汾西榮欣礦鐵路專線1號(hào)橋高程防洪分析

劉曉麗

（呂梁市水文水資源勘測(cè)分局，山西 呂梁 033000）

1 概述

1.1 山西焦煤集團(tuán)汾西礦業(yè)公司榮欣礦區(qū)鐵路專線概況

汾西礦業(yè)集團(tuán)公司是國(guó)家重點(diǎn)煤炭生產(chǎn)企業(yè)，公司擁有的煤炭資源儲(chǔ)量豐富，山西焦煤汾西榮欣礦區(qū)鐵路專用線工程項(xiàng)目（以下簡(jiǎn)稱建設(shè)項(xiàng)目），承運(yùn)范圍有汾西礦業(yè)集團(tuán)控股的賀西煤礦等，煤炭外運(yùn)需求較大。

瓦日線是山西直達(dá)沿海港口的一條重要煤炭鐵路運(yùn)輸線，是汾西礦業(yè)集團(tuán)煤炭外運(yùn)通道。建設(shè)項(xiàng)目位于呂梁市柳林縣境內(nèi)，自瓦日線留譽(yù)站瓦塘端接軌，重車(chē)線由留譽(yù)站瓦塘端東側(cè)引出，沿瓦日線向北走行，跨越金家莊溝后，沿金家莊溝溝北岸跨越金家莊溝設(shè)置的汾晉柳裝車(chē)站，于金家莊溝南岸設(shè)裝車(chē)環(huán)線，汾晉柳站預(yù)留其他專用線接軌條件，線路全長(zhǎng)8.0 km，共設(shè)鐵路橋梁5座。1號(hào)大橋全長(zhǎng)339.44 m，梁橋第8孔（7-8號(hào)墩）跨金家莊溝，梁底高程871.63 m，地面高程826 m。

1.2 河道基本情況

金家莊溝1號(hào)橋位于柳林縣金家莊鄉(xiāng)胡家峁村金家莊溝內(nèi),屬留譽(yù)河水系，金家莊溝系留譽(yù)河的一級(jí)支流、黃河的二級(jí)支流，發(fā)源于中陽(yáng)縣安家塔，在柳林縣金家莊鄉(xiāng)蘇家莊進(jìn)入柳林縣境內(nèi)。

2 水文計(jì)算

2.1 防洪標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《山西焦煤汾西榮欣礦區(qū)鐵路專用線（一期）工程可行性研究》“該鐵路等級(jí)為Ⅲ級(jí)（線下部分參考Ⅱ級(jí)）”，根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》表6.1.1，Ⅱ級(jí)鐵路橋梁的防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇。

2.2 設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算

2.2.1 設(shè)計(jì)斷面以上流域特征值參數(shù)確定

金家莊溝1號(hào)橋設(shè)計(jì)斷面控制流域特征參數(shù)采用1∶10000地形圖量算，流域下墊面采用1∶250000山西省水文下墊面產(chǎn)流地類圖量算。計(jì)算方法如下：

河道比降：J=［（Z0+Z1）L1+（Z1+Z2）L2+……+（Zn-1+Zn）Ln-2Z0Ln］/L2

式中：B——流域平均寬，km；F——集水面積，km2；L——主河道總長(zhǎng)，km；J——主河道縱坡；

Z0、Z1、Z2、Z3……Zn——河道縱斷面各轉(zhuǎn)折點(diǎn)河底高程值，m；

L1、L2、L3……Ln——各轉(zhuǎn)折點(diǎn)之間分段河長(zhǎng)，km；

θ——流域特征值。

設(shè)計(jì)斷面以上流域特征值見(jiàn)表1。

表1 金家莊溝1號(hào)橋設(shè)計(jì)斷面以上流域特征值表

2.2.2 計(jì)算方法及結(jié)果

依據(jù)《山西省水文計(jì)算手冊(cè)》（以下簡(jiǎn)稱《手冊(cè)》），結(jié)合流域特征和資料狀況，選用流域模型法、推理公式法、經(jīng)驗(yàn)公式法三種方法進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。經(jīng)綜合分析，金家莊溝1號(hào)橋設(shè)計(jì)斷面100年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量建議采用流域模型法計(jì)算成果，其理由如下：

表2 金家莊溝1號(hào)大橋設(shè)計(jì)斷面100年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算成果 單位:m3/s

以上三種方法計(jì)算結(jié)果接近，經(jīng)驗(yàn)公式法是綜合實(shí)測(cè)流量頻率計(jì)算成果得出，對(duì)有些暴雨及產(chǎn)、匯流這一比較復(fù)雜的隨機(jī)物理過(guò)程進(jìn)行了簡(jiǎn)化甚至予以忽略，由于歸類綜合較粗，影響因素也不可能考慮太細(xì)，很難全面反映每一個(gè)具體流域的流域特征，使其經(jīng)驗(yàn)參數(shù)不穩(wěn)定，故變幅較大。流域模型法及推理公式法是理論上比較成熟的方法，有一套比較完整的運(yùn)算系統(tǒng)，參數(shù)分析所選水文數(shù)據(jù)均來(lái)自現(xiàn)有水文成果，是普遍采用的方法，為安全起見(jiàn)，建議采納流域模型法計(jì)算結(jié)果。

