廣氮地區(qū)市政道路跨車陂涌橋梁防洪評價(jià)研究

鄧蘇誼

（廣東省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，廣州 510000）

科技成果

廣氮地區(qū)市政道路跨車陂涌橋梁防洪評價(jià)研究

鄧蘇誼

（廣東省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，廣州 510000）

車陂涌位于廣州市東部的天河區(qū)，是天河區(qū)七條河涌中流域面積最大的河涌。根據(jù)廣氮地區(qū)市政道路總體設(shè)計(jì)要求，本工程范圍共設(shè)置跨車陂涌橋梁7座。工程范圍涉及的7座橋跨越車陂涌，擬建橋梁占用車陂涌河道管理范圍的建筑物為布置在河道內(nèi)的橋墩。文章通過建立一維、二維水流數(shù)學(xué)模型，計(jì)算分析了廣氮地區(qū)居住儲備用地市政道路跨車陂涌的7座橋梁對河道水位及流場等的影響，并提出相應(yīng)結(jié)論和建議。

數(shù)學(xué)模型；水文分析；防洪評價(jià)；一維模型；二維模型

1 概 述

車陂涌位于廣州市東部的天河區(qū)，是天河區(qū)七條河涌中流域面積最大的河涌。

廣氮地區(qū)居住儲備用地市政道路及附屬工程，北倚北環(huán)高速公路，東至東環(huán)高速公路、車陂路，南臨廣園東快速路，西至一縱路，用地面積約250hm2。根據(jù)廣氮地區(qū)市政道路總體設(shè)計(jì)要求，居住儲備用地市政道路及附屬工程范圍共設(shè)置跨車陂涌橋梁7座，分別位于八縱路、七縱路、六橫路、五縱路、三縱路北、二縱路的跨車陂涌及支涌段。工程范圍涉及的7座橋跨越車陂涌，擬建橋梁占用車陂涌河道管理范圍的建筑物為布置在河道內(nèi)的橋墩。其中1號橋的橋墩布置在親水平臺上，2、3、4、5、6號橋的橋墩均布置于二級護(hù)坡上。1～6號橋的橋墩的阻水比為分別為3.9%、2.3%、3.8%、3.1%、2.7%和1.2%；8號橋的橋墩位于堤頂，阻水比為0%。因此須對該項(xiàng)目進(jìn)行防洪專題研究，分析該項(xiàng)目對車陂涌的行洪安全、兩岸堤防及其他影響。

2 防洪評價(jià)計(jì)算

2.1 水文分析計(jì)算

水文分析計(jì)算目的是為壅水、流態(tài)分析計(jì)算等水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型提供計(jì)算邊界條件及為河勢穩(wěn)定分析提供依據(jù)［1］。

1）設(shè)計(jì)洪水：車陂涌的設(shè)計(jì)洪水采用廣東省綜合單位線法和推理公式法（1988年修訂）兩種方法進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)過綜合對比分析，最終采用綜合單位線法計(jì)算結(jié)果作為車陂涌的設(shè)計(jì)洪水成果。

2）設(shè)計(jì)水面線：考慮了以洪為主外江水位相應(yīng)和以外江水位為主洪相應(yīng)兩種組合，并采用兩種組合的外包線作為車陂涌的設(shè)計(jì)水面線［2］。

2.2 一維模型壅水分析計(jì)算

采用一維水流數(shù)學(xué)模型對壅水進(jìn)行分析計(jì)算。

2.2.1 控制方程

采用一維明渠非恒定流的基本方程作為控制方程。

連續(xù)方程：

動(dòng)量方程：

對于由以上兩式組成的典型水流方程組，目前在數(shù)值計(jì)算上可有多種方法求解，這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，分別適用于不同的水流及邊界情況。本次計(jì)算采用四點(diǎn)加權(quán)隱格式進(jìn)行離散，求解時(shí)采用迭代法。

橋墩阻水造成局部水動(dòng)力條件的改變，從而引起水面線的壅高，在一維水流模型中可以通過以下2方面進(jìn)行概化：①根據(jù)橋墩阻水面積調(diào)整過水?dāng)嗝婷娣eA；②橋位斷面由于橋墩的存在引起濕周的變化，從而引起摩阻比降的變化，這在模型中將自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算。

