程的安全性。

2.2 漫流區(qū)河道內橋梁設計

1)橋長按不壓縮河槽基本寬度考慮，對一河多橋排洪，則應結合地形及洪水流量，合理考慮流量增大系數和分配系數以確定橋長[3-5]。

2)橋下凈空不僅要考慮泄洪，還要考慮輸沙通暢，結合既有線的調查情況預留一定的橋下凈空，滿足后期河床淤積需要。對本線漫流最嚴重的鄯善—吐魯番漫流區(qū)采用16 m組合T梁。該梁較箱梁梁高降低1 m，增大了橋下凈空。

3)河道內僅洪水時有水，平時無水，無法形成沖淤平衡。因此對主河槽內承臺埋置深度予以適當加深，處于河流漫流區(qū)內的橋墩采用樁基礎。橋墩底部增設耐候鋼板以提高橋墩的抗磨蝕能力。

4)河道內及靠近河槽的橋臺，對計算沖刷較深的橋臺，增設護坦予以防護，并要求導流堤與橋臺椎體順接。護坦埋置于床面以下不小于0.5 m，護坦寬度與馬蹄形旋渦活動寬度相適應[6]。護坦四周設有垂裙，垂裙深度按一般沖刷深度+1.0 m取值，具體如圖1所示。

圖1 橋臺處護坦(單位:cm)

2.3 漫流區(qū)水庫下游河道內橋梁防洪措施

煤窯溝及黑溝特大橋上游有水庫，水庫每年汛期會定期向下游泄洪[7]。雖然泄洪流量不大，但因河床縱坡較大，河道較為固定，單寬流量集中，使得河道局部拉槽較深。

1)黑溝特大橋

施工期間因上游泄洪，黑溝特大橋局部橋墩沖刷深度達4 m，承臺外露?，F(xiàn)場情況如圖2所示。

下泄河道平時無水，無法形成沖淤平衡。除適當加深相應橋墩的埋深外，采取了以下措施解決泄洪河道內的橋墩沖刷問題:①對水庫泄洪通道內的3＃墩—5＃墩間進行局部河床鋪砌，并設置短導流堤將水流集中引向3＃墩—5＃墩間的過水通道。②考慮到河道變遷性，變遷范圍內橋墩下游30 m設置攔沙壩，限制橋墩處的沖刷。

2)煤窯溝特大橋

河道受泄洪及下游采沙影響，天然縱坡由橋位上游的20%逐步加大到下游泄洪拉槽低點處的40%左右。施工期間上游泄洪，持續(xù)拉槽后，對下游攔沙壩造成一定的毀壞?，F(xiàn)場情況如圖3所示。

圖3 下游攔沙壩泄洪情況

由于河道較陡且下游河道縱坡大于上游，河道后期將持續(xù)下切，為保證橋墩及河道調治建筑物安全，設計采用了以下措施:

①將橋位下游50 m處攔沙壩改造為攔沙兼跌水壩，壩上游側頂面高與橋墩承臺頂面同高，限制橋位處河道沖刷不會造成承臺外露，其上的河道縱坡按20%考慮。壩下游結合沖溝深度設置4～5 m高的跌水平臺。具體如圖4所示。

圖4 攔沙壩兼跌水壩示意(高程單位:m；尺寸單位:cm)

圖5 深基礎攔沙壩示意(單位:cm)

②橋位下游100m設置第2道攔沙壩，該壩頂面高程與上游跌水壩最大跌水深度處高程一致，確保上游壩體安全。壩體下游側采用深基礎，確保拉槽不會造成基礎外露，懸空，其下游河道縱坡為15%，具體如圖5所示。

2.4 漫流區(qū)涵洞設計

一般涵洞設計需考慮一定的涵前積水，才能充分發(fā)揮涵洞的排洪能力。本線采用無砟軌道，涵前大范圍積水可能導致路基下沉，嚴重影響行車安全。

1)涵洞孔徑選擇應適當留有裕量，同時考慮到戈壁地區(qū)洪水流速快、洪水水位不高的特點，涵洞結構也宜增加孔徑。對線路縱坡較小的工點，可適當降低邊墻高度。

2)綜合考慮地形及洪水流量，涵洞間距不宜過大，每公里宜3～4處，減少涵前上游側積水。

3)涵洞出入口上下游10 m范圍內予以鋪砌；涵洞下游順溝坡度不宜小于涵洞橫坡，以減少涵內淤積。

4)在涵洞入口路基邊坡各5 m范圍內，用混凝土塊進行坡面鋪砌，減少涵前積水對路基的浸泡，如圖6所示。

圖6 涵洞入口鋪砌防護(單位:cm)

