南城縣富民跨河橋梁工程防洪影響評價探析

李 芳

（江西省撫州市水電勘測設(shè)計院 江西 撫州 344000）

1 工程概況

南城縣是江西省建縣最早的十八個古縣之一，位于江西省東部，屬撫州市轄縣，位于東經(jīng)116°24′～116°57′，北緯27°18′～27°47′之間，東西長58km，寬56km，東鄰資溪、黎川，南毗黎川、南豐，西連宜黃、臨川區(qū)，北接金溪，全縣土地總面積1698km2。大橋位于南城縣建昌鎮(zhèn)，跨越盱江，橋址下游建有廖坊水利樞紐工程，其壩址距離橋址約29.74km，大橋處廖坊水庫回水末端，橋位斷面地理位置為東經(jīng)116°38′30″，北緯 27°32′35″。

2 壅水計算分析

2.1 選擇計算公式

（1）《水利動能設(shè)計手冊》（防洪分冊）中對橋位壅水的計算有科學(xué)的總結(jié)，采用河道水面線法推求建橋洪水期壅水范圍。根據(jù)大橋所在河段兩岸堤防工程的防洪標(biāo)準(zhǔn)，對50年一遇、20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建橋前后水面線分析計算。

式中：△h——最大壅水高度

α——動能修正系數(shù)

V3——橋墩下游為正常水深時的斷面平均流速

B——無橋墩時斷面的寬度

b——兩墩間的凈寬

h3——橋墩下游正常水深

ε——過水?dāng)嗝媸湛s系數(shù)

各頻率計算水位壅高值見表1。

表1 不同方法推求橋體水位壅高成果對比表

式中：△h——最大壅水高度

Q——流量

h3——橋墩下游正常水深

b——兩墩間的凈寬

B——無橋墩時斷面的寬度

兩種方法計算對比成果見表1。

上表表明，計算橋體水位壅高的兩種方法得到的結(jié)果基本是一致的，其中，《水利動能設(shè)計手冊》公式二比較簡便，計算數(shù)值為估算值，結(jié)合本工程的實際情況，對項目的精確度要求比較高。綜合分析考慮后，橋體最大壅水值采用偏安全的公式一進(jìn)行推求。

2.2 計算建橋后橋址上游的壅水

本次使用公式一計算建橋前后河道水面線，對洪水水面線的變化進(jìn)行分析，得出大橋建設(shè)完工后，對河道洪水位的抬高程度及其影響范圍。

2.2.1 水位的控制

由于工程建成后，上游河段會產(chǎn)生壅水，所以，根據(jù)大橋斷面設(shè)計的洪水位來計算建橋前和建橋后的下游控制水位[1]。廖坊水利樞紐在2006年建成，富民大橋在廖坊水庫庫區(qū)的回水末端，大橋斷面設(shè)計洪水位可以借用《廖坊初步設(shè)計報告》水面線成果根據(jù)斷面位置進(jìn)行內(nèi)插取值。取值結(jié)果見表2。

表2 各頻率控制水位成果表

2.2.2 各河段洪水的設(shè)計

南城水文站位于橋址下游1000m左右，集雨控制面積4159km2，橋址上游100m處匯入大支流麻港，麻港集雨控制面積47.4 km2，麻港匯合口以上集雨控制面積4111.6km2，與南城站控制面積相比，面積相對差值1%，因此上游河段洪水也采用南城站洪水成果，20年一遇洪峰流量為4240m3/s，50年一遇洪峰流量為5120m3/s。

2.2.3 采用河道糙率

南城水文站測流河道上無實測水位、比降、糙率關(guān)系，主要采用根據(jù)廖坊以上河段調(diào)查的1982年、1998年洪水水面線反推的綜合糙率成果，經(jīng)分析該河段河床綜合糙率范圍在0.02～0.035之間，灘地糙率范圍在0.04～0.05。

