西北漫流區水文特征及橋涵布設

羅紅枝，徐永利（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西　西安　710043）

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西北漫流區水文特征及橋涵布設

羅紅枝，徐永利
（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安710043）

摘要：山前戈壁漫流是我國西北地區特有的一種山前區河流形態，通過對漫流區流域特點和水文特征分析以及典型病害原因分析，對漫流區水文計算方法和鐵路橋涵布設提出了建議，對該地區工程設置和水文計算有一定的借鑒和參考價值。

關鍵詞：漫流區；水文；橋涵布設

1　概述

我國西北地區大部分鐵路線如蘭新線、包蘭線、南疆線、干武線、精伊霍線以及青藏鐵路等都不同程度地存在山前戈壁漫流水害問題，其中蘭新線是受漫流危害最嚴重的鐵路干線，尤其以高臺漫流最為典型。

山前連續沖積錐漫流也稱為山前戈壁漫流，是我國西北地區特有的一種山前區河流。這類漫流的特征是在山麓地帶存在毗連的許多小山口，由于洪水攜帶物長期作用在各山口堆積形成連續成群的沖積錐，在沖積錐上還未切割出固定的溝槽，形成擺動不定的漫溢分支，河床為粒徑較粗的卵石或碎石，河床縱坡較陡。在連續沖積錐以下，由于溝槽相互交錯成網狀交織，水系錯綜復雜，水流紊亂，再往下游明顯溝槽逐漸消失，形成長大寬展的漫流地帶。地質多為礫石及細粒卵石，地面縱坡稍緩，水流中夾帶大量泥沙和細顆粒石塊。再往下游地面縱坡變緩，泥沙逐漸沉積，形成荒漠或草原，有的已經開辟為耕地，這種地帶往往沒有明顯的溝槽和水流痕跡，平時無水，呈干旱景象，容易被誤認為不受山洪影響，遇較大暴雨，山洪驟至，則遍地漫流。在漫流末端地形極為平坦，漫流洪水有的被阻滯于農田、沙漠上游邊緣地帶，形成一片洼地滯洪區；有的尾水逐漸潛入地下，于下游低洼盆地處流出，地面形成沼澤或鹽堿地。

2　流域特點和水文特征

2.1河岸穩定性及河槽變形特點

1）兩岸不受約束，岸線極不穩定。

2）河槽形態、位置極不穩定，主流在洪水漫溢范圍內擺動不定。

3）自然沖淤嚴重，河床面逐年淤高。

4）集中沖刷明顯，沖深并不大。

2.2河段平面外形

1）河段呈沖積擴散狀，大體順直或微彎。

2）河床寬淺，汊道交織，多呈網羽狀。

3）通常分不出河槽和邊灘。

2.3斷面及地質特征

1）斷面呈鋸齒狀，中間高兩邊低。

2）岸槽高差較小。

3）河岸與河床組成接近，河床質多為卵礫石。

2.4水文特征

1）洪水流向常與河段總方向一致，水流散亂漫流。

2）同一橫斷面上水面很不平順，自然涌高很大。

2.5河段區別要點

沖積漫流性河段地貌大致具有沖積扇體特征，河床面逐年淤高較游蕩性河段明顯，洪水股流按總趨勢在較高的溝槽中通過。

3　漫流區線路選線

在山麓連續沖積錐及其下游邊緣部分，洪水流速很大而且挾帶大量泥沙石塊，破壞力強，線路經過這一帶時，容易堵塞橋孔，沖毀路基，中斷行車，危害極大，線路選線盡可能繞避該區域。

在漫流的下游邊緣地帶，洪水時水淺流緩，形成一片寬闊的洼地滯洪區，部分水流自然消失，部分水流漫向低處或引為灌溉水源，無沖刷破壞能力，但當線路直接穿越這一地帶時，天然水面寬度和停滯水流面積都要受到擠壓，使水流集中，水位逼高，由于排泄無出路或不暢達，也會對路基造成淹沒的病害。

