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        上游水庫(kù)對(duì)于鐵路橋梁橋址處流量影響的研究

        2020-10-12 08:14:42
        山西建筑 2020年20期
        關(guān)鍵詞:線(xiàn)位橋址潰壩

        郝 勇

        (中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán),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(shí)現(xiàn)鐵路線(xiàn)路與鐵路線(xiàn)路或道路的立體交叉而修建的構(gòu)筑物。水庫(kù),一般的解釋為“攔洪蓄水和調(diào)節(jié)水流的水利工程建筑物,可以用來(lái)灌溉、發(fā)電、防洪和養(yǎng)魚(yú)?!彼侵冈谏綔匣蚝恿鞯莫M口處建造攔河壩形成的人工湖泊。水庫(kù)建成后,可起防洪、蓄水灌溉、供水、發(fā)電、養(yǎng)魚(yú)等作用。如何在鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)階段合理確定上游水庫(kù)對(duì)于橋址處流量的影響,一直是橋梁設(shè)計(jì)者較為關(guān)注的問(wèn)題。

        2 收集資料

        當(dāng)?shù)刂鞴懿块T(mén)對(duì)于線(xiàn)路沿線(xiàn)基礎(chǔ)資料的掌握是最全面的。在外業(yè)勘測(cè)過(guò)程中,需要前往當(dāng)?shù)氐乃?、水文局、河道管理所、水?kù)管理所、水利樞紐管理處等各相關(guān)單位收集沿線(xiàn)水文資料。收集內(nèi)容通常包括地方水利志、水系圖、河流水庫(kù)參數(shù)、蓄滯洪區(qū)設(shè)置、地方水文計(jì)算辦法等。上述資料的收集對(duì)于合理確定橋梁位置和孔跨具有重要意義。

        針對(duì)線(xiàn)位附近的水庫(kù),在外業(yè)勘測(cè)基段則應(yīng)準(zhǔn)確了解涉及到的水庫(kù)名稱(chēng)、主管單位、水庫(kù)等級(jí)、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、校核標(biāo)準(zhǔn)、總庫(kù)容、死庫(kù)容、主壩類(lèi)型、壩頂高程、壩頂寬度及長(zhǎng)度、溢洪道情況、最大設(shè)計(jì)下泄流量、潰壩流量等工程數(shù)據(jù)。必要的時(shí)候還應(yīng)了解水庫(kù)的實(shí)際用途,以便在設(shè)計(jì)過(guò)程中提前考慮施工方案對(duì)于水庫(kù)環(huán)境的影響。

        3 處理思路

        在準(zhǔn)確收集當(dāng)?shù)刭Y料后,應(yīng)針對(duì)線(xiàn)位與既有水庫(kù)工程的位置關(guān)系,視具體情況對(duì)水庫(kù)問(wèn)題進(jìn)行處理。處理思路如圖1所示。

        3.1 線(xiàn)位穿越水庫(kù)或其附屬設(shè)施

        當(dāng)鐵路選線(xiàn)困難,線(xiàn)位不可避免地走行于既有水庫(kù)之中,鐵路應(yīng)以橋梁形式跨越水庫(kù),并盡量一跨跨越水庫(kù)堤壩結(jié)構(gòu)。如水庫(kù)水域面積較大,在充分爭(zhēng)取地方主管部門(mén)意見(jiàn)的前提下,宜以簡(jiǎn)支梁形式布設(shè)水庫(kù)內(nèi)孔跨,以盡量減小橋梁施工對(duì)于庫(kù)區(qū)的影響。

        3.2 線(xiàn)位不穿越水庫(kù)或其附屬設(shè)施

        當(dāng)線(xiàn)位不穿越水庫(kù)及其附屬結(jié)構(gòu),而是僅走行于水庫(kù)附近,則應(yīng)優(yōu)先判斷水庫(kù)泄流路徑是否與線(xiàn)位交叉。判斷依據(jù)通常為沿線(xiàn)地形地勢(shì)、水庫(kù)大壩開(kāi)口方向、溢洪道設(shè)置情況等,如線(xiàn)位與水庫(kù)泄流路徑不交叉,則可暫不考慮水庫(kù)對(duì)于本線(xiàn)的影響。

        當(dāng)線(xiàn)位與水庫(kù)的泄流路徑交叉,則鐵路橋梁在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)充分考慮水庫(kù)對(duì)于橋梁的影響。

        3.2.1水庫(kù)校核年限大于鐵路橋梁

        當(dāng)水庫(kù)校核年限大于鐵路橋梁,則代表水庫(kù)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)高于橋梁,即在橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用過(guò)程中,不需考慮水庫(kù)潰壩造成的流量增加。但是水庫(kù)在使用過(guò)程中,根據(jù)其功能性的不同,亦需要經(jīng)常性的開(kāi)閘泄流,這部分泄流量會(huì)對(duì)橋梁的正常使用造成影響。因此在這種情況下,應(yīng)考慮水庫(kù)設(shè)計(jì)最大下泄流量并基于泄流路徑的長(zhǎng)度進(jìn)行折減。