3 導流堤設計

導流堤自身的安全、可靠性是保證被防護的路基、橋渡等安全可靠的關鍵[8]。提出了導流堤沖刷深度控制參數，通過對導流堤基礎結構形式的優(yōu)化，減少基礎沖刷深度，提高防護工程的安全性。

3.1 導流堤基礎沖刷計算

導流堤是針對漫流區(qū)洪水河道內橋梁和小橋涵而設。國內尚無針對新疆戈壁地區(qū)導流堤沖刷的計算公式，現(xiàn)有的公式均為針對長流水河道內導流堤沖刷。實際設計時，結合既有導流堤沖刷情況的調查，對計算的沖刷深度計算公式作了修正。

1)導流堤堤身沖刷深度計算，分別按GB 50286—2013《堤防工程設計規(guī)范》和GB 50707—2011《河道整治設計規(guī)范》中給出的公式計算。

斜沖角度、流速和堤腳填料粒徑是決定沖刷深度的主要因素。導流堤堤身與股流的交角，一般應小于30°，以減輕水流對堤身的沖刷。堤腳采用橋位處開挖出的砂礫石夯實回填，確?，F(xiàn)場沖刷參數與設計相符。

2)導流堤上游堤頭按GB 50286—2013推薦的非淹沒丁壩沖刷深度公式計算。

導流堤頂部水深是決定沖刷深度的主要因素，該處導流堤高度按1.5 m設計，既適應該地區(qū)洪水水頭不高的特點，又通過控制導流堤前積水深度，減少沖刷深度。

3)優(yōu)化導流堤基礎結構形式，通過增設堤前基礎平臺防護形式，堤前沖刷深度橋梁段控制在3.0 m以內為宜，涵洞處控制在1.0～1.5 m范圍內，優(yōu)化了導流堤的基礎埋置深度。

關于護坦平臺寬度均值的取值:當水深h≤1.5 m時，，小橋涵采用 1.1 m；當h＞1.5 m時，為宜，橋臺處不小于1.8 m。

3.2 導流堤設計

1)導流堤平面布置形式與橋渡組合平順導流。在上游側設有導流堤的橋涵，下游設置10 m長八字形導流堤，以加強對橋涵錐體的防護。

2)導流堤設置時盡量減小堤身與集中股流的交角，一般應小于20°或30°，不允許堤身壓入主槽，以減輕水流對堤身的沖刷；同時堤身曲線應平順，避免折角過大，使水流逐漸轉變方向流入橋孔。單側封閉導流堤不宜超過500 m。導流堤平面布置如圖7所示。

圖7 導流堤平面布置示意

3)導流堤頂寬為2.0 m，高度h根據地形、流量、水流狀況等確定，與橋涵相接處h＝250 cm，上下游鋪砌末端或封閉導流堤頂處h＝150 cm，中間線性內插平順過渡。導流堤基頂部位設置110 cm長的混凝土段。導流堤橫截面如圖8所示。

圖8 導流堤橫截面(單位:cm)

4)導流堤位于戈壁漫流區(qū)，現(xiàn)場施工條件惡劣。為提高施工質量，導流堤坡面防護采用預制混凝土塊鋪砌方式。導流堤內填土須采用機具壓實，以提高抗水流沖擊能力。

4 百里風區(qū)的綜合排水設計

百里風區(qū)為丘陵地貌，為降低防風工程的設置難度，減少大風對高速鐵路運營的影響，提出了在大風區(qū)核心區(qū)“線路縱斷面設計盡量采用低填路堤和深挖方路塹的路基工程通過”的選線原則。

該范圍的橋涵排洪工點相應的設置如下:

1)對流量大于80 m3/s的工點設橋通過，采用梁高較低的槽形梁橋結構，較箱梁軌面到梁底高度降低2.5 m，增大了橋下凈空。

2)對流量小于80 m3/s的低填路基及路塹段落，設置降低邊墻高度的大孔徑箱形橋及涵洞，并通過設置導流堤或截水溝將洪水匯集至工點處排洪。

3)長段落深路塹地段設置明洞渡槽+導流堤+路塹天溝綜合排水系統(tǒng)，滿足排洪需要。導流堤與渡槽的連接處設置八字墻并連接順暢，具體布置如圖9所示。

圖9 渡槽與八字墻以及導流堤連接平面示意(高程單位:m)

5 結語

蘭新高速鐵路已于2014年12月全線開通運營，建設過程中，通過對沿線戈壁漫流區(qū)及百里風區(qū)低填方路基及長路塹地段的排水分析，提出的適應本線水文環(huán)境特點的綜合排水系統(tǒng)，保證了高速鐵路的運營安全。本文總結的相關設計措施，可為今后類似工程提供參考。