石太鐵路山區段涵洞水害成因分析及防治

申文軍

(中國鐵路北京局集團有限公司工務部，北京 100866)

北京鐵路局轄內既有鐵路總長12 609.2 km，山區鐵路占46.0%，部分線路建設年代久遠，所在區域地形復雜，導致其防洪能力偏低，雨季極易發生泥石流、山體滑坡、路基侵蝕沖毀等水因災害[1-2]。

針對山區鐵路橋涵、路基病害，相關研究已廣泛開展，并取得了一系列成果。劉保東等總結山區鐵路橋涵水害的主要類型與特征，并給出相應防治對策[3]；趙長江從宏觀上分析鐵路水害頻繁發生的主要原因，并提出確保汛期鐵路行車安全的相應對策[4]。以往研究多從宏觀上對泥石流、崩塌落石、路基下沉以及水漫路基進行了原因分析與對策研究[5-8]，但針對華北山區涵洞水害的專門性研究相對匱乏。以下依托石家莊-太原重載鐵路(位于河北井陘縣山區段)某涵洞，對其在雨季發生的水因病害進行誘因分析，并提出針對性防治措施。

1 水害概況

石家莊至太原鐵路系晉煤外運的主要通道，為三級線路一級運量的重載線，是新中國第一條雙線電氣化鐵路，其建設年代早，設備等級低，抗洪能力弱。2016年7月19日至21日井陘縣境內普降暴雨，局部降特大暴雨，井南站雨量值達604 mm。2016年7月21日3時51分，石太鐵路上下行線K57+400～K57+700里程處突發特大洪水，洪水攜帶大量泥沙、石塊、樹枝等雜物淤積堵塞涵洞(1-5.0 m拱涵，凈高3.6 m，位于石太鐵路下行K57+632里程處)，造成該區間線路下沉60 mm，其中150 m線路被沖刷，導致其橫移1.5 m，道床沖空長約40 m，約500 m3雜物掩埋線路，如圖1、圖2所示。

圖1 水害現場情況

圖2 水害位置航拍示意

2 地質條件

2.1 氣象水文條件

井陘縣境內屬暖溫帶半濕潤大陸季風氣候，降水主要源于東南季風，每年隨季風到來的遲早與強弱，呈現年際和季節降水量變化。境內氣溫年際變化不大。根據氣象資料，1985～2004年，年平均氣溫為13.1 ℃，年均氣溫最高值出現在1998年，達14.1 ℃，年均氣溫最低值出現在1985年，為12.1 ℃，汛期平均降水量為285 mm。

2.2 地形地貌

井陘縣地處太行山東麓、河北省西陲。其北鄰平山縣，東部和東南部與獲鹿、元氏、贊皇三縣毗連，西部和西南部與山西省盂縣、平定、昔陽三縣接壤。

2.3 地層巖性及地質構造

井陘地區位于河北省太行山中段，區域地質構造受新華夏系第三隆起帶的控制。受喜馬拉雅運動的影響，形成了盆地形態的基本輪廓，區內斷裂以北北東向為主，部分為南北向，盆地周邊多為古生代地層組成的丘陵低山，盆地內部及坡麓地帶廣泛發育第四系地層。該地區新構造運動顯著，以升降運動為主，并伴隨斷裂及火山活動，斷裂活動具繼承性，雪花山玄武巖的噴發與此有關。

工程所在地的河床以卵石土或碎石土為主，局部出露基巖，路基填料為片石類土，場地工程地質條件較好，有利于路基支擋結構、路塹邊坡防護結構以及框架橋結構等構筑物的布置。

3 水害成因分析

3.1 暴雨強度大

根據石家莊工務段蔡公莊雨量觀測站2016年7月18日～21日統計數據，該區域10 min最大降雨量為16.5 mm，1 h最大降雨量為56.7 mm，24 h最大降雨量為301.2 mm，連續雨量為604.5 mm；致災雨量為587.6 mm。此次降雨時間長，強度大，屬于百年一遇。

