跨河橋梁及施工對河涌防洪引水與排水影響分析

朱秋菊，馮志鵬，鄭江麗

（珠江水利委員會(huì)珠江水利科學(xué)研究院，廣東廣州 510611）

1 研究背景

南洲立交工程跨河橋梁工程設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，跨河橋梁工程與河網(wǎng)內(nèi)3條河涌相交，其中縱向跨黃沖涌（河涌內(nèi)布置直徑1.2 m的橋墩8個(gè)），橫跨土華涌（河涌內(nèi)布置直徑1.2 m的橋墩24個(gè)）、石榴崗河（河涌內(nèi)布置直徑1.2 m的橋墩21個(gè)），所跨土華涌斷面寬約240 m，所跨石榴崗河斷面寬約60 m，黃沖涌斷面寬10～25 m?？绾訕蛄汗こ虒?shí)施時(shí)，考慮先拓寬黃沖涌河道斷面。該工程在河涌內(nèi)布置橋墩眾多，跨涌橋梁阻水比在6.8%～13%之間，工程建設(shè)后可能對這3條河涌乃至周邊河網(wǎng)的防洪、排澇等產(chǎn)生不利影響。

由于當(dāng)時(shí)要改良河網(wǎng)內(nèi)河涌水質(zhì)，石榴崗河南、北片及北濠－石溪片很多水閘都在施工，與后航道相連的河涌涌口的水閘除黃沖水閘已建成可使用外，其余水閘均處于施工階段，該區(qū)河涌的換水途徑只能是從石榴崗河引水，從黃沖涌排水，黃沖涌成為唯一一個(gè)可排入后航道的通道；而南洲立交工程施工期恰與臨時(shí)調(diào)水期相沖突，為確?？琰S沖涌橋梁施工期時(shí)臨時(shí)調(diào)水能得到保證，進(jìn)行施工期的引、排水計(jì)算分析也是很有必要的。

2 數(shù)學(xué)模型

由于該區(qū)河網(wǎng)水系復(fù)雜，考慮利用一維水流數(shù)學(xué)模型，模擬計(jì)算工程后南洲立交工程跨河橋梁工程對附近河網(wǎng)的防洪影響和施工期對該片區(qū)引、排水的影響。

2.1 數(shù)學(xué)模型基本方程

工程壅水計(jì)算采用一維明渠非恒定流數(shù)學(xué)模型，采用圣維南方程組：

式中：H——斷面水位，m；Q——流量，m3/s；u——平均流速，u=Q/S，S為河道過水?dāng)嗝婷娣e，km2；g——重力加速度；B——不同高程下的過水寬度，m；qL——旁側(cè)入流流量，m3/s；R——水力半徑，m；C—謝才（Chezy）系數(shù)；x，t——位置和時(shí)間的坐標(biāo)。

方程離散采用Abbott 6點(diǎn)隱式格式，該離散格式在每一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)并不同時(shí)計(jì)算水位和流量，而是按順序交替計(jì)算水位或流量，分別稱為h點(diǎn)和Q點(diǎn)。求解方法同時(shí)適用于樹枝狀和環(huán)狀水系，計(jì)算網(wǎng)格布置為交叉網(wǎng)格方式（交替水位點(diǎn)和流量點(diǎn)）。有斷面數(shù)據(jù)的點(diǎn)設(shè)置為水位點(diǎn)，流量點(diǎn)自動(dòng)布置在相鄰水位點(diǎn)的中間和水工建筑物點(diǎn)。

2.2 研究范圍及斷面布置

一維數(shù)學(xué)模型模型斷面間距約200 m。其中斷面最小間距為30 m。一維河網(wǎng)水動(dòng)力模型的模擬河涌27條，搭建成河網(wǎng)。

2.3 邊界條件

上游采用流量邊界。片區(qū)河網(wǎng)內(nèi)部缺乏實(shí)測流量資料，流量邊界條件采用《海珠區(qū)河涌水系規(guī)劃深化實(shí)施方案》中20年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量。模型中下邊界均有水閘與外江后航道隔開，采用各水閘的實(shí)際運(yùn)行水位。

1.2.2 樣品的制備與測定。參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法《YC/T 380—2010 煙草及煙草制品鉻、鎳、砷、硒、鎘、鉛的測定 電感耦合等離子體質(zhì)譜儀法》[12]進(jìn)行分析測試。準(zhǔn)確稱取0.2 g(精確至0.000 1 g)煙草樣品放置于微波消解罐中，依次加入5 mL 65%硝酸和2 mL 35%雙氧水，旋緊密封后進(jìn)行微波消解。消解程序如表1所示。冷卻至室溫后，將消解罐內(nèi)的試樣溶液用超純水沖洗2次，所得洗液一起合并于50 mL容量瓶中，超純水定容至50 mL，混合搖勻。用同樣的方法制備試劑空白溶液。

