設計洪水頻率

一定頻率的洪水是鐵路的防洪標準, 也是設計和修築鐵路的標準。鐵路跨河橋渡的橋高、橋長、基礎埋深和導治工程佈設, 要以設計洪水的頻率標準為依據, 受水位控制的線路(包括山區河谷線路、橋頭河灘路堤等) 和站場路基標高的確定, 要以設計洪水的頻率標準為依據, 因此, 設計洪水頻率標準是決定鐵路建設投資的主要技術指標之一。其重要意義不亞於鐵路等級與運量的關係。

設計洪水頻率的基本概念,譬如説頻率P = 1 /100的設計洪水的涵義是: ①洪水的大小是以年為時間單位選取的, 即每年只選取一個最大洪水進行頻率推算; ②無限多年中, 平均看, 每百年出現一次的大洪水為百年一遇洪水, 其頻率P = 1 /100, 或説其重現期為100年。但作為建築物, 如橋渡的設計洪水頻率的物理含意還有: ①頻率為1 /100的洪水, 有可能出現在建橋的當年、次年或建橋後的任何一年, 而且也有可能在橋樑使用年限的100年內, 一次也未出現; ( 2) 一條按1 /100頻率標準洪水設計的鐵路, 從長期平均情況來看, 每百座橋渡平均每年有一座橋渡出現設計洪水。 對於受水位控制的線路和站場也應作如是理解。 只有全面地理解上述4點, 才能真正認識建築物設計洪水頻率標準的全貌。可以看出: ①自1982年開始, 高速公路和Ⅰ級公路特大橋都是按1 /300 頻率的洪水進行設計。②Ⅱ級公路的特大橋, 在1982年曾提高到按1 /300洪水設計, 但自1992年開始又退回到按1 /100洪水設計。這反映了, 經濟發展未達到一定程度, 不宜過分提高工程的設計標準。③公路路基的設計標準, 對高速公路和Ⅰ級公路來説, 低於特大橋的設計標準, 與一般大中橋的設計標準相同; Ⅱ級以下公路僅與小橋的設計標準相同。另外和鐵路相比, 高速公路和Ⅰ級公路的特大橋設計洪水標準高於鐵路Ⅰ級幹線橋樑的設計標準, 和鐵路技術複雜的大橋和特大橋的校核標準相同。可以看出: ①同樣的Ⅰ 等工程,主要建築物為1級,次要建築物為3級,跳過一級, 主次分明。但Ⅱ等工程以後, 主、次之差逐漸縮小到無; 中心突出重要的影響大的大工程。②同樣級別的工程, 抗洪能力弱的容易出事的土、石壩, 校核標準高, 這是從大量的中外歷史教訓中總結出的; 特別是對1級工程的土、石壩, 差不多是要求確保安全的。③同樣級別的工程, 對水流迅猛, 破壞力激烈的山區、丘陵區的標準要求高; 對水勢較緩, 略顯從容的平原區、濱海區的設計標準可略低。但若考慮到平原區, 人口、工業和良田稠密等因素, 似不應降低設計標準, 幸好此地區的校核標準可高於山區、丘陵區, 也許是個補償。總之通過上表可見, 同一樞紐上, 不同重要性、不同構造物、不同抗洪能力, 可能產生災害的嚴重性和搶險救災的難易, 在建築物的防洪(設計) 標準中都有反映; 可以採用不同的標準。

俄羅斯(前蘇聯) 的橋渡設計洪水頻率標準

前蘇聯早在1947年就曾發佈過鐵路橋涵技術規範(ТУПМ—47)。對確定橋涵孔徑的設計流量有如下規定。用下列頻率的設計流量檢查建築物孔徑的可靠性:除地方線外, 各級線路的橋, 用1 /100; 地方線路的橋和各級線路的涵, 用1 /50。與設計流量相應的水位為設計水位。所用的設計水位不能低於歷史最高觀測水位,而設計流量亦不能小於最大觀測水位相應的最小流量。路基邊坡頂面標高按頻率為1 /300流量相應的水位決定。

美國道路有關設計洪水頻率標準近況

1987年和1989年, 美國接連兩座大橋因洪水塌入河中, 導致18人死亡, 因此, 美國國家運輸安全局( N TSB) 發佈一系列建議, 聯邦公路總局根據這些建議, 對新橋設計作如下規定: 跨越可沖刷水道的新橋, 必須按等於或小於頻率為1 /100的洪水沖刷進行設計。所有橋樑基礎必須按超大洪水( Superflood) , 即500年一遇的洪水, 進行沖刷校核。土力設計應假定總沖刷線以上所有河牀泥沙在沖刷設計洪水時全部衝光,無承載力和側向支承作用。對超大洪水進行的土力分析相應的安全係數為1. 0。

