[科普中国]-设计洪水频率

高速铁路设计洪水频率标准1 前言

一定频率的洪水是铁路的防洪标准, 也是设计和修筑铁路的标准。铁路跨河桥渡的桥高、桥长、基础埋深和导治工程布设, 要以设计洪水的频率标准为依据, 受水位控制的线路(包括山区河谷线路、桥头河滩路堤等) 和站场路基标高的确定, 要以设计洪水的频率标准为依据, 因此, 设计洪水频率标准是决定铁路建设投资的主要技术指标之一。其重要意义不亚于铁路等级与运量的关系。

设计洪水频率的基本概念,譬如说频率P = 1 /100的设计洪水的涵义是: ①洪水的大小是以年为时间单位选取的, 即每年只选取一个最大洪水进行频率推算; ②无限多年中, 平均看, 每百年出现一次的大洪水为百年一遇洪水, 其频率P = 1 /100, 或说其重现期为100年。但作为建筑物, 如桥渡的设计洪水频率的物理含意还有: ①频率为1 /100的洪水, 有可能出现在建桥的当年、次年或建桥后的任何一年, 而且也有可能在桥梁使用年限的100年内, 一次也未出现; ( 2) 一条按1 /100频率标准洪水设计的铁路, 从长期平均情况来看, 每百座桥渡平均每年有一座桥渡出现设计洪水。 对于受水位控制的线路和站场也应作如是理解。 只有全面地理解上述4点, 才能真正认识建筑物设计洪水频率标准的全貌。可以看出: ①自1982年开始, 高速公路和Ⅰ级公路特大桥都是按1 /300 频率的洪水进行设计。②Ⅱ级公路的特大桥, 在1982年曾提高到按1 /300洪水设计, 但自1992年开始又退回到按1 /100洪水设计。这反映了, 经济发展未达到一定程度, 不宜过分提高工程的设计标准。③公路路基的设计标准, 对高速公路和Ⅰ级公路来说, 低于特大桥的设计标准, 与一般大中桥的设计标准相同; Ⅱ级以下公路仅与小桥的设计标准相同。另外和铁路相比, 高速公路和Ⅰ级公路的特大桥设计洪水标准高于铁路Ⅰ级干线桥梁的设计标准, 和铁路技术复杂的大桥和特大桥的校核标准相同。可以看出: ①同样的Ⅰ 等工程,主要建筑物为1级,次要建筑物为3级,跳过一级, 主次分明。但Ⅱ等工程以后, 主、次之差逐渐缩小到无; 中心突出重要的影响大的大工程。②同样级别的工程, 抗洪能力弱的容易出事的土、石坝, 校核标准高, 这是从大量的中外历史教训中总结出的; 特别是对1级工程的土、石坝, 差不多是要求确保安全的。③同样级别的工程, 对水流迅猛, 破坏力激烈的山区、丘陵区的标准要求高; 对水势较缓, 略显从容的平原区、滨海区的设计标准可略低。但若考虑到平原区, 人口、工业和良田稠密等因素, 似不应降低设计标准, 幸好此地区的校核标准可高于山区、丘陵区, 也许是个补偿。总之通过上表可见, 同一枢纽上, 不同重要性、不同构造物、不同抗洪能力, 可能产生灾害的严重性和抢险救灾的难易, 在建筑物的防洪(设计) 标准中都有反映; 可以采用不同的标准。

2 国外道路的设计洪水频率标准俄罗斯(前苏联) 的桥渡设计洪水频率标准

前苏联早在1947年就曾发布过铁路桥涵技术规范(ТУПМ—47)。对确定桥涵孔径的设计流量有如下规定。用下列频率的设计流量检查建筑物孔径的可靠性:除地方线外, 各级线路的桥, 用1 /100; 地方线路的桥和各级线路的涵, 用1 /50。与设计流量相应的水位为设计水位。所用的设计水位不能低于历史最高观测水位,而设计流量亦不能小于最大观测水位相应的最小流量。路基边坡顶面标高按频率为1 /300流量相应的水位决定。

美国道路有关设计洪水频率标准近况

1987年和1989年, 美国接连两座大桥因洪水塌入河中, 导致18人死亡, 因此, 美国国家运输安全局( N TSB) 发布一系列建议, 联邦公路总局根据这些建议, 对新桥设计作如下规定: 跨越可冲刷水道的新桥, 必须按等于或小于频率为1 /100的洪水冲刷进行设计。所有桥梁基础必须按超大洪水( Superflood) , 即500年一遇的洪水, 进行冲刷校核。土力设计应假定总冲刷线以上所有河床泥沙在冲刷设计洪水时全部冲光,无承载力和侧向支承作用。对超大洪水进行的土力分析相应的安全系数为1. 0。

