基于二维不恒流数值分析的京九铁路选线设计

基于二维不恒流数值分析的京九铁路选线设计

1滞、分洪区、滞洪区随着中国生态环境的管理和保护的逐步规范和法律化，铁路选择线的设计从“技术选择线”转向“环境选择线”。它已发展成为考虑环境的环境选择线时代。在我国一些地区,水利规划部门根据流域的特点,为了防洪的需要,常利用地势较低的洼地滞蓄洪水,使上游来水得到有效控制,以减少受灾面积,因而形成了滞洪区、分洪区。滞、分洪区域内的河流大多经过了人工整治,改变了原河道的天然形态。以上这一切给铁路线路方案选择和结构设计提出了更新、更高的要求。因此,要认真研究铁路建设与周围生态环境、人文环境及流域防洪调度的适应性,注重考虑水利部门、地方政府的建议和意见,要以人为本,统筹兼顾,协调发展,达到铁路“环境选线”的高要求。2滞洪区洪水演进铁路通过滞、分洪区的选线设计是属于特殊水文、地质条件下的综合选线设计技术。我国铁路已有百年的建设历程,但未有通过大范围滞洪区内线路走向选择的有关理论和经验,也未见国外较详细系统的相关资料,现以京九铁路选线设计为例说明。京九铁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滞洪洼淀和洪泛区;同时,又与华北油田相干扰,线路环境十分复杂。如何确保北京、天津及河北广大地区防洪安全以及铁路工程自身安全,满足流域防洪调度运用,解决铁路沿线生态环境不因拟建工程产生破坏,最大限度地发挥铁路建设的经济效益、社会效益是一项错综复杂的系统工程。为了确保铁路通过滞洪区的线路方案和结构设计安全可靠、经济合理,确保铁路建设不影响滞分洪区的使用功能,研究中采用二维不恒定流数值分析理论模拟滞洪区洪水演进。经分析对比有无铁路的计算结果以及对滞洪区影响的大小,从而印证线路方案的可行性。2.1滞、分洪区线路方案设计的研究(1)滞、分洪区的基本环境、使用功能和周边水系的基本特征。(2)防洪、排洪对铁路建设的要求以及滞洪、分洪区对铁路工程的影响。(3)利用二维不恒定流数值模拟洪水演进,通过计算、分析对线路方案进行论证。(4)研究铁路建设对原有滞、分洪区的水文地质条件,使用功能的影响以及对华北油田的影响,最大限度地发挥铁路建设的社会效益。(5)研究通过滞、分洪区线路、路基、桥梁等结构设计的原则和设计标准。(6)研究通过滞、分洪区可能的线路方案,并进行经济技术综合比选,选择受洪水威胁最小,不影响滞、分洪区原使用功能,确保铁路安全的最佳方案。(7)铁路建设与周围生态环境、人文环境的适应性研究。(8)分析铁路线路在路网中的地位和布局的合理性,贯彻落实铁道部、水利部门、地方政府等部门对线路方案的意见和建议。2.2滞、分洪区线路设计(1)采用二维不恒定流数学分析理论进行滞、分洪区铁路选线设计,还原历史洪水位,演绎设计洪水位。(2)研究确定滞洪区动边界的设计参数。(3)研究线路方案与周边水系、国家防洪调度、周围生态环境、人文环境的适应性,建立“环境选线”的设计理念。(4)研究确定滞、分洪区线路走向方案和结构设计原则、设计标准。(5)确定滞、分洪区路基、桥涵设计采用洪水频率的技术原则。3铁路路肩设计要点(1)铁路建设要服从国家防洪调度要求,确保滞、分洪区的使用功能。(2)线路方案应与周边水系、生态环境、人文环境相适应。(3)线路走向方案要满足国家路网的规划布局。(4)线路方案应尽量避免对大型企业、厂矿、城市规划的影响。(5)铁路线路尽量绕避滞、分洪区。(6)铁路通过滞、分洪区时应选择其周边较窄的地方通过或选择其地势较高的地方通过。(7)铁路通过滞、分洪区时,行洪道犹如河道,应在其全宽范围内修建桥梁,在其他部分研究路基、桥梁等设施的合理匹配。(8)在滞洪、分洪区内根据水系的分布在最低的河道及纵向洼地修建排洪桥涵,桥涵的总泄水能力必须满足排洪需要。(9)滞洪区的铁路路肩设计高程必须大于或等于百年一遇的滞洪水位加波浪侵袭高再加安全高度。(10)方案研究应与水利部门、地方政府密切配合,实现多方参与、社会选线。