基于二維不恒流數(shù)值分析的京九鐵路選線設(shè)計(jì)

基于二維不恒流數(shù)值分析的京九鐵路選線設(shè)計(jì)

1滯、分洪區(qū)、滯洪區(qū)隨著中國(guó)生態(tài)環(huán)境的管理和保護(hù)的逐步規(guī)范和法律化，鐵路選擇線的設(shè)計(jì)從“技術(shù)選擇線”轉(zhuǎn)向“環(huán)境選擇線”。它已發(fā)展成為考慮環(huán)境的環(huán)境選擇線時(shí)代。在我國(guó)一些地區(qū),水利規(guī)劃部門根據(jù)流域的特點(diǎn),為了防洪的需要,常利用地勢(shì)較低的洼地滯蓄洪水,使上游來水得到有效控制,以減少受災(zāi)面積,因而形成了滯洪區(qū)、分洪區(qū)。滯、分洪區(qū)域內(nèi)的河流大多經(jīng)過了人工整治,改變了原河道的天然形態(tài)。以上這一切給鐵路線路方案選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更新、更高的要求。因此,要認(rèn)真研究鐵路建設(shè)與周圍生態(tài)環(huán)境、人文環(huán)境及流域防洪調(diào)度的適應(yīng)性,注重考慮水利部門、地方政府的建議和意見,要以人為本,統(tǒng)籌兼顧,協(xié)調(diào)發(fā)展,達(dá)到鐵路“環(huán)境選線”的高要求。2滯洪區(qū)洪水演進(jìn)鐵路通過滯、分洪區(qū)的選線設(shè)計(jì)是屬于特殊水文、地質(zhì)條件下的綜合選線設(shè)計(jì)技術(shù)。我國(guó)鐵路已有百年的建設(shè)歷程,但未有通過大范圍滯洪區(qū)內(nèi)線路走向選擇的有關(guān)理論和經(jīng)驗(yàn),也未見國(guó)外較詳細(xì)系統(tǒng)的相關(guān)資料,現(xiàn)以京九鐵路選線設(shè)計(jì)為例說明。京九鐵路跨越海河流域的永定河水系、大清河水系、子牙河水系等一系列滯洪洼淀和洪泛區(qū);同時(shí),又與華北油田相干擾,線路環(huán)境十分復(fù)雜。如何確保北京、天津及河北廣大地區(qū)防洪安全以及鐵路工程自身安全,滿足流域防洪調(diào)度運(yùn)用,解決鐵路沿線生態(tài)環(huán)境不因擬建工程產(chǎn)生破壞,最大限度地發(fā)揮鐵路建設(shè)的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益是一項(xiàng)錯(cuò)綜復(fù)雜的系統(tǒng)工程。為了確保鐵路通過滯洪區(qū)的線路方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理,確保鐵路建設(shè)不影響滯分洪區(qū)的使用功能,研究中采用二維不恒定流數(shù)值分析理論模擬滯洪區(qū)洪水演進(jìn)。經(jīng)分析對(duì)比有無(wú)鐵路的計(jì)算結(jié)果以及對(duì)滯洪區(qū)影響的大小,從而印證線路方案的可行性。2.1滯、分洪區(qū)線路方案設(shè)計(jì)的研究(1)滯、分洪區(qū)的基本環(huán)境、使用功能和周邊水系的基本特征。(2)防洪、排洪對(duì)鐵路建設(shè)的要求以及滯洪、分洪區(qū)對(duì)鐵路工程的影響。(3)利用二維不恒定流數(shù)值模擬洪水演進(jìn),通過計(jì)算、分析對(duì)線路方案進(jìn)行論證。(4)研究鐵路建設(shè)對(duì)原有滯、分洪區(qū)的水文地質(zhì)條件,使用功能的影響以及對(duì)華北油田的影響,最大限度地發(fā)揮鐵路建設(shè)的社會(huì)效益。(5)研究通過滯、分洪區(qū)線路、路基、橋梁等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。(6)研究通過滯、分洪區(qū)可能的線路方案,并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)綜合比選,選擇受洪水威脅最小,不影響滯、分洪區(qū)原使用功能,確保鐵路安全的最佳方案。