2.2.2 研究范圍和邊界條件

根據(jù)本工程影響范圍，確定數(shù)學(xué)模型研究范圍為：上邊界采用20a一遇設(shè)計(jì)洪水，下邊界車陂涌口采用5a一遇水位，并考慮了旁側(cè)入流引起的河道流量變化。

2.2.3 地形資料及斷面布置

計(jì)算范圍內(nèi)河道地形采用車陂涌已整治后的斷面，各斷面間距約為100m，共76個(gè)計(jì)算斷面。

2.2.4 模型的率定

根據(jù)設(shè)計(jì)水面線成果對一維模型進(jìn)行率定。

2.2.5 壅水計(jì)算結(jié)果分析評價(jià)

本工程擬建的7座大橋選址較為集中，各橋之間水流形態(tài)又相互影響，無法單獨(dú)對每座橋進(jìn)行分析，因此分析時(shí)將7座橋梁做為整體聯(lián)合考慮其影響。由于橋墩的建設(shè)縮窄了過水面積，增大了濕周，造成水流動(dòng)能損失，從而引起橋位上游水面壅高。20a一遇設(shè)計(jì)洪水，河道水位壅高最大值為10.5cm，出現(xiàn)在6號橋上游5m處。壅高值隨工程距離的增大而降低。至6號橋上游1.2km時(shí)設(shè)計(jì)洪水頻率下水位壅高值降為0；8號橋橋墩位于堤岸上，高于設(shè)計(jì)水位，橋墩阻水比為0%，不產(chǎn)生壅水影響。

2.3 二維模型分析計(jì)算

2.3.1 控制方程

采用平面二維數(shù)學(xué)模型計(jì)算工程河段局部的水位、流速和流場形態(tài)變化，其控制方程如下：

連續(xù)方程：

動(dòng)量方程：

式中：u、ν分別為 ξ、η為方向流速分量，m／s；z為水位，m；H為水深，m；g為重力加速度，m2／s；f為柯氏力系數(shù)；其他符號如下：

其余符號依次類推。

目前二維方程組的數(shù)值離散方法主要有有限差分法、有限元法、有限體積法、破開算子法、邊界元法等，其中有限差分法以ADI最為成熟和流行?？臻g離散方法主要有矩形網(wǎng)格、正交曲線網(wǎng)格、三角形網(wǎng)格、不規(guī)則四邊形網(wǎng)格等，后三者可以較好地?cái)M合邊界和水利地形。本模型采用正交曲線網(wǎng)格上的有限差分ADI法進(jìn)行模型的離散和計(jì)算。

2.3.2 研究范圍及地形資料

二維計(jì)算范圍定為6號橋上游1.2km至1號橋下游0.6km的河道范圍，計(jì)算河段總長度約3.3km；水下地形采用實(shí)測斷面資料。

2.3.3 網(wǎng)格布置及邊界設(shè)置

本次計(jì)算采用貼體正交曲線網(wǎng)格離散計(jì)算區(qū)域，共布置網(wǎng)格473×103個(gè)。根據(jù)計(jì)算需要，網(wǎng)格分辨率不一。每個(gè)單元的頂點(diǎn)節(jié)點(diǎn)和中心節(jié)點(diǎn)為水位和水深的計(jì)算點(diǎn)，頂點(diǎn)之間為橫向和縱向流速計(jì)算點(diǎn)。各洪水頻率碼頭建設(shè)前后的邊界條件均由一維河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果提供。上游給定流量，下游給定水位。固壁邊界采用不可入條件和可滑條件，同時(shí)考慮旁側(cè)支流。橋墩所在網(wǎng)格概化為不過水處理。

2.3.4 模型的率定

根據(jù)一維河網(wǎng)水流模型計(jì)算成果對二維模型進(jìn)行率定。

2.3.5 計(jì)算結(jié)果與分析

以一維水流模型提供的計(jì)算邊界計(jì)算設(shè)計(jì)頻率（P＝5%）下橋梁建設(shè)前、后橋位附近水域的流場形態(tài)、流速、流向變化，根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析評價(jià)項(xiàng)目對流場形態(tài)、流速、流向等的影響。

從流速上看，1～6號橋工程前后，橋墩與河岸之間、左側(cè)橋墩與右側(cè)橋墩之間流速增大，橋墩上下游局部范圍內(nèi)流速降低，流速變化值在 －1.5～0.12ms，工程前后流速變化等值線圖見圖1。8號橋工程范圍內(nèi)則無流速變化。