2.2.4 水面線推求設(shè)計

確定了河段設(shè)計洪峰流量、控制水位、河道綜合糙率以及建橋后的邊界條件，建橋前后設(shè)計水面線采用《水力計算手冊》推薦的試算法由各自控制水位自下而上逐段進(jìn)行，因為此階段的水體流動速度很小，推算時均不考慮行近流速水頭影響[2]。本次推求了兩種洪水頻率的水面線，分別為2%、5%，對比分析了建橋前后的差異，設(shè)計水面線成果詳見表3。在20年和50年一遇洪水條件下，富民大橋橋上最大壅水高度分別為0.05m和0.06m。

表3 盱江防護(hù)工程工程設(shè)計水面線成果表

3 分析計算沖刷

3.1 一般沖刷計算

建橋后，河道的行洪斷面將會縮小，河道中的水流狀況會出現(xiàn)變化，河床也會隨之出現(xiàn)變化，變化的特點(diǎn)為，在橋梁上游，因壅水作用導(dǎo)致流速變小，會出現(xiàn)淤積情況；橋梁處由于行洪斷面縮小導(dǎo)致流速增大，出現(xiàn)沖刷。從此次測得的橋址處河道橫斷面的實際情況可以得出，橋址處河道橫斷面基本呈“U”型，河槽為單式斷面，全為主河槽，因此本次論證橋下一般沖刷計算采用《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》（JTGC30-2002）中有關(guān)河槽一般沖刷公式進(jìn)行分析計算。

河槽一般沖刷計算公式簡寫為：

其中：

式中：Ad——單寬流量集中系數(shù)；

Qp——頻率為p%的設(shè)計流量（m3/s）；

Qc——天然狀態(tài)河槽流量（m3/s）；

Q2——建橋后河槽部分通過的設(shè)計流量（m3/s）；

Qt——天然狀態(tài)下河灘部分通過的流量（m3/s）；

Bz、Hz——平灘水位時的河槽寬度和河槽平均水深（m）；

μ——橋墩水流側(cè)向收縮系數(shù)，本次取值0.98；

Bc——橋下河槽部分橋孔過水凈寬（m），當(dāng)橋下河槽擴(kuò)寬至全橋時即為全橋橋孔過水凈寬；

Bcg——橋長范圍內(nèi)的河槽寬度（m）；

λ——設(shè)計水位下，橋墩阻水總面積與橋下過水面積的比值；

hcg——河槽最大水深（m）；

經(jīng)分析計算，當(dāng)遭遇50年一遇洪水時，建橋后沖刷深為2.12m，20年一遇洪水時沖刷深為1.95m，各標(biāo)準(zhǔn)下的沖刷深度見表4。

表4 富民大橋橋位斷面河槽一般沖刷計算成果表

3.2 計算沖刷范圍

由于大橋河段屬于緩流河槽，參照之前的大橋設(shè)計方案，橋孔壓縮與橋墩阻水有一定的影響，建橋后上游產(chǎn)生雍水曲線，在遠(yuǎn)處與天然水面線相銜接。再向下游，水流會擴(kuò)算，并和天然水面銜接。此次，沖刷起始及終點(diǎn)斷面位置利用《橋梁水力學(xué)》中介紹的經(jīng)驗公式進(jìn)行確定沖刷起始和沖刷范圍。

（1）橋梁上游沖刷范圍的確定

上游最高處的雍水?dāng)嗝娴綐蚩字g，由于水面出現(xiàn)急劇跌落的現(xiàn)象，會形成水流壓縮區(qū)，上游普遍受到?jīng)_刷，采用如下公式計算普遍沖刷的起始斷面與橋梁軸線之間的距離：

S=0.4×K×B×（1—M）估算。

式中：S——橋梁軸線至沖刷起始斷面距離

B——洪水水面寬度。

M——橋孔流量壓縮比。

K——系數(shù)

經(jīng)計算，流量愈大，S值愈大，為同橋梁防洪標(biāo)準(zhǔn)相適應(yīng)，本次計算了100年一遇設(shè)計水位70.36m時S值為34m。即遇100年一遇洪水時，其到橋梁軸線34m，為墩臺壓縮水流而造成的橋上普遍沖刷范圍。

