高速公路跨瀟河橋梁防洪影響的防治措施

董 霞

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 山西太原 030024）

1 工程概況

某高速公路在晉中市北合流村西南約200 m、瀟河大壩上游約2.5km處跨越瀟河，跨越處上距涂河匯入口約220 m，下距瀟河大壩2.5km。所涉河道兩岸無(wú)堤防，主槽呈“U”型斷面，寬約30 m左右，深約3m，河床質(zhì)為黃土夾礫石?？缭教帞M建瀟河大橋全長(zhǎng)910 m，共30 跨，橋跨布置為：左幅2×（4×35）m＋2×（5×30）m＋（4×30）m＋（3×30）m＋（4×30）m，右幅2×（4×35）m＋3×（5×30）m＋（6×30）m 裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，橋面凈寬31m，橋面設(shè)計(jì)高程810.413～817.856m，橋梁采用單排六柱式墩，橋墩直徑1.5～1.6m，主槽內(nèi)布置有1組橋墩，橋墩與主槽水流方向成30°夾角，該橋設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇。經(jīng)防洪影響評(píng)價(jià)由于該橋橋墩與水流夾角30°，相應(yīng)橋墩阻水比大于10%，將影響河道的安全行洪，為消除影響應(yīng)采取相應(yīng)的防治措施。

2 設(shè)計(jì)洪水

瀟河大橋位于瀟河大壩上游2.5km，控制流域面積3050 km2，與瀟河大壩控制流域面積3090 km2相差1.3%，可以采用瀟河大壩洪水分析成果作為橋址段設(shè)計(jì)洪水。

根據(jù)瀟河大壩1957-2009年共53年洪峰流量系列，加入歷史調(diào)查洪水（1913年歷史洪峰流量3100 m3/s，重現(xiàn)期為140年），實(shí)測(cè)洪水系列中1962年洪水（洪峰流量為2403m3/s）作為特大值處理，采用P-Ⅲ型曲線[1]進(jìn)行適線。通過(guò)適線求得瀟河大壩設(shè)計(jì)洪水成果及統(tǒng)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1，其頻率曲線見(jiàn)圖1。

圖1 瀟河大壩頻率分析曲線圖

表1 瀟河大壩洪水分析成果表

3 徑流

按瀟河大壩1957-2001年實(shí)測(cè)徑流系列統(tǒng)計(jì)，工程區(qū)多年平均流量3.89m3/s，其中汛期6～9月份為8.27m3/s，7～10月份最大為8.47m3/s。在實(shí)測(cè)系列中，最大來(lái)水發(fā)生在1959年，年平均流量為11.2m3/s，最小來(lái)水發(fā)生在2000年，年平均流量為0.24m3/s。

4 防治措施設(shè)計(jì)

4.1 治理原則

按照大橋設(shè)計(jì)方案，主槽內(nèi)布置一組橋墩，橋墩與河道夾角30°，阻水比較大，對(duì)河道過(guò)流能力有一定影響，由于改變大橋設(shè)計(jì)方案的防治措施造價(jià)太高不經(jīng)濟(jì)，本次提出調(diào)整局部主槽流向，對(duì)主槽進(jìn)行拓寬整治，加大主槽過(guò)流能力，以減小其與橋墩的夾角，降低橋墩阻水比，減小橋梁建設(shè)對(duì)瀟河防洪影響的防治措施。具體治理原則如下：

（1）整治后主槽水流方向應(yīng)與北合流新橋以及瀟河大橋橋墩軸線盡量一致；

（2）整治后主槽位置應(yīng)盡量照顧現(xiàn)狀主槽位置，與上下游河勢(shì)平順銜接，不改變下游的河勢(shì)，此外應(yīng)跟河道綜合治理規(guī)劃進(jìn)行適當(dāng)銜接，以免做重復(fù)性工作造成浪費(fèi)；