圖1 3號橋工程前后流速變化等值線圖

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

根據(jù)廣氮地區(qū)居住儲備用地市政道路及附屬工程七座橋梁的初步設(shè)計(jì)成果和有關(guān)防洪規(guī)劃成果，調(diào)查分析所跨越車陂涌河段洪水特性、兩岸現(xiàn)有防洪能力及水利設(shè)施分布情況等，分析河道演變，建立一、二維水動(dòng)力模型，計(jì)算設(shè)計(jì)洪水條件下工程建設(shè)前后的壅水和流場變化，經(jīng)過綜合評價(jià)后，得出以下結(jié)論：①根據(jù)國家《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB50201—94），7座橋作為I級公路跨越河道的小型橋梁，其防洪標(biāo)準(zhǔn)均為100a一遇，符合國家《防洪標(biāo)準(zhǔn)》。②7座橋的最低梁底標(biāo)高均高于相應(yīng)位置的河道堤防整治高程，大橋梁底設(shè)計(jì)高程可滿足防洪潮高程的要求。③在設(shè)計(jì)洪水條件下，1～6號橋工程上游河道出現(xiàn)水位壅高，河道水位壅高最大值為10.5cm，出現(xiàn)在6號橋上游5m處。壅高值隨距離工程的增大而降低。至6號橋上游1.2km時(shí)設(shè)計(jì)洪水頻率下水位壅高值降為0。④在設(shè)計(jì)洪水條件下，1～6號橋工程前后，橋墩與河岸之間、左側(cè)橋墩與右側(cè)橋墩之間流速增大，橋墩上下游局部范圍內(nèi)流速降低，流速變化值在－1.5～0.12m／s。

總體來說，工程對其附近水域的水流動(dòng)力影響不大，工程后河道整體沖淤變化影響不大，工程對所在的河道整體河勢穩(wěn)定影響亦不大。

3.2 建議

綜合前面的分析成果，從擬建工程的布置看，工程方案對河道防洪、河勢穩(wěn)定等的影響不大，與有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和管理要求等基本適應(yīng)。為了盡量降低工程影響，提出以下4點(diǎn)防治與補(bǔ)救措施：

1）工程實(shí)施后，橋墩與河岸間流速有所增加，同時(shí)考慮到橋墩距離堤防較近，施工期間施工棧橋布置以及往來材料、設(shè)備運(yùn)輸可能危及堤防的穩(wěn)定，由于本項(xiàng)目涉及與車陂涌堤防整治工程同步進(jìn)行的問題，因此需結(jié)合實(shí)際情況合理安排施工組織設(shè)計(jì)工作，為避免正在進(jìn)行的車陂涌整治工程和擬建橋梁橋墩下部結(jié)構(gòu)施工的相互干擾，建議同步完成提防整治和橋墩的施工，并確保橋墩附近的提防按規(guī)劃斷面要求進(jìn)行整治。

2）施工期間不得向河道內(nèi)傾倒余泥廢料。施工完成后，施工圍堰、棄渣應(yīng)及時(shí)、妥善、徹底清理，以恢復(fù)主河槽原有地貌。完工后對工程區(qū)域附近河床要進(jìn)行清理，在施工水域進(jìn)行硬式掃床，以免對行洪產(chǎn)生不利影響。

3）施工過程中，注意項(xiàng)目區(qū)附近河道堤防和岸坡的維護(hù)和觀測，遇到險(xiǎn)情應(yīng)及時(shí)上報(bào)水行政主管部門；汛期積極配合水行政主管部門做好安全渡汛工作。

4）工程施工期的棄物、堆放物、工人生活排放水等可能對河水造成污染，應(yīng)對這些棄物、堆放物和生活排放水等進(jìn)行有效管理，施工和生活廢水需處理達(dá)標(biāo)后方可按規(guī)定排放。

［1］楊文海，路志強(qiáng)，劉濤.跨河橋梁防洪影響評價(jià)研究［J］.水資源與水工程學(xué)報(bào)，2013，24（02）：163－165.

［2］王國新，劉忠民，胡曉松.三通河跨河橋梁防洪影響評價(jià)分析［J］.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2011（05）：261－262.

U442.3

B

1007－7596（2014）08－0001－03

2014－04－08

鄧蘇誼（1981－），男，湖南婁底人，工程師，從事水力學(xué)和水文規(guī)劃研究。