3.2 涵洞上游自然生態發生改變

在該既有涵洞上游溝谷，由于人為原因導致自然生態發生改變：村民開辟梯田，人為將大量碎石塊轉移至河道內，造成原本暢通的河道堵塞，從而加速河水對河道的沖刷。測量發現，涵洞上游自然生態改變造成原河道被沖刷(約1.5 m深)，大量原本沉積在河道內的碎石被河水沖入下游，如圖3所示。

圖3 河流上游圖片

3.3 涵洞高程低

基于現場水災實際調查，可以發現當水害發生時，主河道內河水水位已經高于既有涵洞頂部，河床整體抬高，造成涵洞拱底基本與河床平齊，從而發生河水倒灌現象，進一步降低了溝谷內上游洪水的流速，導致大量碎石在涵洞前方沉積，甚至堵塞涵洞，進一步加重水害程度[9-12]，如圖4所示。

圖4 既有涵洞圖片

3.4 涵洞入口地形影響

受現場地形的影響，在該既有涵洞前，洪水的流向發生較大角度轉向，從而形成一個漩渦，造成大量碎石沉積淤積，導致涵洞發生堵塞，并進一步引起河水上漲甚至漫沒路基的現象(如圖5所示)。

圖5 既有涵洞入口處河水轉向

3.5 其他水流匯入

涵洞上游河道局部與綿佑渠并行，受此次強降雨影響，綿佑渠發生潰壩，導致大量地表水匯入該河道，造成河道內水量與流速激增，從而加劇了下游涵洞水害。

4 水害防治措施

鐵路涵洞水害是眾多因素綜合作用導致，針對該涵洞水害成因提出綜合防治措施，主要包含河流生態改善與橋涵復舊設計兩方面。

4.1 河流生態改善

河流生態惡化是誘發鐵路涵洞水災的主要原因，綜合河道調查情況，采取以下措施來消除。①疏浚河道，清理河道中堆積碎石塊，整平被沖刷河道，穩定水流方向，并配合水務部門定期巡查，避免沙石逐年淤積問題。②改善涵洞入口處河流走向，通過開挖轉角內側石塊，將河水以小角度引流至涵洞口。③對易發生沖刷的河床進行防護。④調查涵址上游水庫、塘壩情況，加固上游鄰近河流堤壩，同時盡可能設置導流堤將其他河流引流至距離本涵洞較遠位置。⑤加強水文觀測，密切關注氣象部門發布的汛情預報，及時檢查重點防汛節點的洪水位。

4.2 橋涵復舊設計

基于對此次涵洞水害成因的分析，結合線路現場實際情況，提出該水害工點的復舊方案。應遵循“分析成因、找準根源；原狀復舊、適當提升；整治徹底，不留后患；兼顧水害上下游、前后端；完善排水系統、提升抗洪能力”的原則，堅持以疏為主、疏擋結合、因害設防、突出重點和因地制宜的綜合治理措施[13-16]。

涵洞無法滿足暴雨或洪水時水流順利通過是發生水害的根本原因，復舊方案中，應首要考慮抗洪能力不足的問題(包含原涵洞孔徑不足、高程較低等)。復舊框架橋施工前，應首先對本次水災造成的淤積碎石進行清理，恢復原河道高程，并對基礎進行加固。

為解決既有涵洞排水能力不足問題，提出補充設置過水能力更強的框架橋方案，即在拱涵大里程方向鄰近該涵洞采用頂進法修建一座框架橋，此外，抬高復舊方案中框架橋高程(使其高于原涵洞高程4 m)。新建框架橋設計流量為250 m3/s，大于原涵洞的設計流量。

(1)水文計算分析

根據該框架涵工程特點判定該橋梁水文計算宜采用小流域流量計算法，本次小流域流量計算選用“三院法”計算公式，針對山丘區，當a=S1%/tn時，有

(1)

式中，Q1%為百年一遇設計流量/(m3/s)；S1%為設計洪水頻率為百年一遇的雨力/(mm/mim)；F為匯水面積/km2；η為暴雨點面折減系數；L4為流域長度/km；I4為流域坡度；n為暴雨衰減指數。