（2）橋梁下游沖刷范圍的確定

根據(jù)《橋梁水力學(xué)》的介紹，下游消除橋梁壓縮造成沖刷影響的特征斷面位置采用公式SN=2LD/（1+E）估算，

式中：SN——橋梁軸線至下游沖刷終止斷面的距離

LD——橋墩、橋臺侵占河道長度。

E——橋孔偏置系數(shù)。這個指標(biāo)反映了河谷中設(shè)置橋孔的相對位置，依據(jù)大橋設(shè)計的實際情況，橋孔偏置系數(shù)是0，沒有出現(xiàn)偏心影響的情況。通過計算，梁軸線距下游壓縮斷面之間的距離為83m，該段范圍即為橋下游普遍沖刷長度。根據(jù)以上計算，100年一遇的洪水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)下，其沖刷范圍會達(dá)到117m。

3.3 分析計算河勢

結(jié)合大橋孔跨布置的資料，大橋橋位軸線垂直于水流流向，主橋546m，大橋橋臺、橋墩編號為0～13，左岸0號橋臺與1號橋墩布置于左岸較高的臺地上，地面高程是67.70m，大橋2號橋墩布置于河西聯(lián)圩迎水坡堤腳外5m處，地面高程64.20m，3號～11號橋墩布置于主河槽內(nèi)，河底高程為60.50m～64.00m，右岸12號橋墩布置于勝利堤迎水坡堤腳，地面高程68.00m。13號橋臺布置于盱江I級沖積階地（勝利堤內(nèi)），地面高程68.10m[3]。斷面單寬流量、斷面平均流速受到橋墩阻水影響會增大，橋下游河床將產(chǎn)生一般沖刷，通過公式計算，20～50年洪水時沖刷的深度在1.95m～2.12m之間。并且橋墩阻水作用促使水流沖擊和渦流作用產(chǎn)生，橋墩周圍的部分河床會出現(xiàn)一定程度的變形，局部形成沖刷。

當(dāng)橋位斷面河道遇到20年～50年一遇的洪水時，橋位斷面的水位被抬高0.05m～0.04m，橋位過水面積和水面寬分別減小7.15%～7.11%、7.39%～7.64%，平均流速增加7.15%～7.11%，由此說明富民大橋建設(shè)前后，對其所在河道斷面之過水面積、水面寬及平均流速存在一定的變化。

4 結(jié)論

綜上所述，富民大橋的興建，對河道平面形態(tài)的變化有一定的影響，為了降低這種影響，保證橋梁工程的安全，需要按照橋墩的布置圖和大橋的施工方案，將大橋的右岸和勝利堤連接，左岸和河西聯(lián)圩連接。由于大橋左岸第2號橋墩位于河西堤臨水坡堤腳，建議2號橋墩施工時應(yīng)注意不要破壞堤防的護(hù)坡及固腳，或施工后恢復(fù)河西堤臨水坡堤腳的預(yù)制塊護(hù)坡及拋石固腳，以確保防洪墻基礎(chǔ)的安全。在工程施工期間，建設(shè)單位應(yīng)接受河道主管部門的監(jiān)督、檢查，如實提供有關(guān)情況，如出現(xiàn)涉及河道行洪及兩岸堤防安全方面的問題時，應(yīng)及時向河道主管部門及有關(guān)部門匯報，并按河道主管部門提出的相關(guān)處理意見，進(jìn)行補(bǔ)救和完善。橋墩施工時，人工小島應(yīng)盡量順?biāo)鞣较虿贾?，避免與水流方向形成夾角，以減小渦流的產(chǎn)生，從而減少人工小島對河勢的影響。另外，對于已結(jié)束施工的橋墩周圍的臨時建筑物必須及時清除，這不僅有利于河道行洪，同時也減少了水下安全隱患，以提高汛期通航和水上作業(yè)的安全性。陜西水利

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