杭州至富陽城際鐵路宋家塘段防洪評價

王俊芳，石小蓁，王 琰

（1.浙江中水工程技術有限公司，杭州 310000；2.山東浩華建設集團有限公司，山東 青島 266205；3.青島瑞泰創展工程檢測有限公司，山東 青島 266111）

1 研究背景

鐵路是國民經濟的動脈，確保汛期鐵路運輸安全暢通，直接關系到經濟社會發展。鐵路橋梁工程建設對河道堤防安全、河勢穩定、輸水安全、通航及渠道治理規劃等產生一定影響。根據《中華人民共和國防洪法》、《中華人民共和國河道管理務例》和國家計委、水利部《河道管理范圍內建設項目管理的有關規定》等法規，對河道管理范圍內建設項目應進行防洪評價。經過不懈努力，尤其是建國以來的防洪建設，鐵路已基本形成了較為完整的防洪工程體系。然而經濟社會的飛速發展，對防洪體系的要求則越來越高。因此對鐵路防洪體系效果進行評價則顯得尤為重要。趙繼華［1］對北京鐵路局不同時期的防洪體系效果進行評價，制定各評價指標評價標準，最后得出各時期防洪體系效果評價的等級。王茂龍［2］以甘泉鐵路為例，闡述洪災系統及其風險、鐵路防洪體系，并根據甘泉鐵路現狀，采用頻率統計法、聚類分析法、經驗判斷法和專家評價法等方法選取了22個指標作為甘泉鐵路的評價體系指標。胡余忠［3］介紹了合肥至武漢鐵路跨越淠河總干渠特大橋基本情況，就橋梁建設對河道輸水能力的影響作了分析評價，結果表明，鐵路建設對河道輸水能力影響較大，建議采取相應的補償措施。

MIKE 21是一個專業的工程軟件包，用于模擬河流、湖泊、河口、海灣、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及環境。MIKE 21為工程應用、海岸管理及規劃提供了完備、有效的設計環境。竇海英［4］防洪評價中不同的評價模型進行了對比研究，結果表明相對于其他模型MIKE模型具有更高的精度。MIKE模型在橋梁防洪評價中得到了廣泛運用，也驗證了該方法的準確性［5-8］。本文基于MIKE模型對杭州至富陽城際鐵路工程全宋家塘段鐵路進行防洪評價，并給出評價結果和防洪建議，為類似工程提供了參照。

2 M IKE模型計算理論

本文采用二維水動力模型進行防洪評價計算，該控制方程包括一個連續方程和兩個動量方程［9］。二維水流連續方程如下：

x向的動量方程為：

y向的動量方程為：

式中 z為水位；p、q為x、y方向單寬流量；h為水深；s為源、匯項；six、siy分別為源、匯項在x、y方向的分量；c為謝才阻力系數；Ωp為科氏力；E為紊動擴散系數。

若不考慮源、匯項及科氏力項，并除以水深h，則可得相應的基本方程組如下：

式中 u、v為x、y方向垂線平均流速。

模型求解采用非結構網格中心網格有限體積法求解，其優點為計算速度加快，非結構網格可以擬合復雜地形。對計算區域內灘地干濕過程，采用水位判別法處理，即當某點水深小于淺水深時，令該處流速為0，灘地干出；當某點水深大于淺水深時，參與計算，灘水上灘。

3 實際工程防洪評價

3.1 工程概況

杭州至富陽城際鐵路工程全線設置宋家塘車輛基地一座，車輛段位于宋家塘村與高壓走廊所夾陰凍山區域，320國道及北渠以北、規劃九龍二環路以南的地塊內，屬富陽區銀湖街道范圍。

宋家塘段通段道路特大橋為宋家塘車輛段車輛基地連接國道G320的物資運輸專用通道，橋梁跨越北渠，橋梁全長419m，位于樁號T1DK0+066.5～T1DK0+485.5，橋跨布置采用預應力混凝土連續箱梁4×35m+4×30m+4×35m，橋面寬度9m，0號橋臺采用重力式橋臺、12號橋臺采用肋板式橋臺，其余橋墩采用雙柱墩，墩徑1.5m。墩臺均采用鉆孔灌注樁基礎。

表1 設計標準

3.2 設計洪水

項目區附近有千家村和富陽兩個雨量站，其中千家村站位于車輛段西北部、新橋江上游右岸區域，距離項目區較近，有1961年以來的雨量觀測資料；根據千家村雨量站1961—2015年共55年最大10min，1，3，6，24h暴雨量統計成果進行頻率計算分析，并采用P-Ⅲ曲線適線擬合各短歷時設計暴雨。設計洪水采用浙江省推理公式法計算；北渠無實測流量資料，采用暴雨資料間接推求洪水［10］。項目區位置北渠上游的主要支流包括坑西溪、新義溪，下游主要有受降溪，所在段年設計洪水計算成果如表2。

表2 年最大設計洪水計算成果

北渠作為撇洪渠道承擔高水高排任務，北渠右堤保護對象為皇天畈流域富陽城區，根據GB50201—2014《防洪標準》、GB50805—2012《城市防洪工程設計規范》和《富陽市皇天畈水系綜合規劃》等有關規劃，富陽主城區防山洪標準為20年一遇，即北渠非回水段右堤的防洪標準為20年一遇。

綜合考慮與富陽區城市防洪排澇工程標準的匹配性，防洪影響的評價標準與河道設防標準一致，即對北渠右岸堤防的影響采用20年一遇，對北渠河道及河灣的影響采用梅雨期5年一遇。考慮到本文主要研究新建橋梁建筑物對河道防洪效果的影響，因此在防洪評價分析中采用河道的20年一遇防洪標準進行校核。