式(1)中，C2可按照式(2)計算，有

(2)

式(2)中，β0、r0、m0與A4均可從《橋渡手冊》查取。

g0可按照式(3)進行計算

g0=1+m0·P0

(3)

式(3)中，P0可按照式(4)進行計算

(4)

式(4)中，N0可從《橋渡手冊》查取。

計算中，所采用的鐵路設計活載為中-活載，即JQS標準荷載，本框架橋的設計流量為250 m3/s。

計算中所需要各原始參數見表1。

表1 原始計算參數匯總

經計算得到的各中間參數與最終流量計算結果，如表2所示。

表2 中間參數與計算結果匯總

由上述計算可得，流域內百年一遇水流強度為84.127 m3/s，遠小于新建框架橋的設計流量250 m3/s，故新建框架橋可確保平時河流順利通過，以及在保證河流流域生態的前提下抵御較大洪水。

(2)工程地質情況

根據橋址區鉆探揭露地層情況可知，擬建場地在20.0 m深度范圍內，地基土層主要為人工填土與一般第四系土層。地下水位高程為267.37～267.48 m，因其埋藏較深，本次復舊方案可不考慮地下水對本工程的影響。

根據現場調查，附近未發現污染源，參照該地區類似工程經驗，結合附近土體的試驗結果，同時依據相關規范，可以判定混凝土結構所處環境為碳化環境、化學侵蝕環境、鹽類結晶破壞環境形成的復合環境。施工時應采取相應的耐久性工程技術措施。

(3)框架橋設計

設計框架橋中心位于石太鐵路K57+649.3處，橋址處鐵路設置為2股道，鋪設無縫線路，軌道結構采用60 kg/m鋼軌，鋼筋混凝土軌枕。該區間線路位于直線區段，線路坡度為7.5‰(上坡)，線間距為4.0 m，橋位處兩側路基邊坡高約9.0 m，路基兩側鋪設有鐵路光、電纜。

框架橋主體為整體框架結構，凈跨距設置為10.0 m，框架橋主體長12.0 m，框架橋中心線與鐵路線路中心線的交角為90°，框架橋頂板頂面距鋼軌底面0.80 m。框架橋結構總高10.0 m，結構凈高8.0 m，頂板厚1.0 m，底板厚1.0 m，邊墻厚1.0 m，頂板加腋尺寸為0.5 m×1.5 m，底板加腋尺寸為0.2 m×0.2 m。

框架橋主體前端刃角及懸臂長4.5 m，主體后端尾墻長3.0 m，尾墻側人行道懸臂板長3.0 m。框架橋頂進到位后，將刃角、前后端底板補齊。

(4)施工方案

為保證線路正常運營，將施工影響降到最低，該框架橋采用頂進法進行施工，工作坑設置在線路北側，由北向南頂進。工作坑采用1∶1放坡開挖方式開挖，工作坑后采用夯填土和漿砌片石進行處理，并選用挖孔灌注樁結合后背梁的形式進行加固，框架橋在滑板上預制，待混凝強度達到設計強度后，方可頂進施工。

5 結論

基于石太鐵路下行線K57+632里程位置處涵洞水害情況，在調查該地區氣象、水文、地質資料的基礎上，按照“原狀復舊、適當提升、完善排水系統、提升抗洪能力”的原則，經過橋涵水文檢算，提出采用框架橋擴孔改造的復舊方案，取得了較好的效果，主要結論如下。

(1)涵洞水害主要為拱涵堵塞淤積、雜物掩埋線路、以及道床沖空造成的線路沉降與橫移等。

(2)涵洞水害主要原因為暴雨歷時長、雨強大，上游自然生態發生變化，涵洞底部高程低，涵洞前水流轉向角度大，以及其他水源匯入造成河水量大增等。

(3)提出擴孔頂進框架橋復舊方案，可在保證線路安全運營前提下有效降低水害發生風險。