通过上面介绍的国外情况可以看出: ①人的生命安全是考虑设计洪水频率标准的重要方面。人口密度极大的英国, 经济又十分发达, 提出了千分之一频率的设计洪水标准。美国因为两桥水毁死亡18人, 引起全国高度重视, 提出新桥用1 /500频率的洪水进行冲刷校核。②经济愈发达设计洪水频率的标准愈高。英国和加拿大已开始有小于1 /100频率的洪水设计一些大的重要的桥梁。美国则用1 / 500超大洪水校核桥的冲刷深度, 以加强桥梁抗冲刷的安全程度。

总观上列资料, 一个较清淅的问题是, 我国现行铁路设计标准最低, 和国内公路比较, 高速公路和一级公路的特殊大桥已提高到P = 1 /300的洪水作为设计洪水, 铁路则只是特殊大桥的检算洪水。和苏联的相比, 我国规定只是修复困难特殊大桥才用检算洪水, 而苏联则是所有铁路桥、导治工程和河滩路堤都须用检算洪水进行检算。和英国、加拿大相比, 我国铁路桥的设计标准就低。和美国的相比, 则是检算洪水频率标准低。

3 现行标准的使用情况1995年在桥渡水害及防治措施研究专题中,曾分析了155座各种水害桥渡。分析结果认为, 设计流量偏小为桥渡水害十大原因的先天性原因(设计时就留下的祸根, 另一先天性原因为桥位选择不佳)。因设计流量偏小将导致其他水害, 如桥高、桥长不够, 基础埋深不足, 导治工程不完善等病害 。在155座水害桥渡中, 明显流量偏小的有28座。可以看出: ①表列的28座桥中实际洪水频率超过该桥设计标准的有14座,正好是50% 。但这14座桥中只有两座的设计标准是百年一遇洪水, 其他12座的设计标准为P = 1 /50 洪水。由此可以看出, 铁路桥渡, 即使是Ⅲ级线路, 用P = 1 /50作为设计标准也是偏低的。另外, 也有两座实际流量超过P = 1 /100的原设计标准。②所有因流量偏小而导致水害的28座桥渡, 都百分之百的存在设计时用短系列(绝对地说小于设计标准重现期年数的系列, 都可称之为短系列) 推算设计流量偏小的问题。不论标准的重现期是百年还是五十年, 这是十分值得重视和急待解决的问题。③在这28座受水害的桥渡中, 很多桥的水害原因, 不仅是流量偏小;还有桥渡布置不合理等其他因素。当然, 还有一些水害桥渡是由于洪水超过设计标准(如宝成线北段1981年水害中的某些区段和京广线北段1962年和1963年两次特大洪水的灾害) ,表16未统计进去。通过上述对现行标准使用情况的分析可以认为:

1.P = 1 /50洪水的标准, 不宜作为我国铁路桥渡的设计标准, 即使是Ⅲ级线路。这是因为: ①我国铁路不多, 各级路网尚不完善; ②国民经济正在迅速发展, 特别是中、东部地区; ③河流复杂、水文特征的实际变化大, 又缺乏资料。

2.货、客运量迅速成倍增大的Ⅰ、Ⅱ级线路, 适当提高设计洪水频率标准, 也是应该列入日程的问题了。

3.提高短系列资料推算设计流量准确性的研究工作, 应立即开展; 这是减少水害, 提高运输安全的重要措施。

4 确定设计洪水频率标准的原则通过上面一系列的资料介绍和分析可以看出, 确定道路安全运输的设计洪水频率标准应依据的原则有下面几条。

1.人的安全运输

我国决定路桥设计洪水频率标准的主要依据: 一是运量; 二是修复是否困难 。在分析和确定路、桥设计洪水频率标准时,这是一个很值得重视的问题。特别是确定输送旅客为主的高速铁路的设计洪水频率标准时, 更是如此。

2.运量

我国以及前苏联都是以这一条为主要依据的, 今后仍然应该这样考虑, 特别是货物运输或客货混运的线路。至少应与人的安全运输同等重视。

3.第一次投资和维修(包括更新) 费

这一条是对上述第1、2两条起制约作用的基本因素。但随着国民经济的发展(包括施工技术的提高以及地区经济的发展) , 将会逐渐减少对提高设计标准的制约作用。

4.水害损失

水害损失包括直接损失和间接损失。直接损失包括: 客、货车落水(如果有的话) 人、货、医药及赔偿费; 机车、车辆损失;断道停运损失; 抢修和恢复 (包括重建) 费用等等。间接损失包括: 货物损失和停运对厂、矿、农、服务等行业造成的损失。这种损失往往会导致二次(下一个生产环节) 甚至再次(再下一个生产环节) 的倒骨牌式的损失链。其统计和量化甚难, 非短时能够算清的。人员损失(如果有的话) 后果导致的间接损失, 就难估算了。