3.3 局部二維水力計算

為分析工程建設前后橋墩對河道流場的影響變化，采用丹麥DHI研發的MIKE 21 FlowModel軟件（HD模塊）進行二維水動力模型計算。本次二維計算主要針對橋梁上下游北渠河道，計算范圍為北渠受降閘上游至通道道路橋上游約800m的河道，網格布設考慮了水流、地形的差異，并作了加密，工程位置附近河段的概化地形見圖。

圖1 工程建設前后地形

根據二維計算，橋位處北渠現狀20年一遇水位為17.88m，工程建成后該段河道20年一遇水位為17.88～17.93m。當遭遇20年一遇洪水時，由于新建橋墩阻水，橋墩上游局部位置水位有壅高，最大壅高幅度為0.05m，由于出入段線橋與通段道路橋橋位之間距離很小，橋墩壅水影響相互疊加，最大壅高位置發生在上游通段道路橋的橋墩上游側。橋墩壅水影響向上游逐漸減小，橋墩上游1m范圍內水位最大壅高0.05m，至橋墩上游側10m處，壅水幅度減小至0.01m，橋墩壅水影響范圍至橋墩上游側約500m。

圖2 工程建設前后20年一遇洪水位等值線圖

受橋墩阻水影響，橋位處河道流場和流速都會有所變化，明顯變化就是橋墩處水流出現繞流，橋墩上游側流速減緩，橋墩之間流速增加［11］。根據二維計算，遭遇20年一遇洪水時，橋位處河道流速約0.55～1.03m/s，橋梁建成后，橋墩之間河道流速增加，約為0.63～1.10m/s，最大流速增幅約0.15m/s；遭遇梅雨期5年一遇洪水時，橋位處河道流速約0.33～1.02m/s，橋梁建成后，橋墩之間河道流速增加，約為0.38～1.24m/s，最大流速增幅約0.24m/s。

圖3 工程建設前后20年一遇流速等值線圖

根據橋位處河床地質條件，斷面流速，分析橋墩局部沖刷。據《浙江省涉河橋梁水利技術規定（試行）》，沖刷坑的橫向寬度一般為橋墩直徑的4~5倍，單側約2倍，根據墩臺設計，出入段線特大橋7#橋墩距離北渠右岸堤防堤腳只有0.7m，通段道路特大橋9#橋墩距離北渠右岸堤防堤腳只有1.2m，堤防在近岸橋墩沖刷坑范圍內。橋墩局部沖刷會影響到堤防，通段道路橋橋位處堤腳最大沖刷為0.62m。

4 綜合影響評價

4.1 河道行洪影響評價

通段道路橋的橋墩阻水面積為22.4m2，河道行洪會受到一定影響。經防洪水利計算，橋位處遭遇20年一遇洪水時，最大壅高為0.05m，工程建成后該段河道20年一遇水位為17.88～17.93m，橋梁造成壅水較小，壅高后水位在右岸堤頂高程以下，工程建設影響在河道兩岸防洪能力可承受范圍之內，對行洪安全影響很小。

4.2 對河勢穩定的影響分析

通段道路特大橋占用北渠河道，橋墩布置基本順水流方向，橋梁建設后由于橋墩的局部阻水，在橋墩附近將產生水位和流速及河床沖淤變化，但是影響僅限于局部，不會對河勢穩定產生影響，更不會改變此河段整體河勢。

通段道路橋橋位處右岸堤腳最大沖刷為0.62m，而現狀堤防堤腳的埋深為1.15m，橋位處沖刷不會影響堤防穩定。

4.3 對現有水利工程的影響分析

工程建設對現狀河道及其他水利工程的影響主要是對橋位處堤防的影響。根據橋梁設計方案，出入段線橋7#橋墩的承臺與擋墻沖突，橋梁施工會對堤防下部擋墻造成破壞，要求降低承臺高程，同時橋梁施工時應注意對防洪堤的保護，確保防洪堤堤身安全，及時修復破壞的堤防。

涉堤工程開工前要向當地水行政主管部門申報，經批準后方能開工，汛期來臨前要做好度汛措施，并報當地防汛指揮部門批準。由于通段道路特大橋梁底與現狀堤頂凈空只有0.72m，堤頂加高后的堤頂凈空只有0.41m，不利于后期堤防管理維護，建議優化橋梁方案，抬高梁底高程。

5 結論

本文利用MIKE模型對宋家塘段大橋進行防洪評價，給出了相關評價過程和評價結果。為類似工程提供了參考，主要結論如下：

（1）MIKE模型可以根據不同水文條件對橋梁結構進行防洪評價，可用于校核不同的設計方案對防洪影響。

（2）通過計算分析，杭州至富陽城際鐵路宋家塘段通段道路特大橋建成后，當遭遇20年一遇洪水時，工程上游水位壅水高度0.05m，橋墩布置順水流方向，橋梁建設后由于橋墩局部阻水，對附近局部水位和水流以及河床沖淤產生變化，但影響限于局部，整個工程建設對行洪及河勢穩定影響較小，不會影響流域的整體防洪規劃。

（3）根據《浙江省涉河橋梁水利技術規定》，“主槽處承臺頂高程宜在平均低潮（水）位以下，邊灘的承臺頂高程宜在灘面以下”，可通過降低橋墩的承臺頂高程，以減少試車線大橋占用水域面積。為保證右岸堤防滿足抗沖刷要求，可在通段道路橋墩上游至出入段線特大橋橋墩下游內設混凝土護腳，并設砼護坡。