4方案研究的基本情况滞、分洪区选线设计的研究范围:京广铁路北京—石家庄以东;京沪铁路天津—德州以西;京山铁路北京—天津以南;石德铁路石家庄—德州以北。东西宽约160km,南北长约220km,总面积约3.6万km2范围内进行方案研究。研究范围内铁路通过主要滞、分洪区的长度多达65km,需进行绕避和穿越滞、分洪区的铁路线路方案选择和结构设计。4.1线路绕避方案京九铁路途经文安洼滞洪区、滹沱河分洪区,在研究范围内线路如何绕避,方案有无可行性是首先要解决的问题。为此,研究了东绕、西绕两个绕行方案。(1)文安洼西部边缘、文安洼东部边缘、街边铁路线路从京山铁路黄村站引出,经霸州市的信安镇、文安洼东部边缘、滹沱河分洪区东部边缘,跨石德铁路,至大葛村,线路全长264.9km。工程造价27.55亿元。(2)博野县、街边北沿边地区线路从黄村站引出,经固安县、安新县、博野县、滹沱河分洪区西部边缘、深泽县、西进东出衡水站至大葛村,线路全长291.8km。工程造价29.64亿元。(3)其他线路方案与通过方案相比较,由于绕避滞、分洪区的线路方案存在线路长、占地多、工程费高以及路网布局极不合理等主要缺点,因此绕避滞、分洪区的东、西两方案均不予采用。4.2文安洼蓄洪区的线路方案选择京九铁路霸州至肃宁间90km范围内根据文安洼滞洪区的具体情况,做3个线路方案。(1)任丘东计划该方案北起霸州,经新镇、文安洼东部高封带、任丘东至肃宁,线路全长91.5km。工程造价8.418亿元。(2)任丘西方案线路从霸州引出,经双堂、文安洼西高封带、任丘西至肃宁,线路全长88.65km。工程造价8.171亿元。(3)赵王新渠和赵王新渠方案方案4本方案从霸州至赵王新渠特大桥南端线路与东方案相同,从特大桥南端起沿赵王新渠南岸行进,至西于村与西方案连接,线路全长92.67km。工程造价8.541亿元。(4)工程特点分析经综合分析比较,任丘东方案有以下突出优点:①该方案线路位于滞洪区的东高凸带上,并且从文安洼主区边缘通过,受洪水的威胁较小;②经过模拟洪水演进分析计算,证明该方案满足防洪、排洪的要求,不影响滞洪区原有的使用功能;③线位靠近河间市、文安县,便于带动地方经济发展;④对任丘油田的干扰少,与任丘市的发展规划相适应;⑤线路位于京广铁路与京沪铁路中间,在路网上布局合理;⑥较中方案线路短1.17km,节省工程费用1230万元。因此,京九铁路通过文安洼滞洪区推荐任丘东方案并顺利实施。4.3文安洼滞洪区铁路通过滞、分洪区的桥梁设置,除了按河道流量设置桥梁外,还要满足国家防洪调度的需要,设置满足排、泄洪水要求的桥孔。为此,研究了桥梁和路基的合理匹配,在满足防洪、排洪要求的前提下,力求降低工程造价,避免浪费。在滹沱河分洪区,自滹沱河北堤至仓石公路线路长34.97km,共设置桥梁10座计8008.99m,占线路长度的23%。在文安洼滞洪区前后,自溢流洼至任丘线路长45.12km,共设置桥梁25座,计7115.71m,桥梁占线路长度的16%。其中,新盖房分洪道至小白河南,其长度共计20.8km,仅为大清河北支和南支的排洪、蓄洪的专用桥梁就设置了7座计6317m,占线路总长的30.4%,形成“京九铁路溢流洼至小白河段的桥群”。桥梁比例如此之大,主要是为满足排、泄洪水的需要。5调查研究工作防洪安全是铁路建设中的重大问题,研究中认真执行国家防洪标准及有关政策,多次向海河流域水利部门征求意见。国家防办、海河水利委员会等水利部门的建议和意见都予以认真落实。对于铁路通过文安洼的线路走向方案及桥梁设置情况,在多次征求河北省水利水电勘测设计院意见的基础上做了大量的调查研究工作。为了确保方案的万无一失,采用二维不恒定流数值分析理论模拟文安洼洪水演进,对线路方案可行性论证,其结论为:京九铁路通过滞洪、分洪区方案满足国家防洪、排洪的要求,合理可行。6功能和生态环境京九铁路通过总宽达65km、且水文地质条件极为复杂的文安洼滞洪区、滹沱河分洪区的选线设计研究是成功的。研究成果实施后,既不影响滞、分洪区使用功能和沿线的生态环境,又最大限度地降低了工程造价,确保了铁路安全。