（3）盡量不改變涂河入河口位置，如果無(wú)法避免，也應(yīng)使其平順銜接至瀟河。

4.2 治理范圍

由于瀟河大橋主要影響了瀟河主河槽的行洪，根據(jù)大橋行洪影響范圍及整治原則，經(jīng)過(guò)方案對(duì)比本工程治理范圍最終確定為從瀟河大橋橋址上游涂河入瀟河口至龍城高速瀟河大橋橋址下游640 m轉(zhuǎn)彎處，岸線與原主河槽銜接，總長(zhǎng)1000 m。

4.3 治理標(biāo)準(zhǔn)

現(xiàn)狀河道分主槽和左右河灘。主槽兩側(cè)為樹(shù)木，樹(shù)木外側(cè)左右灘地為農(nóng)民種植莊稼的河灘地。治理方案可從平時(shí)小水行主槽，保護(hù)河灘地；洪水時(shí)漫灘保證大堤的安全。本次整治方案以210 m3/s作為主槽過(guò)流標(biāo)準(zhǔn)流量進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。

4.4 治理方案

4.4.1 設(shè)計(jì)方案

本次治理方案主要是在保證行洪通暢、河勢(shì)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，根據(jù)治理原則在所確定的堤距范圍內(nèi)，選用三種治理方案進(jìn)行比選。

方案一

1）治理范圍

治理起點(diǎn)為北合流新橋，終點(diǎn)至瀟河大橋下游1.5km處。

2）主槽走向

起點(diǎn)為北合流新橋第三孔橋孔至第五個(gè)橋孔（從榆次方向數(shù)起），主槽與橋梁軸線一致，然后以外半徑R=305m的弧度向西南方向延伸，至瀟河大橋14#～16#橋墩下穿過(guò)，主槽方向與橋梁軸線一致，然后以外半徑R=647m向西延伸至瀟河大橋下游1.5km處匯入原主槽，見(jiàn)圖2。

方案二

1）治理范圍

治理起點(diǎn)為北合流新橋，終點(diǎn)至瀟河大橋下游450 m處。

2）主槽走向

起點(diǎn)為北合流新橋第三孔橋孔至第五個(gè)橋孔（從榆次方向數(shù)起），與方案一一致，主槽與橋梁軸線一致，然后以外半徑R=226m的弧度向西南方向延伸，至瀟河大橋17#～19#橋墩下穿過(guò)，主槽方向與橋梁軸線一致，然后向西延伸至距瀟河大橋下游450 km處匯入原主槽，見(jiàn)圖2。

方案三

1）治理范圍

治理起點(diǎn)為涂河匯入口，終點(diǎn)至瀟河大橋下游640 m處。

2）主槽走向

起點(diǎn)為涂河匯入口，然后以外半徑R=130 m的弧度向西南方向延伸，至瀟河大橋20#～22#橋墩下穿過(guò)，主槽方向與橋梁軸線一致，然后向西延伸至距瀟河大橋下游640 m處匯入原主槽，見(jiàn)圖2。

圖2 設(shè)計(jì)方案布置圖

4.4.2 方案選取

將上述三方案進(jìn)行比選，三種方案整治后橋墩軸線與主槽水流方向均一致，阻水比均減小，但方案三開(kāi)挖護(hù)砌主槽約1000 m，比方案一（開(kāi)挖護(hù)砌主槽500 m）工程量小，與方案二（開(kāi)挖護(hù)砌主槽約900 m）接近。此外由于原河灘均辟為耕地，以原主槽為界，耕地分屬兩個(gè)村，整治后方案三新占耕地約0.03km2比方案一（新占耕地約0.09km2）、方案二（新占耕地約0.05km2）新占用耕地面積小，且新主河槽與原主河槽偏離造成的土地置換面積小。方案一對(duì)涂河入口口位置變動(dòng)最大，對(duì)水流影響最大，方案三稍作改動(dòng)，方案二基本保持不變，若方案三對(duì)涂河入河口進(jìn)行防護(hù)，維持河口穩(wěn)定，對(duì)水流和洪水影響不大。整治后方案三比方案一及方案二轉(zhuǎn)彎半徑小，水流條件不好，但若對(duì)彎道處進(jìn)行防護(hù)加固，減小水流對(duì)岸坡的沖刷，可降低轉(zhuǎn)彎半徑小的影響。綜合考慮方案三的優(yōu)點(diǎn)大于缺點(diǎn)，方案合理可行。因此本次推薦方案三。

