基于GIS的青弋江特大橋防洪評價

楊潤江　米鴻燕　曹帥帥

摘要 由于經(jīng)濟發(fā)展的需要，在蕪湖縣紅楊鎮(zhèn)方山村上街附近擬建青弋江特大橋。按照設(shè)計方案，根據(jù)橋梁對河道防洪安全的影響，進行防洪評價計算。通過水文分析計算、沖刷與淤積分析計算以及岸堤的穩(wěn)定性分析計算等，分析工程項目對河道的行洪、河勢的穩(wěn)定、防汛搶險工作、堤防安全、周邊環(huán)境以及河道通航能力的影響，并提出防治與補救措施，包括對河道行洪能力的補救措施，河道岸坡影響的防治措施以及對防洪大堤影響的防治措施等。

關(guān)鍵詞 地理信息系統(tǒng)；青弋江特大橋；防洪評價；行洪安全

中圖分類號 S2 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）01-0200-03

Flood Control Evaluation of Qingyijiang Grand Bridge Based on GIS

YANG Runjiang， MI Hongyan， CAO Shuaishuai

（Faculty of Land Resources Engineering， Kunming University of Science and Technology， Kunming， Yunnan 650093）

Abstract Qingyijiang grand bridge was planned to be built nearby Shangjie Street， Fangshan Village， Hongyang Town， Wuhu County. According to the design scheme and influence of bridge on flood control， the ability of flood control of the bridge was calculated. Through hydrological analysis and calculation， scour and deposition analysis， embankment stability calculation， effects of the project on flood carrying capacity， stability of river regime， emergency protection in flood defense， embankment safety， surrounding environment and river navigation ability were studied. Prevention and remedial measures were proposed， including remedial measures of flood carrying capacity， river slope impact mitigation measures， as well as control measures of flood control embankment.

Key words GIS；Qingyijiang grand bridge；Evaluation of flood control；Flood safety

近年來，隨著國家整體經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，國家對基礎(chǔ)設(shè)施的投入逐年增大，交通路網(wǎng)日趨完善，跨河橋梁建設(shè)日益增多。河道管理范圍內(nèi)日益增多的跨河橋梁對促進交通運輸、社會經(jīng)濟發(fā)展等多方面發(fā)揮著重要的作用，但同時也對河道行洪、河勢穩(wěn)定、河道管理等產(chǎn)生了不利影響。在河道上修建跨河建筑物，直接影響到河道的行洪安全以及建筑物本身的穩(wěn)定安全，因此，對跨河建筑物項目進行防洪影響評價十分重要。

在蕪湖縣境內(nèi)新建的青弋江特大橋占用了河道，近堤橋墩的布設(shè)對堤防安全有不利影響，應(yīng)對影響范圍內(nèi)的堤防及近堤橋墩周邊進行防滲處理，確保堤防安全。河道內(nèi)橋墩侵占了行洪斷面，對河道行洪有一定影響，應(yīng)對橋梁雍水影響河段進行行洪斷面補償，并根據(jù)河道行洪斷面補償方案，復(fù)核、調(diào)整橋墩和承臺設(shè)計，橋墩承臺頂高程不得高于實施斷面補償工程后的河底線高程。為保證防洪工程和橋梁自身安全，應(yīng)對橋梁上下游一定范圍內(nèi)的岸坡、堤坡進行防護。

作為擴能改造工程，青弋江特大橋橫跨青弋江，工程的建設(shè)必然會對河道上下游河道防洪、航道規(guī)劃、橋位河道的河勢穩(wěn)定、堤防滲流穩(wěn)定和安全以及河道通航等方面產(chǎn)生較大影響。為此，筆者就針對擴能改造工程青弋江特大橋?qū)Ψ篮榘踩挠绊戇M行評價，并且提出建議消除其不利影響。

1 河道基本情況

青弋江位于的安徽省蕪湖縣，在長江右岸，青弋江水系陳村水庫以上呈扇形分布，西河鎮(zhèn)以下進入水網(wǎng)圩區(qū)。青弋江特大橋擬建于蕪湖縣紅楊鎮(zhèn)方山村上街附近，大橋左岸紅星圩堤防堤經(jīng)過多年培修加固，可防御1996年型（相當(dāng)于20年一遇）洪水[1]。青弋江大橋跨越處斷面下游100 m處有一行人渡口，上窯渡口，以方便兩岸居民往來。