(7)鐵路建設(shè)與周圍生態(tài)環(huán)境、人文環(huán)境的適應(yīng)性研究。(8)分析鐵路線路在路網(wǎng)中的地位和布局的合理性,貫徹落實(shí)鐵道部、水利部門、地方政府等部門對(duì)線路方案的意見和建議。2.2滯、分洪區(qū)線路設(shè)計(jì)(1)采用二維不恒定流數(shù)學(xué)分析理論進(jìn)行滯、分洪區(qū)鐵路選線設(shè)計(jì),還原歷史洪水位,演繹設(shè)計(jì)洪水位。(2)研究確定滯洪區(qū)動(dòng)邊界的設(shè)計(jì)參數(shù)。(3)研究線路方案與周邊水系、國(guó)家防洪調(diào)度、周圍生態(tài)環(huán)境、人文環(huán)境的適應(yīng)性,建立“環(huán)境選線”的設(shè)計(jì)理念。(4)研究確定滯、分洪區(qū)線路走向方案和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。(5)確定滯、分洪區(qū)路基、橋涵設(shè)計(jì)采用洪水頻率的技術(shù)原則。3鐵路路肩設(shè)計(jì)要點(diǎn)(1)鐵路建設(shè)要服從國(guó)家防洪調(diào)度要求,確保滯、分洪區(qū)的使用功能。(2)線路方案應(yīng)與周邊水系、生態(tài)環(huán)境、人文環(huán)境相適應(yīng)。(3)線路走向方案要滿足國(guó)家路網(wǎng)的規(guī)劃布局。(4)線路方案應(yīng)盡量避免對(duì)大型企業(yè)、廠礦、城市規(guī)劃的影響。(5)鐵路線路盡量繞避滯、分洪區(qū)。(6)鐵路通過滯、分洪區(qū)時(shí)應(yīng)選擇其周邊較窄的地方通過或選擇其地勢(shì)較高的地方通過。(7)鐵路通過滯、分洪區(qū)時(shí),行洪道猶如河道,應(yīng)在其全寬范圍內(nèi)修建橋梁,在其他部分研究路基、橋梁等設(shè)施的合理匹配。(8)在滯洪、分洪區(qū)內(nèi)根據(jù)水系的分布在最低的河道及縱向洼地修建排洪橋涵,橋涵的總泄水能力必須滿足排洪需要。(9)滯洪區(qū)的鐵路路肩設(shè)計(jì)高程必須大于或等于百年一遇的滯洪水位加波浪侵襲高再加安全高度。(10)方案研究應(yīng)與水利部門、地方政府密切配合,實(shí)現(xiàn)多方參與、社會(huì)選線。4方案研究的基本情況滯、分洪區(qū)選線設(shè)計(jì)的研究范圍:京廣鐵路北京—石家莊以東;京滬鐵路天津—德州以西;京山鐵路北京—天津以南;石德鐵路石家莊—德州以北。東西寬約160km,南北長(zhǎng)約220km,總面積約3.6萬(wàn)km2范圍內(nèi)進(jìn)行方案研究。研究范圍內(nèi)鐵路通過主要滯、分洪區(qū)的長(zhǎng)度多達(dá)65km,需進(jìn)行繞避和穿越滯、分洪區(qū)的鐵路線路方案選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。4.1線路繞避方案京九鐵路途經(jīng)文安洼滯洪區(qū)、滹沱河分洪區(qū),在研究范圍內(nèi)線路如何繞避,方案有無(wú)可行性是首先要解決的問題。為此,研究了東繞、西繞兩個(gè)繞行方案。(1)文安洼西部邊緣、文安洼東部邊緣、街邊鐵路線路從京山鐵路黃村站引出,經(jīng)霸州市的信安鎮(zhèn)、文安洼東部邊緣、滹沱河分洪區(qū)東部邊緣,跨石德鐵路,至大葛村,線路全長(zhǎng)264.9km。工程造價(jià)27.55億元。(2)博野縣、街邊北沿邊地區(qū)線路從黃村站引出,經(jīng)固安縣、安新縣、博野縣、滹沱河分洪區(qū)西部邊緣、深澤縣、西進(jìn)東出衡水站至大葛村,線路全長(zhǎng)291.8km。工程造價(jià)29.64億元。(3)其他線路方案與通過方案相比較,由于繞避滯、分洪區(qū)的線路方案存在線路長(zhǎng)、占地多、工程費(fèi)高以及路網(wǎng)布局極不合理等主要缺點(diǎn),因此繞避滯、分洪區(qū)的東、西兩方案均不予采用。