2.4 水閘模擬

模擬河網(wǎng)內(nèi)有水閘12座。根據(jù)調(diào)查，海珠區(qū)的擋潮水閘一般在漲潮時(shí)關(guān)閘擋潮，落潮時(shí)開閘排澇。在這些構(gòu)筑物處，圣維南方程組已經(jīng)不再適用，必須根據(jù)閘的水力學(xué)特征作特殊處理。在模型中閘通常作為流量點(diǎn)處理，根據(jù)水閘閘內(nèi)外相臨水位點(diǎn)的水位關(guān)系采用閘的流量公式計(jì)算過閘流量。

3 壅水計(jì)算

由于該工程縱向跨過黃沖涌，沿河涌350 m范圍內(nèi)都有橋墩布置，占用了河道過流斷面，采用擴(kuò)寬河涌斷面的方法來解決此問題。壅水計(jì)算分現(xiàn)狀和工程后（同時(shí)考慮黃沖涌斷面拓寬和擬建工程橋墩的影響）兩種情況來考慮。

從最不利的角度考慮，水閘調(diào)度分以下7種工況來考慮。工況1：現(xiàn)狀規(guī)劃河涌，各水閘均定向控制，洪水排入后航道，閘內(nèi)水位高于閘外水位，開閘排水，反之則關(guān)閘；工況2：在工況1基礎(chǔ)上，以石榴崗河為主要研究對象，與石榴崗河相連的北片河涌不分流，土華涌下游水閘關(guān)閉；工況3：在工況1基礎(chǔ)上，以土華涌為主要研究對象，石榴崗水閘關(guān)閉；工況4：在工況1基礎(chǔ)上，以黃沖涌為主要研究對象，石榴崗水閘、土華涌下游水閘關(guān)閉；工況5：在工況1的基礎(chǔ)上，不考慮黃沖涌的存在，閘內(nèi)水位高于閘外水位，開閘排水，反之則關(guān)閘；工況6：在工況5的基礎(chǔ)上，關(guān)閉土華水閘，土華西閘，洪水僅從石榴河水閘排入后航道；工況7：在工況5的基礎(chǔ)上，關(guān)閉石榴崗河水閘，洪水從后航道各水閘排出。

計(jì)算結(jié)果表明，在各種工況下，考慮黃沖涌斷面拓寬和橋梁工程的疊加影響，水位最大壅高幅度只有0.01 m，水位壅高發(fā)生在各條河涌跨涌橋梁工程上下游3 km范圍內(nèi)，擬建工程實(shí)施產(chǎn)生的壅水對石榴崗河、土華涌和黃沖涌行洪影響很小，對工程附近其他河涌行洪基本無影響。

4 枯季施工期景觀水換水計(jì)算與分析

4.1 引、排水的水閘調(diào)度原則

石榴崗河南、北片及北濠－石溪片引、排水時(shí)，水閘調(diào)度遵循以下原則：石榴崗水閘和黃沖水閘均定向控制水流，引水從石榴崗水閘處引入，只進(jìn)不出，當(dāng)石榴崗水閘內(nèi)水位達(dá)到0.8 m景觀水位時(shí)關(guān)閘；排出則從黃沖水閘處排出，只出不進(jìn)，當(dāng)閘內(nèi)水位排至-0.7 m時(shí)，或石榴崗水閘閘內(nèi)水位排至0 m時(shí)，關(guān)閘；位于土華涌的蝦九水閘（土華水閘）正在修建，土華新水閘關(guān)閉，截?cái)嗔送寥A涌與石榴崗河的連通；位于赤沙涌的沙涌水閘定向控制水流，當(dāng)閘內(nèi)水位高于閘外水位時(shí)開閘，水流從赤沙涌流向后航道，反之關(guān)閘，當(dāng)閘外水位高于1.2 m時(shí)亦關(guān)閘。

4.2 引排水計(jì)算邊界

因施工期為枯水期，故采用距離模型上、下游邊界最近的黃埔站、浮標(biāo)廠站的2001年2月的枯水典型潮位過程作為上、下游水位邊界條件。

4.3 引、排水計(jì)算方案設(shè)計(jì)

對比計(jì)算工程前和施工期2種工況的引、排水情況。

施工期工況，河涌斷面采用施工步驟中工程占河道過水面積最大時(shí)的河道斷面。

4.4 引、排水計(jì)算成果分析

計(jì)算結(jié)果表明，工程前，該片區(qū)平均引水流量為119.33 m3/s，引水 3 h，引水總量為 128.87萬 m3；平均排水流量為29.73 m3/s，排水13 h，排水總量為139.13萬m3。因此可以看出，在一個(gè)潮周期內(nèi)，引水量小于排水量，水可從黃沖涌順利排出。