5.经济效益

经济效益也分直接经济效益和间接经济效益。直接经济效益主要是票房(运价) 收入。间接经济效益当是道路开通对沿线经济发展带来的作用; 这也是不易推算清楚的。以上5条原则中第1、2两条皆可用运量(人流量和货流量) 加以量化, 是决定线路等级的主要依据, 也是决定设计洪水标准的主要依据。在对投资规模进行经济分析比较时, 则需通过货币量化计算经济效益。经济效益最终将投资规模、损失和频率标准联系到一起, 从中取得经济效益最佳的投资方案, 并给出宜采用的洪水频率标准。

5 京沪高速铁路设计洪水频率标准刍议依据上述这些原则, 结合京沪高速铁路的特点, 可以考虑采用不同的方法来分析研究如何确定道路的设计洪水频率标准。这里提出对比法和经济效益法两个方法的粗略设想。

5 . 1 对比法的粗略设想

高速铁路的一个重要特点就是专营客运。因此人的安全运输占有绝对重要地位。人的安全运输可用客流的量和质来分析。关于人口的量, 静态地看, 京沪及其沿线是我国也是世界上人口密度最高的地区之一。动态地看, 人口密度受人类生殖繁衍和地区经济发展的支配。随时间的推进会有所增加。就京沪及其沿线现在的人口密度可能达到五、六十年代的3～4倍。但这种增加的势头将日趋平缓。关于人口的质,京沪及其沿线地区是我国人口素质最高的地区。铁路连接首都北京和大陆上的最大经济中心上海; 全国4个直辖市有3个在此线上; 全国4个科技中心有3个在此线地区, 著名高校甚多群集此沿线地区。1996年国内生产总值, 江苏省为6 004亿元, 山东省为5 960亿元, 紧逼广东的6 500亿元, 分别列全国第二、三两位, 河北省也达3 450亿元, 居前列, 这都表明这一地区人口的质居全国首位, 在世界上也当属前列。这是人口质的静态分析。

这一地区人口质的动态特点是: ①当前和50年代初期比较, 人口质的提高的速度远超过人口量的提高速度; ②今后人口的质仍将迅速提高, 且有愈来愈快之势。而人口量的提高应是日趋平缓。就京沪高速铁路的客流来说, 也有量和质的问题。仅作动态分析, 则可认为: ①客流在量的方面将会有所增加。增长的主要原动力为地区经济发展和人口流动增多,人口密度的作用将日益减少。②客流质的提高将愈来愈明显, 且很可能在某一阶段速率很快。这是很值得注意的问题。能不能将上述这些概念加以量化, 现试作如下分析。如以沿线地区人口中18岁到55岁为主要统计旅客。用A 代表这些旅客的人口密度; A 中只有K1乘坐火车(按年计)。则每年乘坐火车的总人数为K1A。K = f (地区经济发达程度) , 可用0. 1～0. 9表示。地区经济(包括工、农、流通、金融、服务和旅游等等) 愈发达K1值愈大。用B代表这些旅客的平均学历,再用C代表该地区经济发达指数,可用C= 国内生产总值/地区面积,这样就可给出该线地区旅客运输的总运量D 值。

5 . 2 京沪高速铁路设计洪水频率标准刍议

在尚无实际资料进行实际运算分析的情况下, 只能依据上述这些原则和思路, 结合国内外道路现行设计洪水标准的趋势, 总结几点看法, 并根据这些看法, 提出建议性的京沪高速铁路的设计洪水标准的刍议。

1.建国至今, 特别是在步入高速发展的21世纪, 京沪高速铁路应适当提高设计标准。

2.鉴于当前国内的经济实力和资金情况, 设计标准尚不宜提得过高。

3.根据不同种类工程的造价, 水害损失大小, 抢修复旧的难易程度宜采用不同标准。

4.根据水文、地质条件是否良好, 亦可采用不同标准。

以往在讨论设计洪水频率标准时, 曾提出等强度原则。即, 一条线同一类工程用统一的标准。显然这样的统一标准是工程主观标准。工程所在地的客观环境—— 主要是水文、地质条件是不相同的, 同一标准的工程遭受不同程度和不同强度的水害, 是个不等强度的结果。因此在建议中因客观条件的不等强度给出了不同的设计频率标准。另外不同类型的工程,灾害恢复困难的标准高一些, 反之低一些, 也是合适的。再有单个涵洞涉及的客观环境范围较小, 容易适应环境的变化, 故标准不计环境的影响; 在实际工作中可采用不同的结构形式或同一形式的不同结构强度来适应环境条件的变化。1