        折減公式如下:

        QLM=W/(W/QM+LC/VK)。

        其中,QLM為橋址處計(jì)算流量;QM為水庫(kù)設(shè)計(jì)最大下泄流量;LC為壩址與橋址間距;W為水庫(kù)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(shí)采用歷史最大值;如無(wú),山區(qū)用3.0 m/s~5.0 m/s,山前區(qū)用2.0 m/s~3.0 m/s,平原區(qū)用1.0 m/s~2.0 m/s;K為調(diào)整系數(shù),山區(qū)1.1~1.5,山前1.0,平原0.8~0.9。

        3.2.2水庫(kù)校核年限不大于鐵路橋梁

        當(dāng)水庫(kù)校核年限小于鐵路橋梁,則代表水庫(kù)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低于橋梁,即在橋梁結(jié)構(gòu)的正常使用過(guò)程中,應(yīng)考慮水庫(kù)潰壩造成的流量增加。當(dāng)水庫(kù)校核年限等于鐵路橋梁,考慮到水庫(kù)在使用過(guò)程中結(jié)構(gòu)不斷老化,或可能在使用過(guò)程中遭遇泥石流、地震或人類(lèi)活動(dòng)的破壞,實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)極有可能低于設(shè)計(jì)時(shí)的校核年限,因此也應(yīng)考慮水庫(kù)潰壩造成的流量增加。潰壩流量的計(jì)算公式如下:

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

        當(dāng)V≥106m3:

        b=K1K2(V1/4B1/7H1/2);

        當(dāng)V<106m3:

        b=K1K2(V1/4H1/4)。

        其中,QM為水庫(kù)潰壩流量;L為水庫(kù)庫(kù)區(qū)長(zhǎng),當(dāng)L/B>5,按L=5B取之;B為下游壩長(zhǎng);b為壩體決口平均寬度;K1為安全系數(shù),取1.1~1.3;K2為壩體建材系數(shù),一般取1.2,對(duì)均質(zhì)壤土壩取2;K3為材質(zhì)系數(shù);質(zhì)量由好到差可取6.6~9.1;V為水庫(kù)庫(kù)容;H為水庫(kù)壩高;H0為潰壩時(shí)壩體上游水深,可以壩高計(jì);h′為潰壩后壩體殘留高度,取0以策安全;K′為修正系數(shù),可按K′=1.4(bh′/BH0)1/3計(jì)算,bh′/BH0>0.3時(shí),K′取0.92。

        4 計(jì)算示例

        本文以某高速鐵路項(xiàng)目初測(cè)為例進(jìn)行計(jì)算示例。項(xiàng)目沿線(xiàn)水資源豐富,水庫(kù)密布。其中,甲、乙兩座水庫(kù)均為小二型水庫(kù),位于線(xiàn)位附近,且其下泄路徑均與線(xiàn)位交叉。甲水庫(kù)設(shè)計(jì)年限30年,校核年限200年;乙水庫(kù)設(shè)計(jì)年限20年,校核年限100年。故分別計(jì)算甲水庫(kù)的設(shè)計(jì)最大下泄流量及乙水庫(kù)的潰壩流量對(duì)于本項(xiàng)目的影響。

        4.1 橋址處甲水庫(kù)設(shè)計(jì)最大下泄流量計(jì)算

        根據(jù)外業(yè)勘測(cè)階段收集得到的資料,甲水庫(kù)行洪最大下泄水量為387.1萬(wàn)m3,設(shè)計(jì)最大下泄流量為738.22 m3/s。已知沿甲水庫(kù)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(diào)整系數(shù)K取0.8,則計(jì)算得到,當(dāng)甲水庫(kù)下泄設(shè)計(jì)最大下泄量的水體,根據(jù)上述公式,橋址與泄流路徑交叉處增加流量應(yīng)為402.45 m2/s。

        4.2 橋址處乙水庫(kù)潰壩流量計(jì)算

        根據(jù)外業(yè)勘測(cè)階段收集得到的資料,乙水庫(kù)總庫(kù)容12.08萬(wàn)m3,壩寬77 m,壩高22.45 m,計(jì)算得潰壩流量為1 727.11 m3/s。已知沿乙水庫(kù)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(diào)整系數(shù)K取1.3,則計(jì)算得到,當(dāng)乙水庫(kù)潰壩,根據(jù)上述公式,橋址與泄流路徑交叉處增加流量應(yīng)為25.45 m3/s。

        5 結(jié)語(yǔ)

        針對(duì)既有水庫(kù)工程與鐵路線(xiàn)位的位置關(guān)系,本文分別闡述了鐵路橋梁設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮上游水庫(kù)對(duì)于橋址處流量影響的幾種思路。應(yīng)用本文所述的設(shè)計(jì)思路,可以較準(zhǔn)確的考慮水庫(kù)在不同情況下泄流時(shí)對(duì)于橋址處流量的影響,對(duì)于橋梁選址和選型具有重要的參考意義。

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