2 評價計算

2.1 水文分析計算

流量計算根據(jù)水力學(xué)方法進行，河槽與灘地部分設(shè)計流量計算式為[2]

式中，Qc為天然狀態(tài)下河槽部分設(shè)計流量（m3/s）；Ac為河槽面積（m2）；

C為謝才系數(shù)；i為洪水期水面比降（‰）；n為河床糙率；R為水力半徑（m）。

通過以上計算式，計算出各設(shè)計洪水條件下通過橋址斷面的設(shè)計流量，具體見表1。

根據(jù)水利部長江水利委員會長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究院編制的《青弋江分洪道工程可行性研究報告》中對蕪湖市內(nèi)河流量進行了相關(guān)分析[3]。根據(jù)分析成果得出工程橋位處流量，見表2。

通過上述分析成果與水力學(xué)法計算成果的比較，水力學(xué)法計算的成果與報告中的成果接近，故橋址處（現(xiàn)狀）流量采用水力學(xué)計算的成果。青弋江分洪道工程實施后，上游來水量經(jīng)十甲任節(jié)制閘調(diào)控，支叉河流上的生態(tài)閘將封堵來水，來水量經(jīng)上潮河分洪后，其余全部下泄至灣沚。規(guī)劃后的橋址設(shè)計流量采用由十甲任節(jié)制閘閘下設(shè)計流量和灣沚設(shè)計流量按距離內(nèi)插推求。

2.2 壅水分析計算

建橋后，由于橋墩占用過水?dāng)嗝婷娣e和對河道水流的阻礙作用，致使橋前雍水抬高水位。同時，橋下河道水流流速增大，橋墩周圍的水流在河床附近形成淘刷漩渦，引起河床的一般沖刷和橋墩局部沖刷。雍水高度及沖刷深度與過流條件、河道斷面、橋址河段土壤特性、橋墩幾何形狀等因素有關(guān)，現(xiàn)根據(jù)有關(guān)規(guī)范和資料分別進行分析。

2.2.1 壅水高度計算。

橋前最大壅水高度：

建橋后由于橋墩減少了過水面積，壓縮水流使橋前水位壅高。根據(jù)《公路橋位勘測設(shè)計規(guī)范》（JTJ062—91），橋前最大壅水高度采用下式計算[4]：

式中，η為系數(shù)，根據(jù)河灘過水能力而定，取0.05； 0為天然狀態(tài)下橋孔部的平均流速（m/s）； m為 橋下平均流速（m/s）。

橋下壅水高度：根據(jù)《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》（JTJ062—2002），橋下壅水高度采用 1 2 ΔZ[5]。

2.2.2 壅水曲線長度計算。

壅水曲線長度近似估算式為

式中， I為計算河段天然河底比降，取0.099‰；△Z為橋前最大壅水高度（m）。

根據(jù)計算結(jié)果，該方案的橋墩布局設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)條件下允許沖刷系數(shù)為1.10，滿足《橋涵水文》允許范圍（<1.40）[6]。青弋江特大橋壅水高度、壅水曲線長度計算結(jié)果見表3。

3 防洪綜合評價

3.1 與有關(guān)規(guī)劃的關(guān)系與影響

在《青弋江分洪道工程可行性研究報告》中，工程河段的主要規(guī)劃內(nèi)容為左岸紅星圩加高加固堤防，以防御1996年型洪水[7]。紅星圩堤防加高培厚工程，2008年蕪湖市“萬畝圩達標(biāo)工程”中該工程已實施完成。工程河段暫無新的水利與防洪規(guī)劃，因此該工程的建設(shè)對青弋江跨越河段綜合規(guī)劃、防洪規(guī)劃、岸線規(guī)劃及河道治理等水利規(guī)劃的設(shè)施均無明顯影響。

3.2 與航道規(guī)劃的關(guān)系影響

根據(jù)《安徽省內(nèi)河航運發(fā)展規(guī)劃》中確定的內(nèi)河航運發(fā)展規(guī)劃，青弋江弋江鎮(zhèn)至清水段將按Ⅴ級航道標(biāo)準(zhǔn)進行航道整治，橋位處規(guī)劃最高通航水位為12.50 m（10年一遇）[8]。該線路跨越工程在設(shè)計過程中，設(shè)計方已與航道主管部門進行了接洽， 編制了該工程的航道論證，現(xiàn)青弋江跨越段橋墩設(shè)置及架空高度方案充分考慮青弋江航道整治因素，所以該工程的建設(shè)對航道規(guī)劃無明顯影響。