4.4.3 整治寬度選擇

由于造床流量是中水河槽整治的控制流量，是造床作用與多年枯水流量過(guò)程綜合造床作用相當(dāng)?shù)哪骋环N流量。因此本次采用造床流量確定主槽拓寬寬度。

1）汛期平均流量

汛期平均流量根據(jù)瀟河大壩1957～2001年實(shí)測(cè)徑流資料，通過(guò)對(duì)資料分析，發(fā)現(xiàn)7～10月份平均流量較大，故汛期平均流量取7～10月份平均流量計(jì)算，得出結(jié)果8.47m3/s。

2）平攤流量

水位與河漫灘相平時(shí)流量對(duì)河床塑造作用最大，稱為平灘流量。平灘流量采用整治河段下游2339m至上游200 m范圍內(nèi)實(shí)測(cè)河道橫斷資料進(jìn)行計(jì)算。采用一維恒定非均勻漸變流方程方法進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果為50 m3/s。

3）造床流量

造床流量是中水河槽整治的控制流量，是造床作用與多年枯水流量過(guò)程綜合造床作用相當(dāng)?shù)哪骋环N流量。它代表了在塑造河床形態(tài)過(guò)程中的主要來(lái)水、來(lái)沙因素。目前在實(shí)際工作中，一般采用下述方法計(jì)算。

涂啟華公式：Q造=56.3Q0.61汛

式中：Q造——計(jì)算造床流量，m3/s；

Q汛——汛期平均流量，m3/s。

通過(guò)對(duì)瀟河大壩水文資料分析，發(fā)現(xiàn)7～10月份平均流量較大，故汛期平均流量取7～10月份平均流量計(jì)算。

各種方法計(jì)算成果見(jiàn)表2。

表2 瀟河瀟河大壩段造床流量計(jì)算成果表 單位：m3/s

4）規(guī)模確定

從以上計(jì)算結(jié)果看，汛期平均流量與平攤流量分別為8.47m3/s與50 m3/s。遠(yuǎn)小于5年一遇洪峰流量522m3/s，如果按汛期平均流量和平灘流量治理，則主槽兩側(cè)灘地將會(huì)頻繁遭遇洪水淹沒(méi)，從而引起左右兩岸村民利益者與河道管理單位的糾紛，給河道管理造成較大的難度。按照洪水計(jì)算結(jié)果5年一遇洪峰流量522m3/s，10年一遇洪峰流量914m3/s，通過(guò)采用明渠均勻流公式初步估算，需要將現(xiàn)有主槽擴(kuò)寬110～195m。將現(xiàn)狀主槽寬度大幅度擴(kuò)寬也將影響兩側(cè)村莊耕地，因此實(shí)施難度較大。

涂啟華公式法所計(jì)算的造床流量為210 m3/s。如前所述，造床流量是中水河槽整治的控制流量，是造床作用與多年枯水流量過(guò)程綜合造床作用相當(dāng)?shù)哪骋环N流量。它代表了在塑造河床形態(tài)過(guò)程中的主要來(lái)水、來(lái)沙因素。以此流量進(jìn)行河道整治，即可以保持河槽形態(tài)的穩(wěn)定，避免河槽過(guò)度淤積沖刷；也可以宣泄一定標(biāo)準(zhǔn)的流量，避免左右兩側(cè)灘地遭洪水頻繁侵襲，便于河道管理；同時(shí)使整治斷面規(guī)模適中，利于實(shí)施。因此，選擇造床流量作為整治方案的標(biāo)準(zhǔn)較為合理可行。