基于以上考慮，在漫流地區線路選線時應注意以下幾點：

1）不可避免要通過洪積扇時盡可能選擇在上游狹窄河段通過。

2）盡量避繞連續沖積錐、網狀交織或分支漫溢的長大嚴重漫流地段。

3）在漫流地段下游如有農田地帶時，線路宜選在農田地帶的上方邊緣或農田地帶的下游邊緣通過。

4）在下游洼地滯洪地區，線路應選在地勢較高，洪水不致淹沒地段通過。

4　蘭新線馬營河大橋典型病害分析

4.1概況

馬營河屬西北地區內陸河流，河流出山口后經古洪積扇流向沙漠，蘭新線穿越馬營河洪積扇的腹地—馬營河中游擴散河段。橋址處河流呈喇叭狀敞開，河床寬淺，主流曲折游蕩，水頭較低，這是由于出山口的水流尤其雨季洪流隨著河道的散開河床縱坡變緩，洪水攜帶搬運能力減弱，容易淤積造成主流經常改道的結果。

馬營河大橋位于蘭新線k665+711處，橋長189.9m，為11-16m鋼筋混凝土梁橋，建成于1956年。橋下凈空2.72m，由于在橋位處河床寬度達5km，河床縱坡22‰，為控制擺動不定的河流，在橋梁上游兩側設有長達2km的束水導流堤，以使水流集中由橋下通過。

在馬營河鐵路橋上游4km為G312馬營河公路大橋，該橋為8-22m預應力混凝土梁橋，橋址處河槽明顯，河岸穩定，沖淤平衡，自建成以來一直使用良好，無大的病害。

4.2馬營河大橋病害情況

從現場調查和工務段臺賬資料來看，馬營河橋的病害主要為洪水翻越、下切陶刷、沖毀導流堤及路基、沖毀橋下鋪砌和橋下淤積等，見表1。

表1　主要病害及處理情況

4.3馬營河大橋病害原因分析

1）自然因素：河流出山口后，由于河槽逐漸加寬，縱坡變緩，洪水攜帶物沿程停積，形成泥石流的堆積漫流區—山前洪積扇，導致水流改道及河床淤積，造成水流改道。

2）人為因素：由于受當時對漫流區選線認識不足和客觀條件尤其是國家財力的影響，力求線路短直，壓縮橋高、橋長以節省投資而將線路位置選在沖洪積扇的沉積區通過，橋下預留凈空太低，使得鐵路建成后病害不斷。

5　漫流區水文計算

由于漫流地區特殊的地形條件和水流特性，水文計算的關鍵是洪峰塌緩系數、流量分配系數和流量加強系數的確定，下面就重點介紹相關系數的確定。

5.1洪峰流量塌緩系數的確定

洪水出山口后，由于下游河段的調蓄和阻力作用，以及洪水沿程滲漏，使洪水波逐漸展平致使洪峰塌緩，塌緩后洪峰流經下游斷面的流量將削減，洪峰塌緩系數與轉用河段距山口距離、河段糙率系數和河段擴散情況等有關。洪峰塌緩系數可根據下游河段某一斷面處的歷史洪水流量與山口處同期歷史洪水流量之比確定。即：

其中：α為洪峰塌緩系數；

∑Q（歷史）n為線路處各斷面歷史洪水流量總和；

∑Q(歷史)總為同期對應溝口處歷史洪水流量。

上述流量具體根據典型流域形態調查確定。在形態調查難以實現時，可根據地形、河床質等因素，結合經驗確定洪峰塌緩系數。

5.2流量分配系數的確定

流量分配系數是漫流區水文計算的重要參數，是合理確定設計流量分配，進行橋涵布設和確定橋涵孔徑大小的重要依據。分配系數是隨著河道變遷、流量改變而變化的系數，因此各溝槽的分配系數應根據斷面上游各溝槽的變遷情況，結合該河段內的歷史最大流量確定。具體通過形態調查按下列公式計算。

式中：β——流量分配系數；

∑Q（歷史）n——線路處各斷面歷史洪水流量；

∑Q(歷史)總——同期對應溝口處歷史洪水流量。

5.3洪峰流量加強系數的確定

流量加強系數是漫流區流量計算的一大特征，由于河槽擺動、游蕩、變遷，每次洪水通過各個河槽的分配系數都不相同（即使在不同的年代發生相同頻率的洪水流量時，通過某個溝槽的洪水流量也不同），因此采用將總流量加大的辦法來滿足在發生百年洪水時某個溝槽可能出現的最大流量是目前解決這一問題的主要方法。《橋渡水文》中給出了缺乏天然河道實測資料時的流量加強系數γ參考表2。