4.2文安洼蓄洪區(qū)的線路方案選擇京九鐵路霸州至肅寧間90km范圍內(nèi)根據(jù)文安洼滯洪區(qū)的具體情況,做3個(gè)線路方案。(1)任丘東計(jì)劃該方案北起霸州,經(jīng)新鎮(zhèn)、文安洼東部高封帶、任丘東至肅寧,線路全長(zhǎng)91.5km。工程造價(jià)8.418億元。(2)任丘西方案線路從霸州引出,經(jīng)雙堂、文安洼西高封帶、任丘西至肅寧,線路全長(zhǎng)88.65km。工程造價(jià)8.171億元。(3)趙王新渠和趙王新渠方案方案4本方案從霸州至趙王新渠特大橋南端線路與東方案相同,從特大橋南端起沿趙王新渠南岸行進(jìn),至西于村與西方案連接,線路全長(zhǎng)92.67km。工程造價(jià)8.541億元。(4)工程特點(diǎn)分析經(jīng)綜合分析比較,任丘東方案有以下突出優(yōu)點(diǎn):①該方案線路位于滯洪區(qū)的東高凸帶上,并且從文安洼主區(qū)邊緣通過,受洪水的威脅較小;②經(jīng)過模擬洪水演進(jìn)分析計(jì)算,證明該方案滿足防洪、排洪的要求,不影響滯洪區(qū)原有的使用功能;③線位靠近河間市、文安縣,便于帶動(dòng)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展;④對(duì)任丘油田的干擾少,與任丘市的發(fā)展規(guī)劃相適應(yīng);⑤線路位于京廣鐵路與京滬鐵路中間,在路網(wǎng)上布局合理;⑥較中方案線路短1.17km,節(jié)省工程費(fèi)用1230萬(wàn)元。因此,京九鐵路通過文安洼滯洪區(qū)推薦任丘東方案并順利實(shí)施。4.3文安洼滯洪區(qū)鐵路通過滯、分洪區(qū)的橋梁設(shè)置,除了按河道流量設(shè)置橋梁外,還要滿足國(guó)家防洪調(diào)度的需要,設(shè)置滿足排、泄洪水要求的橋孔。為此,研究了橋梁和路基的合理匹配,在滿足防洪、排洪要求的前提下,力求降低工程造價(jià),避免浪費(fèi)。在滹沱河分洪區(qū),自滹沱河北堤至倉(cāng)石公路線路長(zhǎng)34.97km,共設(shè)置橋梁10座計(jì)8008.99m,占線路長(zhǎng)度的23%。在文安洼滯洪區(qū)前后,自溢流洼至任丘線路長(zhǎng)45.12km,共設(shè)置橋梁25座,計(jì)7115.71m,橋梁占線路長(zhǎng)度的16%。其中,新蓋房分洪道至小白河南,其長(zhǎng)度共計(jì)20.8km,僅為大清河北支和南支的排洪、蓄洪的專用橋梁就設(shè)置了7座計(jì)6317m,占線路總長(zhǎng)的30.4%,形成“京九鐵路溢流洼至小白河段的橋群”。橋梁比例如此之大,主要是為滿足排、泄洪水的需要。5調(diào)查研究工作防洪安全是鐵路建設(shè)中的重大問題,研究中認(rèn)真執(zhí)行國(guó)家防洪標(biāo)準(zhǔn)及有關(guān)政策,多次向海河流域水利部門征求意見。國(guó)家防辦、海河水利委員會(huì)等水利部門的建議和意見都予以認(rèn)真落實(shí)。對(duì)于鐵路通過文安洼的線路走向方案及橋梁設(shè)置情況,在多次征求河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院意見的基礎(chǔ)上做了大量的調(diào)查研究工作。為了確保方案的萬(wàn)無(wú)一失,采用二維不恒定流數(shù)值分析理論模擬文安洼洪水演進(jìn),對(duì)線路方案可行性論證,其結(jié)論為:京九鐵路通過滯洪、分洪區(qū)方案滿足國(guó)家防洪、排洪的要求,合理可行。6功能和生態(tài)環(huán)境京九鐵路通過總寬達(dá)65km、且水文地質(zhì)條件極為復(fù)雜的文安洼滯洪區(qū)、滹沱河分洪區(qū)的選線設(shè)計(jì)研究是成功的。研究成果實(shí)施后,既不影響滯、分洪區(qū)使用功能和沿線的生態(tài)環(huán)境,又最大限度地降低了工程造價(jià),確保了鐵路安全。