通過上面介紹的國外情況可以看出: ①人的生命安全是考慮設計洪水頻率標準的重要方面。人口密度極大的英國, 經濟又十分發達, 提出了千分之一頻率的設計洪水標準。美國因為兩橋水毀死亡18人, 引起全國高度重視, 提出新橋用1 /500頻率的洪水進行沖刷校核。②經濟愈發達設計洪水頻率的標準愈高。英國和加拿大已開始有小於1 /100頻率的洪水設計一些大的重要的橋樑。美國則用1 / 500超大洪水校核橋的沖刷深度, 以加強橋樑抗沖刷的安全程度。

總觀上列資料, 一個較清淅的問題是, 我國現行鐵路設計標準最低, 和國內公路比較, 高速公路和一級公路的特殊大橋已提高到P = 1 /300的洪水作為設計洪水, 鐵路則只是特殊大橋的檢算洪水。和蘇聯的相比, 我國規定只是修復困難特殊大橋才用檢算洪水, 而蘇聯則是所有鐵路橋、導治工程和河灘路堤都須用檢算洪水進行檢算。和英國、加拿大相比, 我國鐵路橋的設計標準就低。和美國的相比, 則是檢算洪水頻率標準低。

1995年在橋渡水害及防治措施研究專題中,曾分析了155座各種水害橋渡。分析結果認為, 設計流量偏小為橋渡水害十大原因的先天性原因(設計時就留下的禍根, 另一先天性原因為橋位選擇不佳)。因設計流量偏小將導致其他水害, 如橋高、橋長不夠, 基礎埋深不足, 導治工程不完善等病害 。在155座水害橋渡中, 明顯流量偏小的有28座。可以看出: ①表列的28座橋中實際洪水頻率超過該橋設計標準的有14座,正好是50% 。但這14座橋中只有兩座的設計標準是百年一遇洪水, 其他12座的設計標準為P = 1 /50 洪水。由此可以看出, 鐵路橋渡, 即使是Ⅲ級線路, 用P = 1 /50作為設計標準也是偏低的。另外, 也有兩座實際流量超過P = 1 /100的原設計標準。②所有因流量偏小而導致水害的28座橋渡, 都百分之百的存在設計時用短系列(絕對地説小於設計標準重現期年數的系列, 都可稱之為短系列) 推算設計流量偏小的問題。不論標準的重現期是百年還是五十年, 這是十分值得重視和急待解決的問題。③在這28座受水害的橋渡中, 很多橋的水害原因, 不僅是流量偏小;還有橋渡佈置不合理等其他因素。當然, 還有一些水害橋渡是由於洪水超過設計標準(如寶成線北段1981年水害中的某些區段和京廣線北段1962年和1963年兩次特大洪水的災害) ,表16未統計進去。通過上述對現行標準使用情況的分析可以認為:

1.P = 1 /50洪水的標準, 不宜作為我國鐵路橋渡的設計標準, 即使是Ⅲ級線路。這是因為: ①我國鐵路不多, 各級路網尚不完善; ②國民經濟正在迅速發展, 特別是中、東部地區; ③河流複雜、水文特徵的實際變化大, 又缺乏資料。

2.貨、客運量迅速成倍增大的Ⅰ、Ⅱ級線路, 適當提高設計洪水頻率標準, 也是應該列入日程的問題了。

3.提高短系列資料推算設計流量準確性的研究工作, 應立即開展; 這是減少水害, 提高運輸安全的重要措施。

通過上面一系列的資料介紹和分析可以看出, 確定道路安全運輸的設計洪水頻率標準應依據的原則有下面幾條。

1.人的安全運輸

我國決定路橋設計洪水頻率標準的主要依據: 一是運量; 二是修復是否困難 。在分析和確定路、橋設計洪水頻率標準時,這是一個很值得重視的問題。特別是確定輸送旅客為主的高速鐵路的設計洪水頻率標準時, 更是如此。

2.運量

我國以及前蘇聯都是以這一條為主要依據的, 今後仍然應該這樣考慮, 特別是貨物運輸或客貨混運的線路。至少應與人的安全運輸同等重視。

3.第一次投資和維修(包括更新) 費

這一條是對上述第1、2兩條起制約作用的基本因素。但隨着國民經濟的發展(包括施工技術的提高以及地區經濟的發展) , 將會逐漸減少對提高設計標準的制約作用。

4.水害損失

水害損失包括直接損失和間接損失。直接損失包括: 客、貨車落水(如果有的話) 人、貨、醫藥及賠償費; 機車、車輛損失;斷道停運損失; 搶修和恢復 (包括重建) 費用等等。間接損失包括: 貨物損失和停運對廠、礦、農、服務等行業造成的損失。這種損失往往會導致二次(下一個生產環節) 甚至再次(再下一個生產環節) 的倒骨牌式的損失鏈。其統計和量化甚難, 非短時能夠算清的。人員損失(如果有的話) 後果導致的間接損失, 就難估算了。