表2　流量加強系數

5.4各溝槽處設計流量的計算

根據山口處百年設計流量Q1%（山口），考慮洪峰流量塌緩系數α、各溝槽流量分配系數β及流量加強系數γ，計算出橋址處各溝槽的設計流量Q1%（n）。即：Q1%（n）=Q1%（山口）xαxβxγ

6　漫流區橋涵布設

6.1漫流區橋涵布設總體思路

1）當線路通過漫流地區時，應進行水系測繪調查，結合航測遙感圖片和小比例尺軍用地圖，根據地形條件、洪水主流位置及其可能擺動的趨勢，采取分散與小集中相結合的原則布置沿線橋涵。對于較大的集中水流應分別設置橋涵，不宜強行改溝合并，也不宜強行改移主流位置而將橋涵設于地勢低洼或路基較高處。

2）當線路通過不受上游山洪影響而且無明顯溝槽的平坦戈壁灘、草原、沼澤、鹽堿地等地區時，如當地的暴雨能形成徑流，在天然情況下水流分散成片，一經筑路攔截水流集中后仍能危害路基。因此橋涵布置不宜過稀，應采取分片泄洪的原則，結合水流出路在地形低洼處設置橋涵。

3）當線路通過漫流下游洼地滯洪地區的洼地邊緣時，應根據水流分布及洼地積水情況設置橋涵；當線路必須通過洼地以內時，應設置必要的橋涵，以溝通兩側水流和平衡兩側積水水位，同時要合理設置路堤高度。

6.2漫流區橋涵設計

1）橋長的確定：設計橋長不僅要考慮泄洪，還要考慮輸沙通暢。過分壓縮河槽的排洪、輸沙寬度，除了可能大量增加調治水流、固岸保橋的調治建筑物外，還可能造成上游雍水，使上游河床產生泥沙沉積，河床升高，更加增大橋位上游河段的不穩定性，其結果反過來又危害橋梁的安全。相反，不必要地增加橋長，除增加投資外，橋長過長對于穩定河道也是不利的。泥沙的淤積將促使洪水主流更加曲折擺動，河道也越容易遷徙不定。

在沖積漫流河段橋長的設計使其等于或略小于河槽基本寬度是比較適宜的；一河多橋應按各橋最大雍水高度基本相等的原則進行橋長調整。

2）橋下凈空：在沖積漫流河段、擴散河段上修建橋梁，無論橋梁布置、橋孔大小、橋下凈空以及導流建筑物設置等難以正確解決。洪水時橋下通過大量泥沙的情況下，河床逐年於高是一個復雜而危害性很大的問題。目前沒有好的辦法，只有根據經驗預留一定的橋下凈空。鐵路工程設計技術手冊《橋渡水文》中橋下凈空高度參考值見表3。

表3　山前區寬河中游擴散河段橋下凈空高度參考數值

3）導流設施：在沖積漫流河段修建橋梁，基本上設置了人字形封閉導流堤。

經過多年水害整治經驗，導治設施的設置應遵從以下原則：單側封閉導流堤不宜超過500m，片面強調長橋短堤會造成經濟上不必要的浪費；同時較長的封閉導流堤安全性較差，當壩前沖刷深度大于3.5~ 4.0m且壩體較長時，相應工程量及施工難度會明顯增加，適當增加橋長，縮短壩體的長度和高度，使壩前沖刷深度控制在3.0~3.5m以內為宜，盡可能提高橋梁防護工程的安全性。

7　結語

漫流地區水流紊亂，串流現象嚴重，水文情況十分復雜，橋涵布置和設計流量的確定不僅要重視理論計算，更應該重視外業調查。漫流區水文勘察必須深入現場，充分利用航空照片和小比例軍用圖與實地調查相結合的方法，對漫流區地形、地貌、河槽變遷、擺動和歷史洪水位進行全面調查和實測，通過理論計算合理確定線路走向、線路高程、路基防護高度、橋涵位置、橋涵孔跨以及導流建筑物的布設。

參考文獻：

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中圖分類號：U24