山區鐵路改河工程設計方案研究

高亮亮，龔愛軍

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司濟南設計院，濟南 250022)

我國是一個多山和丘陵的國家，大量鐵路修建在山區丘陵地區。未來10年，我國還要修建大量的山區鐵路［1］。山區水系發達，水量季節變化大。在山區鐵路建設過程中由于地形的限制，經常不可避免地會對山區河溝進行改移。結合龍煙鐵路某處改河工程，介紹工程設計方案。

1 工程概述

該處改河段屬于典型的峽谷性河段，峽谷性河段的河谷是在漫長年代中，水流不斷地縱向切割和橫向沖刷逐漸形成的，河槽寬窄相間，錯綜復雜，寬處可達10 m以上，窄處不足3 m;河床斷面呈V字形和U字形。河岸河槽中常有巨石突出，或夾砂、卵石;河床比降大，改河段平均比降達3%，水流季節變化較大，經現場實地調查近幾年來每次暴雨時都會溢流而出，水流湍急，旱季幾乎無水。下游新建鐵路高程由于受總設計方案限制不能抬高，為了使水流能夠順利通過涵洞，保證鐵路運營安全，從而對其進行改造設計，如圖1所示。

圖1 原河道位置

2 改河工程的平面設計

為了使改河段進口順暢，起點選擇在有穩定巖石外露河床水流均勻的順直段。由于山區河流會挾帶泥沙卵石，在改河曲線段采取了5倍穩定河寬(此值采用與改河地段具有同樣地質條件的上下游河道的平均寬度)的曲線半徑［2］。位于新建涵洞上游段，應盡量減少改移溝渠與涵洞中心的交角，并適當加長涵洞入口處直線段的距離，涵洞出口處也應避免改移溝渠的急劇轉彎，改河的終點要盡可能與原河床平順連接。如圖2所示。

圖2 新建河道布置

3 改河工程斷面的設計

3.1 設計流量的確定

在1∶10 000地形圖上算得該河流匯水面積F為2.56 km2。按設計洪水頻率1/100［3］，確定其流量。

根據山東省地方公式(山丘地區)［4］計算

式中 Qm——洪峰流量，m3/s;

F——流域面積，km2;

J——河道干流平均坡度，m/m;

R——凈雨深，mm;

tc——凈雨歷時，h。

根據鐵三院公式(山丘地區)［5］計算

當ap=Sp/tn時

式中 n——暴雨衰減系數;

L4——流域長度，從分水嶺算起，km;

I4——流域坡度，從分水嶺算起，用加權法計算;

F——流域面積，km2;

η——為暴雨點面折減系數從文獻［5］查取;

C2——參數，可按下式計算

其中，β0、γ0、m0、A4均為參數，可從文獻［5］查取。

P0可按下式計算

N0可從文獻［5］查取。

g0可按下式計算

采用以上兩種方式計算進行校核，取較大值作為設計流量。通過計算比較，取設計流量Q1/100=169.19 m3/s為該河段的最終設計流量。

3.2 改河工程縱斷面設計

改河工程的溝底線兩端應與天然河溝深槽底相接?？v坡盡量采用原河道穩定河段縱坡［6］，可按以下公式近似求得穩定河道的縱坡IWα值

n——天然河道的粗糙系數，可由文獻［6］查得;

K——河相關系系數，山區河段可取K=2～3，平原河段可取K=4～5;

Q——造床流量(m3/s，此處河床為巖石，按設計流量);

vbc1——當斷面平均水深為1 m時的不沖流速，m/s。

通過計算得原始河段穩定縱坡為3.5%。此處改河段河床的地質條件比較單一，均為片麻巖，宜采用單一坡度。由于對河道進行了裁彎取直，其平均縱坡比原河道縱坡陡。為了解決河道地段多余落差的問題，在新河道口的入口地段設計成較陡的縱坡，為了防止沖刷，在進口處以矮跌水的形式進行調整［7］。如圖3所示。

圖3 改河縱斷面

3.3 改河工程橫斷面設計

根據外業調查，原河流穩定段河槽為U形斷面，橫斷面比照原來河床的橫斷面進行設計不應壓縮既有河道，河道寬度選取原河道穩定寬度，估算設計斷面面積W，根據謝才－滿寧公式［8］

流速

流量

式中 n——改河糙率;

W——改河流水斷面面積，m2;

R——水力半徑，R=W/Pa;

Pa——流水斷面的濕周，m;