5.經濟效益

經濟效益也分直接經濟效益和間接經濟效益。直接經濟效益主要是票房(運價) 收入。間接經濟效益當是道路開通對沿線經濟發展帶來的作用; 這也是不易推算清楚的。以上5條原則中第1、2兩條皆可用運量(人流量和貨流量) 加以量化, 是決定線路等級的主要依據, 也是決定設計洪水標準的主要依據。在對投資規模進行經濟分析比較時, 則需通過貨幣量化計算經濟效益。經濟效益最終將投資規模、損失和頻率標準聯繫到一起, 從中取得經濟效益最佳的投資方案, 並給出宜採用的洪水頻率標準。

依據上述這些原則, 結合京滬高速鐵路的特點, 可以考慮採用不同的方法來分析研究如何確定道路的設計洪水頻率標準。這裏提出對比法和經濟效益法兩個方法的粗略設想。

5 . 1 對比法的粗略設想

高速鐵路的一個重要特點就是專營客運。因此人的安全運輸佔有絕對重要地位。人的安全運輸可用客流的量和質來分析。關於人口的量, 靜態地看, 京滬及其沿線是我國也是世界上人口密度最高的地區之一。動態地看, 人口密度受人類生殖繁衍和地區經濟發展的支配。隨時間的推進會有所增加。就京滬及其沿線現在的人口密度可能達到五、六十年代的3～4倍。但這種增加的勢頭將日趨平緩。關於人口的質,京滬及其沿線地區是我國人口素質最高的地區。鐵路連接首都北京和大陸上的最大經濟中心上海; 全國4個直轄市有3個在此線上; 全國4個科技中心有3個在此線地區, 著名高校甚多羣集此沿線地區。1996年國內生產總值, 江蘇省為6 004億元, 山東省為5 960億元, 緊逼廣東的6 500億元, 分別列全國第二、三兩位, 河北省也達3 450億元, 居前列, 這都表明這一地區人口的質居全國首位, 在世界上也當屬前列。這是人口質的靜態分析。

這一地區人口質的動態特點是: ①當前和50年代初期比較, 人口質的提高的速度遠超過人口量的提高速度; ②今後人口的質仍將迅速提高, 且有愈來愈快之勢。而人口量的提高應是日趨平緩。就京滬高速鐵路的客流來説, 也有量和質的問題。僅作動態分析, 則可認為: ①客流在量的方面將會有所增加。增長的主要原動力為地區經濟發展和人口流動增多,人口密度的作用將日益減少。②客流質的提高將愈來愈明顯, 且很可能在某一階段速率很快。這是很值得注意的問題。能不能將上述這些概念加以量化, 現試作如下分析。如以沿線地區人口中18歲到55歲為主要統計旅客。用A 代表這些旅客的人口密度; A 中只有K1乘坐火車(按年計)。則每年乘坐火車的總人數為K1A。K = f (地區經濟發達程度) , 可用0. 1～0. 9表示。地區經濟(包括工、農、流通、金融、服務和旅遊等等) 愈發達K1值愈大。用B代表這些旅客的平均學歷,再用C代表該地區經濟發達指數,可用C= 國內生產總值/地區面積,這樣就可給出該線地區旅客運輸的總運量D 值。

5 . 2 京滬高速鐵路設計洪水頻率標準芻議

在尚無實際資料進行實際運算分析的情況下, 只能依據上述這些原則和思路, 結合國內外道路現行設計洪水標準的趨勢, 總結幾點看法, 並根據這些看法, 提出建議性的京滬高速鐵路的設計洪水標準的芻議。

1.建國至今, 特別是在步入高速發展的21世紀, 京滬高速鐵路應適當提高設計標準。

2.鑑於當前國內的經濟實力和資金情況, 設計標準尚不宜提得過高。

3.根據不同種類工程的造價, 水害損失大小, 搶修復舊的難易程度宜採用不同標準。

4.根據水文、地質條件是否良好, 亦可採用不同標準。

以往在討論設計洪水頻率標準時, 曾提出等強度原則。即, 一條線同一類工程用統一的標準。顯然這樣的統一標準是工程主觀標準。工程所在地的客觀環境—— 主要是水文、地質條件是不相同的, 同一標準的工程遭受不同程度和不同強度的水害, 是個不等強度的結果。因此在建議中因客觀條件的不等強度給出了不同的設計頻率標準。另外不同類型的工程,災害恢復困難的標準高一些, 反之低一些, 也是合適的。再有單個涵洞涉及的客觀環境範圍較小, 容易適應環境的變化, 故標準不計環境的影響; 在實際工作中可採用不同的結構形式或同一形式的不同結構強度來適應環境條件的變化。 ^[1]