施工期時(shí)，該片區(qū)平均引水流量126.84 m3/s，引水3 h，引水總量 136.98萬 m3；平均排水流量 28.69 m3/s，排水15 h，排水總量為154.93萬m3。同樣，在一個(gè)潮周期內(nèi)，引水量小于排水量，水亦可從黃沖涌順利排出。

對比工程前與施工期，引水量均小于排水量，即水均可從黃沖涌順利排出。且施工期引水量有所增大，這是由于施工期時(shí)黃沖涌河涌拓寬而使得施工期河涌凈過水?dāng)嗝婷娣e總體大于河涌原斷面面積引起的。但因受施工影響，排水時(shí)間較工程前長2 h。

5 河涌排澇調(diào)蓄能力影響分析

根據(jù)工程前后河涌容積統(tǒng)計(jì)，工程后由于黃沖涌斷面擴(kuò)寬，扣除橋墩影響，整個(gè)模型計(jì)算范圍內(nèi)河網(wǎng)涌容還有一定增加，不同水位下涌容增加百分比在1%～2%之間。

以20年一遇24 h時(shí)暴雨過程遭遇外江（以浮標(biāo)廠站為準(zhǔn)）多年平均最高潮位潮型，進(jìn)行河涌調(diào)蓄計(jì)算，計(jì)算工況共7種，與壅水計(jì)算工況一致。汛期排澇按照能排就排，不能排盡量蓄在河涌內(nèi)的原則。計(jì)算結(jié)果表明，在各種工況下，工程后河涌內(nèi)蓄水量均有所增加，而出流量相應(yīng)減小。各工況中工程后河涌內(nèi)蓄水量最大增大值為5.58 m3，小于河涌工程后涌容增加量（最小為水位為1.4 m時(shí)的8.72萬m3）。因此，工程后對其附近片區(qū)排澇調(diào)蓄影響較小。

6 其他影響

6.1 河道沖淤和河勢穩(wěn)定分析

對河涌沖淤和河勢穩(wěn)定分析主要通過建立二維數(shù)學(xué)模型來實(shí)現(xiàn)。二維模型范圍主要包括有擬建跨涌橋梁的3條涌，范圍小于一維模型范圍；水文計(jì)算邊界條件從一維模型中提取。計(jì)算結(jié)果表明，工程后各河涌整體流態(tài)依然平順，工程流態(tài)變化僅局限于工程附近水域，且工程附近流速變化幅度有限，定型分析工程對河涌沖淤影響不大。由于各河涌整治后河岸固化，工程對河涌河勢穩(wěn)定影響有限。

6.2 對第三人合法水事權(quán)益的影響

黃沖涌、土華涌和石榴崗河規(guī)劃是海珠區(qū)以后的3個(gè)主航道。這3條河涌有3種船型需要保證通航：龍舟、清淤船和施工船。工程方案基本能滿足各河涌通航要求，但工程方案河涌中布置橋墩較多，行船需注意安全。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，擬建工程東岸為南洲水廠，是主要的第三人合法水事權(quán)益者。在進(jìn)行工程建設(shè)的同時(shí)，盡量避免對水廠造成不利影響。

7 結(jié)語

上述計(jì)算分析結(jié)果表明，在枯季黃沖涌跨涌橋梁施工期能滿足片區(qū)引、排水的需求；工程建成后運(yùn)行期亦基本不會(huì)影響河涌防洪、排澇、引排水、通航等正常功能。只是工程后，由于河涌內(nèi)布置橋墩較多，需注意行船安全。

［1］廣州水水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院.海珠區(qū)河涌水系規(guī)劃深化實(shí)施方案［R］.2007，11.

［2］廣州市水利局 中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)有限公司.廣州市琶洲地區(qū)河涌排水修建性詳細(xì)規(guī)劃［R］.2003，6.

［3］廣州市海珠區(qū)農(nóng)業(yè)水利局，廣州市水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院.廣州市海珠區(qū)引水補(bǔ)水工程規(guī)劃深化實(shí)施方案調(diào)整［R］.2009，11.

［4］廣州市水利局.廣州市市區(qū)河涌整治規(guī)劃［R］.2004，10.

［5］廣州市水利局、廣州市水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院.廣州市珠江堤防整治規(guī)劃［R］.2008，11.

［6］四平市水利勘測設(shè)計(jì)研究院深圳分院.海珠區(qū)黃沖涌整治及清淤工程初設(shè)報(bào)告［R］.2009，9.

［7］廣州市水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院.海珠區(qū)土華涌（一期）整治工程初設(shè)報(bào)告［R］.2009，8.

［8］四平市水利勘測設(shè)計(jì)研究院深圳分院.海珠區(qū)土華涌（二期）整治工程初設(shè)報(bào)告［R］.2009，10.

［9］廣州市水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院.廣州市海珠區(qū)土華涌整治工程工程地質(zhì)勘察報(bào)告（初步設(shè)計(jì)階段）［R］.2009，8.