I——計算斷面附近河段的河床縱坡。

根據上式計算得到的改河斷面流量，與實際洪水流量之差，若不超過5%即認為合適，否則重新假定平均水深“H”，反復試算后，確定斷面面積W?？紤]到此處河谷狹窄，地質單一且為巖石，為了減少挖方與征地，改河斷面采用矩形截面，重力式擋土墻進行沖刷防護，擋土墻要考慮一定的安全高度［9］?？紤]到下游新建鐵路高程限制，在靠近新建涵洞入口處，對河道橫斷面進行拓寬，使水位能夠滿足涵洞的凈空高度［5］。不同底寬的連接處設置了漸變段，其長度的擴散率為4∶1。

4 改河工程的防護

為了保持改移河道河床穩定和防止水流對擋土墻基礎的淘刷，必須做好防護設計。根據謝才－滿寧公式求得改河后的設計流速在6～8 m/s，根據經濟性和就地取材的原則，選取石料漿砌，護砌厚度按流速選用亦可參照下列公式計算［10］

式中 δ——所求的護坡厚度，m;

Psj——作用于護坡上的舉力，Pa。當考慮水流作用時

式中 v0——水流平均流速，m/s;

η——與護面結構有關的試驗系數，可查文獻［10］;

μ——與護面透水性有關的試驗系數，可查文獻［10］;

γ0——水的容重，kN/m3;

γs——漿砌片石的容重，kN/m3。

根據上式計算得此處改河分區段采取鋪砌厚度分別為35、50 cm。

5 結語

為修建鐵路橋涵而進行的改河，大都是在河流的局部地段進行改動，其范圍小，與河流工程上治理大段河流或對整個河流的改河過程是有區別的。一般只要求新河道能夠順應河勢，大體上符合該段天然河流的特性，就可達到預期目的。

(1)為了保證改河的成功，改河前注意查明當地河段特征，如河水流量、流速、水深、河面寬度、河槽斷面形狀及尺寸。沿河各段縱坡、穩定直線段的長度以及穩定河彎長度和半徑等。另外，尚應了解河床及河岸的地層情況，沖淤情況，以作為考慮新河道平面及縱橫斷面的設計依據。同時結合當地地形、地質條件確定改河中線，使所設計的新河道盡量少占地并節省土石方和防護工程的數量。

(2)改移河道的平面布置盡量平順、圓滑。

(3)鐵路改河工程往往是裁彎取直，其平均縱坡一般比原來的河道縱坡為陡。因此為了使水流容易引入新河道，可在新河道的入口地段設計成較陡的縱坡，以解決改河地段多余落差，如入口地段縱坡過陡，則可以在進口處以矮跌水的形式調整。

(4)在水文計算中對糙率的選擇應注意剛開挖的溝槽比較光滑，糙率較小，過幾年后河槽會變得粗糙一些或生長雜草，糙率會變大，因此求算水位時可采用將來可能變大的糙率，計算沖刷時可采用新開挖的糙率以策安全。

(5)由于新建鐵路高程限制，此處涵洞可利用凈空在2 m左右。通過技術經濟比較選擇新建涵洞孔徑為2～8 m框架?？讖竭^小，導致河道下挖，增加涵洞下游改河長度;孔徑過大，造成涵洞工程量的增加。

［1］白琦成.山區高速鐵路橋梁設計幾個問題探討［J］.鐵道標準設計，2011(2):50-55.

［2］王浩，杜栩，李守成.淺談改河工程的設計要點［J］.林業科技情報，1998(2):73-74.

［3］中華人民共和國鐵道部.TB 10002.1—2005 鐵路橋涵設計基本規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［4］山東省水利局.山東省水文圖集［M］.濟南:山東水利局出版社，1975.

［5］長江流域規劃辦公室水文處.水利工程實用水文水利計算［M］.北京:中國水利水電出版社，1986.

［6］鐵道部第一勘測設計院.鐵路工程技術手冊·路基［M］.北京:中國鐵道出版社，1992.

［7］文雨松.橋涵水文［M］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［8］中華人民共和國鐵道部.TB 10017—99 鐵路工程水文勘測設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，1999.

［9］鐵道部第一勘測設計院，蘭州鐵道學院.鐵路工程技術手冊·涵洞與拱橋［M］.北京:中國鐵道出版社，1994.

［10］鐵道部第三勘測設計院.鐵路工程技術手冊·橋渡水文［M］.北京:中國鐵道出版社，1999.