上游水庫對于鐵路橋梁橋址處流量影響的研究

郝 勇

(中國鐵路設計集團，天津 300308)

1 概述

鐵路橋梁是鐵路跨越河流、湖泊、海峽、山谷或其他障礙物，以及為實現鐵路線路與鐵路線路或道路的立體交叉而修建的構筑物。水庫，一般的解釋為“攔洪蓄水和調節水流的水利工程建筑物，可以用來灌溉、發電、防洪和養魚。”它是指在山溝或河流的狹口處建造攔河壩形成的人工湖泊。水庫建成后，可起防洪、蓄水灌溉、供水、發電、養魚等作用。如何在鐵路勘測設計階段合理確定上游水庫對于橋址處流量的影響，一直是橋梁設計者較為關注的問題。

2 收集資料

當地主管部門對于線路沿線基礎資料的掌握是最全面的。在外業勘測過程中，需要前往當地的水利局、水文局、河道管理所、水庫管理所、水利樞紐管理處等各相關單位收集沿線水文資料。收集內容通常包括地方水利志、水系圖、河流水庫參數、蓄滯洪區設置、地方水文計算辦法等。上述資料的收集對于合理確定橋梁位置和孔跨具有重要意義。

針對線位附近的水庫，在外業勘測基段則應準確了解涉及到的水庫名稱、主管單位、水庫等級、設計標準、校核標準、總庫容、死庫容、主壩類型、壩頂高程、壩頂寬度及長度、溢洪道情況、最大設計下泄流量、潰壩流量等工程數據。必要的時候還應了解水庫的實際用途，以便在設計過程中提前考慮施工方案對于水庫環境的影響。

3 處理思路

在準確收集當地資料后，應針對線位與既有水庫工程的位置關系，視具體情況對水庫問題進行處理。處理思路如圖1所示。

3.1 線位穿越水庫或其附屬設施

當鐵路選線困難，線位不可避免地走行于既有水庫之中，鐵路應以橋梁形式跨越水庫，并盡量一跨跨越水庫堤壩結構。如水庫水域面積較大，在充分爭取地方主管部門意見的前提下，宜以簡支梁形式布設水庫內孔跨，以盡量減小橋梁施工對于庫區的影響。

3.2 線位不穿越水庫或其附屬設施

當線位不穿越水庫及其附屬結構，而是僅走行于水庫附近，則應優先判斷水庫泄流路徑是否與線位交叉。判斷依據通常為沿線地形地勢、水庫大壩開口方向、溢洪道設置情況等，如線位與水庫泄流路徑不交叉，則可暫不考慮水庫對于本線的影響。

當線位與水庫的泄流路徑交叉，則鐵路橋梁在設計過程中應充分考慮水庫對于橋梁的影響。

3.2.1水庫校核年限大于鐵路橋梁

當水庫校核年限大于鐵路橋梁，則代表水庫的設計標準高于橋梁，即在橋梁結構的正常使用過程中，不需考慮水庫潰壩造成的流量增加。但是水庫在使用過程中，根據其功能性的不同，亦需要經常性的開閘泄流，這部分泄流量會對橋梁的正常使用造成影響。因此在這種情況下，應考慮水庫設計最大下泄流量并基于泄流路徑的長度進行折減。

折減公式如下：

QLM=W/(W/QM+LC/VK)。

其中,QLM為橋址處計算流量；QM為水庫設計最大下泄流量；LC為壩址與橋址間距；W為水庫下泄的水量體積,m3；V為河道洪水期斷面最大平均流速，有資料時采用歷史最大值；如無，山區用3.0 m/s～5.0 m/s，山前區用2.0 m/s～3.0 m/s，平原區用1.0 m/s～2.0 m/s；K為調整系數，山區1.1～1.5，山前1.0，平原0.8～0.9。

3.2.2水庫校核年限不大于鐵路橋梁

當水庫校核年限小于鐵路橋梁，則代表水庫的設計標準低于橋梁，即在橋梁結構的正常使用過程中，應考慮水庫潰壩造成的流量增加。當水庫校核年限等于鐵路橋梁，考慮到水庫在使用過程中結構不斷老化，或可能在使用過程中遭遇泥石流、地震或人類活動的破壞，實際標準極有可能低于設計時的校核年限，因此也應考慮水庫潰壩造成的流量增加。潰壩流量的計算公式如下：

QM=0.27g0.5(L/B)1/10(B/b)1/3b(H0-K′h′)3/2；

當V≥106m3:

b=K1K2(V1/4B1/7H1/2)；

當V<106m3:

b=K1K2(V1/4H1/4)。

其中,QM為水庫潰壩流量；L為水庫庫區長，當L/B>5，按L=5B取之；B為下游壩長；b為壩體決口平均寬度；K1為安全系數，取1.1～1.3；K2為壩體建材系數，一般取1.2，對均質壤土壩取2；K3為材質系數；質量由好到差可取6.6～9.1；V為水庫庫容；H為水庫壩高；H0為潰壩時壩體上游水深，可以壩高計；h′為潰壩后壩體殘留高度，取0以策安全；K′為修正系數，可按K′=1.4(bh′/BH0)1/3計算，bh′/BH0>0.3時，K′取0.92。

4 計算示例

本文以某高速鐵路項目初測為例進行計算示例。項目沿線水資源豐富，水庫密布。其中，甲、乙兩座水庫均為小二型水庫，位于線位附近，且其下泄路徑均與線位交叉。甲水庫設計年限30年，校核年限200年；乙水庫設計年限20年，校核年限100年。故分別計算甲水庫的設計最大下泄流量及乙水庫的潰壩流量對于本項目的影響。

4.1 橋址處甲水庫設計最大下泄流量計算

根據外業勘測階段收集得到的資料，甲水庫行洪最大下泄水量為387.1萬m3，設計最大下泄流量為738.22 m3/s。已知沿甲水庫泄流路徑，壩址與橋址距離為3.5 km，河道洪水期斷面最大平均流速取1 m/s，調整系數K取0.8，則計算得到，當甲水庫下泄設計最大下泄量的水體，根據上述公式，橋址與泄流路徑交叉處增加流量應為402.45 m2/s。

4.2 橋址處乙水庫潰壩流量計算

根據外業勘測階段收集得到的資料，乙水庫總庫容12.08萬m3，壩寬77 m，壩高22.45 m，計算得潰壩流量為1 727.11 m3/s。已知沿乙水庫泄流路徑，壩址與橋址距離為6.08 km，河道洪水期斷面最大平均流速取4 m/s，調整系數K取1.3，則計算得到，當乙水庫潰壩，根據上述公式，橋址與泄流路徑交叉處增加流量應為25.45 m3/s。

5 結語

針對既有水庫工程與鐵路線位的位置關系，本文分別闡述了鐵路橋梁設計過程中考慮上游水庫對于橋址處流量影響的幾種思路。應用本文所述的設計思路，可以較準確的考慮水庫在不同情況下泄流時對于橋址處流量的影響，對于橋梁選址和選型具有重要的參考意義。