太中銀鐵路汾河柳灣橋防洪評價分析

趙春林

（山西省汾河灌溉管理局，山西 晉中市 031100）

1 概況

太中銀鐵路工程東起太原市，西至寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市和銀川市，橫貫山西中部，在太原清徐段與汾河交叉處建柳灣汾河特大橋。該區(qū)多年平均降雨量400.2 mm，多年平均氣溫10.6℃，最大凍土深度81 cm。柳灣汾河大橋位于清徐縣柳灣村北，橋址區(qū)地層為第四系全新統(tǒng)沖積層、人工堆積層；地下水為第四系孔隙潛水，地下水埋深2.9 m。河道縱坡1.3‰，防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，泄洪流量2 000 m3/s。大橋斜越汾河干流于南社村北交匯，橋長1 386.82 m，橋高12 m，有43墩42跨。橋類型為預(yù)應(yīng)力混凝土梁，圓端形橋墩，雙線T臺，基礎(chǔ)均采用樁基礎(chǔ)。

2 防洪評價計算

2.1 確定防洪標(biāo)準(zhǔn)

柳灣汾河特大橋工程屬大橋、特大橋工程，根據(jù)《中華人民共和國防洪標(biāo)準(zhǔn)》要求，防洪標(biāo)準(zhǔn)采用100年一遇設(shè)計；該工程所在農(nóng)村管理河段依據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，確定堤防標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇。

2.2 水文分析計算

汾河特大橋位于汾河二壩站下游4 km，上游建有汾河水庫和汾河二庫，由于上游水庫對汾河二壩站資料影響較大，所以將二壩站資料還原為自然洪水。

2.2.1 暴雨洪水特性

汾河洪水主要由暴雨形成，大多發(fā)生在7—8月。從洪峰流量的年際變化來看，豐枯年份洪水變化十分懸殊。上游洪水經(jīng)中游平原型河道削減后，在進入靈霍山峽之前，洪峰就已大幅減小，一般不會對下游構(gòu)成威脅。汾河下游干流洪水多由中、下游區(qū)間暴雨產(chǎn)生，形成時間短、洪峰大、洪量少。隨著暴雨特性的不同，洪水過程有胖瘦之分，矮胖型洪水由大范圍、長歷時并有一定強度的暴雨形成，這種洪水上漲緩慢，退水也慢，另一方面，水利工程和河道對洪水波的調(diào)蓄使洪峰降低，歷時拉長。尖瘦型洪水由小范圍或局部暴雨形成，洪水暴漲暴落，歷時短。

2.2.2 斷面設(shè)計洪峰計算

洪峰流量及糙率：

采用1998年汾河中游河道治理工程的研究報告中的P=1%設(shè)計洪峰流量為3 310 m3/s，P=5%設(shè)計洪峰流量為3 310 m3/s。河床糙率取主河河床糙率0.025，河灘糙率 0.035。

建橋前后河道水面線計算：

根據(jù)河流和建設(shè)項目狀況，對河道防洪情況進行計算分析，在橋址上、下游約5 km共布測15個斷面，以進行河道水面線計算，確定河道行洪情況。計算公式如下：

式中：Z——斷面水位，m；

Q——斷面流量，m3/s；

v——平均流速，m/s；

α，ξ——分別為動能修正系數(shù)和局部阻力系數(shù)；

K——綜合流量系數(shù)，由下式確定：

其中，Ai，Ri，ni分別為左灘、中槽、右灘的流量系數(shù)、過水面積、水力半徑和糙率。

經(jīng)計算，汾河特大橋橋址堤防內(nèi)側(cè)現(xiàn)狀滿足20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)，過流能力為2 080 m3/s。大橋建設(shè)后橋址斷面堤防內(nèi)側(cè)現(xiàn)狀最大壅水高度0.28 m，壅水長度1958m；100年一遇洪水最大壅水高度0.11m，壅水長度1297.5m。由此可知，大橋?qū)拥佬泻橛绊懖淮?。大橋建成后對位于大橋上?km處的貫中大橋不會造成影響。計算成果分別見表1和表2。

表1 汾河特大橋建橋前后P=1%水面線計算成果

表2 汾河特大橋建橋前后P=5%水面線計算成果

沖刷與淤積計算：

水流斜沖防護岸坡的沖刷深度按《堤防工程設(shè)計規(guī)范》中的公式計算:

式中：Δhp從河底算起的局部沖深，m；

a——水流流向與岸坡交角，度；

m——防護建筑物迎水面邊坡系數(shù)；

d——坡腳處土壤計算粒徑，mm；

vj——水流的局部沖刷流速，m/s。

水流平行于岸坡沖刷產(chǎn)生的沖刷按《水力計算手冊》計算：

式中：hB——局部沖刷深度，m；

hp——河道平均水深，m；

vp——平均流速，m；

vH——河床允許的不沖流速，m/s；

n——與防護岸坡在平面上的形狀有關(guān)，一般取0.25。

計算成果見表3。

表3 各大橋橋址處河道堤岸沖刷深度

由表3結(jié)合水面線計算成果可知：柳灣汾河特大橋建成后，發(fā)生較大洪水時，在橋址處一定范圍內(nèi)形成降水段，其水流流速有所增加，河道堤防沖刷加劇，最大沖刷深度增加1m，100年一遇洪水沖刷深度增加0.87m。

3 防洪綜合評價

3.1 與現(xiàn)有水利樞紐關(guān)系影響分析

距汾河二壩4km，由分析計算可知，兩處建筑物互不影響；距貫中大橋2km，因其壅水高度和壅水長度均未影響到大橋，兩處建筑物互不影響；由于大橋斜跨河道，橋墩隨水流方向斜交，對堤防沖刷較大。

3.2 與現(xiàn)有防洪標(biāo)準(zhǔn)適應(yīng)性分析

柳灣汾河大橋工程屬特大橋工程，防洪標(biāo)準(zhǔn)采用100年一遇設(shè)計，符合《中華人民共和國防洪標(biāo)準(zhǔn)》要求；河道段堤防標(biāo)準(zhǔn)20年一遇，符合《堤防工程設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定。

3.3 對行洪安全影響分析

汾河大橋建成后，橋址所在各河道斷面中將設(shè)9個墩柱，墩柱使河道過水面積減少，具有阻水作用，由于斜交河道水流方向稍有改變，橋墩使橋址以上部分河段產(chǎn)生壅水，但壅水高度不大，僅0.28 m，100年一遇洪水時僅0.11 m，對河道行洪影響較小。

3.4 對河勢穩(wěn)定性影響分析

汾河特大橋所在河道發(fā)生較大洪水時，極易在橋址以上形成壅水并產(chǎn)生淤積，同時，橋址處形成降水段，水流流速稍有加快，水流斜沖堤岸，平行護岸的沖刷深度將有所增加。但由于壅水高度不大，壅水長度有限，壅水段淤積量不會很大；工程建成后，由于大橋斜交河道，水流方向改變，對河勢和穩(wěn)定性影響較大，應(yīng)對橋址處一定范圍內(nèi)的河道堤防內(nèi)側(cè)采取防護加固措施，以減小工程建設(shè)引起的水流對護岸的沖刷，防止堤防決口坍塌，造成河床擺動。總之，大橋建設(shè)對該段河勢穩(wěn)定性影響較大。

3.5 對已建堤防工程影響分析

大橋施工建設(shè)將在河道內(nèi)外進行，必須對現(xiàn)有的堤防拆除。為保證河道行洪順暢，建議河道內(nèi)施工安排在非汛期，并在汛期來臨之前完工，將拆除的堤防工程按原設(shè)計恢復(fù)。