本工程主河槽行洪流量確定為210 m3/s，按《水利計(jì)算手冊(cè)》梯形斷面河槽恒定均勻流公式計(jì)算河道正常水深。

式中：Q——設(shè)計(jì)洪峰流量，210 m3/s；

b——渠道的底寬，55m；

按照國(guó)際SOLAS公約要求，船舶實(shí)施國(guó)際保安規(guī)則需要對(duì)自身的安保硬件和標(biāo)識(shí)方面進(jìn)行改造，2004年7月1日前建造的國(guó)際營(yíng)運(yùn)船舶，需要在2004年7月1日前實(shí)施。2004年7月1日之后建造的船舶，需要在船舶正式營(yíng)運(yùn)前按公約要求完成。

m——邊坡系數(shù)，2；

i——水力坡降，0.000286；

n——河道糙率，取0.0275。

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)主河槽行洪流量為210 m3/s，主河槽水深2.95m，主槽岸墻高3.0 m。

主槽拓寬55m洪水位計(jì)算成果見(jiàn)表3

表3 主槽拓寬55m洪水位計(jì)算成果表

4.4.4 沖刷深度計(jì)算

1）水流平行于岸坡產(chǎn)生的沖刷深度計(jì)算

水流平行于岸坡沖刷深度計(jì)算，采用《水利計(jì)算手冊(cè)》[2]護(hù)岸沖刷按以下公式計(jì)算。

hp——沖刷處的水深，以近似設(shè)計(jì)水位最大深度代替，m；

Vcp——平均流速，m/s；

V允——河床面上允許不沖流速，m/s；

n——與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān)，一般取n=1/4。

經(jīng)計(jì)算，水流平行于岸坡產(chǎn)生的沖刷深度為0.3m。

2）彎道沖刷深度計(jì)算

彎道水流對(duì)凹岸形成沖刷，其沖刷深度采用《水力計(jì)算手冊(cè)》[2]中的與河面寬和曲率半徑之比有關(guān)的系列沖刷計(jì)算公式計(jì)算。

式中：Hmax——最大沖深值，從水面算起；

Hm——計(jì)算斷面平均水深；

B——河面寬；

R1——凹岸曲率半徑。

經(jīng)計(jì)算，彎道水流對(duì)凹岸沖刷深度為1.83～2.54m。

4.4.5 主河槽岸墻設(shè)計(jì)

主河槽岸墻基本斷面形式均為土堤，防護(hù)型式采用斜坡式干砌石和根系較深的草皮護(hù)坡。穩(wěn)定邊坡為1∶2，岸墻高3.0 m，凹岸、橋上下游20 m及涂河入口對(duì)面的迎水面采用干砌石防護(hù)，防護(hù)厚度為0.3m，防護(hù)基礎(chǔ)埋深1.5m。其余河段的迎水面采用根系較深的草皮護(hù)坡。背水面直接與現(xiàn)狀灘面斜接。岸墻回填土料采用河床開(kāi)挖料，或就近取用。

4.4.6 防沖設(shè)計(jì)

本工程主河槽的行洪流量為210 m3/s，經(jīng)計(jì)算，洪水時(shí)堤腳沖刷深度為1.83m，凍土厚0.9m，為保證基礎(chǔ)安全，本次基礎(chǔ)取為1.5m。為了防止彎道凹岸段、橋梁上下游和涂河入口段河流沖刷對(duì)岸墻的破壞，對(duì)岸墻采用石籠護(hù)腳保護(hù)，堤腳防護(hù)共兩層：上層寬度10 m，石籠厚500 mm；下層寬度5m，石籠厚500 mm。

5 結(jié)語(yǔ)

瀟河大橋設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，經(jīng)防洪影響評(píng)價(jià)該橋?qū)拥佬泻樵斐奢^大影響。針對(duì)此影響本文根據(jù)河道現(xiàn)狀及橋梁設(shè)計(jì)提出調(diào)整理順主槽河勢(shì)，拓寬行洪主槽，修建護(hù)岸工程以穩(wěn)定河勢(shì)，控制主槽擺動(dòng)，滿足行洪安全的防治措施，減小橋梁建設(shè)對(duì)河道行洪的不利影響，為其他橋梁建設(shè)采取防洪影響防治措施提供參考。

[1]王燕生.工程水文學(xué)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，1991：142-143.

[2]李 煒.水力計(jì)算手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2006：34-41.432-433.402-403.