3 梁底高程復(fù)核計(jì)算

3.1 計(jì)算方法

根據(jù)《鐵路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》，梁底最低高程為：

式中：Hmin——梁底最低高程；

Hs——設(shè)計(jì)洪水位，采用100年一遇設(shè)計(jì)水位；∑Δh——考慮壅水高度等諸因素的總和；

Δhj——橋下凈空，0.5 m。

3.2 設(shè)計(jì)洪水位推求

天然河道蜿蜒曲折，過(guò)水?dāng)嗝娌灰?guī)則，斷面形狀、粗糙系數(shù)及河道底坡沿程都有變化，其水力因素十分復(fù)雜，為此，天然河道水位的推求采用恒定非均勻漸變流的能量方程為理論基礎(chǔ)，基本方程為：

式中：Z2、Z1——下游斷面和上游斷面的水面高程或水位；

E1、E2——分別為下斷面和上斷面的總水頭；——分別為下斷面和上斷面流速水頭；

hf、hj——分別為上下斷面之間的沿程水頭損失和局部水頭損失；

α——為動(dòng)能改正系數(shù)，在單式斷面中，可令

其中的α≈1.0。

一般采用均勻流沿程水頭損失的公式，計(jì)算河道漸變流的沿程水頭損失hf。

沿程水頭損失hf計(jì)算公式：

在金家莊溝設(shè)計(jì)河段范圍內(nèi)，根據(jù)金家莊溝河道斷面變化及橋梁布置情況，共布設(shè)3個(gè)橫斷面，斷面樁號(hào)分別為 K0+000、K0+094、K0+401，評(píng)價(jià)河段長(zhǎng)401 m，選擇金家莊溝1號(hào)橋下游94 m處斷面（樁號(hào)K0+000）作為控制斷面，從下游向上游推算出設(shè)計(jì)河段100年一遇河道水面線，水面線推算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 現(xiàn)狀橋梁河段100年一遇設(shè)計(jì)洪水水面線推求結(jié)果表

3.3 設(shè)計(jì)波浪爬高計(jì)算

當(dāng)m≤1.25時(shí)，設(shè)計(jì)波浪爬高公式采用：

式中：m——斜坡坡率；

K△——斜坡的糙率及滲透性系數(shù)，K△=0.8；

Kv——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，可根據(jù)風(fēng)速V=

23（m/s）、設(shè)計(jì)水深d、重力加速度 g=9.8（m/s2）組成的無(wú)維量V/（gd）1/2查表得到；

R0——為無(wú)風(fēng)情況下光滑不透水護(hù)面（K△=1），

H=1 m時(shí)的爬高值，m；

Kp——爬高累積頻率換算系數(shù)，據(jù)H/d和累計(jì)頻率查表求得，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 橋位處100年一遇設(shè)計(jì)洪水波浪爬高計(jì)算結(jié)果表

3.4 壅水高度

根據(jù)《鐵路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦公式，計(jì)算橋位前最大壅水高度ΔZM。

式中：ΔZM——橋前最大壅水高度，m；

表5 橋位處100年一遇設(shè)計(jì)洪水壅水高度計(jì)算表

表6 金家莊溝1號(hào)橋100年一遇梁底最低高程復(fù)核成果表

η——系數(shù)，與水流進(jìn)入橋孔阻力有關(guān)；

V——橋前全斷面平均流速；

VM——橋下平均流速。

其中，對(duì)于中等土，橋下平均流速公式：

式中：P——沖刷系數(shù)，P=WX/Wg；

WX——橋下需要過(guò)水面積。

其中，橋下需要過(guò)水面積公式：

式中：Qp——設(shè)計(jì)流量；

vp——設(shè)計(jì)流速；

α——水流方向與橋梁軸線之法線的夾角°；

Wg——橋下供給過(guò)水?dāng)嗝娣e，結(jié)果見(jiàn)表5。

3.5 計(jì)算結(jié)果

橋梁的100年一遇設(shè)計(jì)水位為844.10 m，各種雍水高度之和為0.47 m，橋下凈空安全值0.5 m。經(jīng)計(jì)算，100年一遇設(shè)計(jì)洪水計(jì)算梁底最低高程為845.06 m。橋梁100年一遇的設(shè)計(jì)梁底高程，高于計(jì)算梁底最低高程26.6 m（結(jié)果見(jiàn)表6），滿足《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50201-2014）的要求。

4 結(jié)論

金家莊溝1號(hào)橋滿足100年一遇的設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)要求，建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)施，不僅能夠滿足汾西礦業(yè)集團(tuán)公司煤炭外運(yùn)的運(yùn)輸需要，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，從而提升企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)可以帶動(dòng)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展，而且為瓦日鐵路集結(jié)貨源，擴(kuò)大干線鐵路的吸引范圍，為干線鐵路提供充足的貨源保障。