3.3 對行洪能力的影響

根據(jù)橋梁設(shè)計方案，建橋后，橋墩阻水減少了河道有效行洪斷面面積，降低了河道行洪能力，在橋址附近形成壅水。經(jīng)計算，在不同設(shè)計洪水條件下，大橋橋前壅水最大高度為0.037 m，阻水面積占過水河道面積最大的為8.70%。因此，建橋后對河道行洪能力產(chǎn)生了一定影響。

3.4 對堤防滲流穩(wěn)定及安全的影響

跨青弋江大橋工程在左岸大堤內(nèi)側(cè)布置有支墩，根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》，應(yīng)進行堤防滲流穩(wěn)定分析[9]。根據(jù)青弋江特大橋工程地質(zhì)勘察報告成果，當(dāng)?shù)袒翆又写嬖谕杆暂^強的砂層、砂壤土層、古河道時，存在堤基滲漏穩(wěn)定問題。擬建橋址處堤基土層結(jié)構(gòu)分為4層，1、2、3層均為粉質(zhì)黏土，厚度為20.0 m，4層為粗圓礫土，厚度為20.2 m。表層黏性土厚度大于5.0 m，厚度較深，堤基滲透變形的可能性較小。

根據(jù)橋梁設(shè)計方案，橋墩布置在左岸紅星圩堤身斷面以內(nèi)，橋墩中心線距離背水坡堤頂約10.2 m，橋梁設(shè)計方案不符合《堤防工程設(shè)計規(guī)范》規(guī)定。橋墩樁基礎(chǔ)施工時，開挖面積較大，容易造成堤身塌方，且鉆孔灌注樁需穿透堤基黏土覆蓋層，會造成承臺和樁周圍土體擾動，導(dǎo)致橋墩基礎(chǔ)與堤身結(jié)合部位防滲能力減弱或失效；洪水期間，由于堤身斷面被侵占，縮短了滲透路徑，加之橋墩與堤身接觸部位土體易松動，一旦堤防在洪水中浸泡時間過長，很容易產(chǎn)生滲流。橋梁建成投入運用后，橋墩受動載作用而產(chǎn)生的震動，會消弱橋墩與周圍土體的結(jié)合，受水流作用易導(dǎo)致岸坡崩塌，對堤防安全及穩(wěn)定構(gòu)成影響。

3.5 工程施工建設(shè)對防洪的影響

工程施工建設(shè)對防洪的影響主要是施工期間在河道內(nèi)堆放施工器材、工具和構(gòu)筑的施工圍堰等阻水物。因此工程施工期應(yīng)安排在非汛期進行，汛期來臨前應(yīng)清除河道及灘地施工區(qū)一切臨時建筑物、施工器材、施工圍堰等，以恢復(fù)河道原有的行洪能力。

3.6 工程施工對水質(zhì)及環(huán)境的影響

為保障下游居民飲用水安全，施工單位應(yīng)加強對施工設(shè)備的管理與維修保養(yǎng)，杜絕泄露石油類等有害污染物質(zhì)進入水體，避免對水體產(chǎn)生污染。另外，施工中應(yīng)注重環(huán)境保護及水土保持，避免對岸坡林草植被的破壞，以免對環(huán)境造成不利影響。

4 防治措施

由于橋墩阻水挑流的影響，橋址附近河道流速有所增加，流向有可能發(fā)生偏移，將會導(dǎo)致堤防臨水側(cè)和河道岸坡發(fā)生沖刷。另外，設(shè)計橋墩軸線與水流方向夾角為24°，水流方向因受橋墩的影響，將進一步向左岸偏移，水流對左岸頂沖范圍加大，使左岸的沖刷加劇。為保證堤防及河岸坡的安全和河道安全泄洪，工程施工時，應(yīng)對大橋橋梁中心線上游100 m，下游200 m范圍內(nèi)的左岸紅星圩堤防臨水坡采取混凝土護砌，護砌橫向范圍現(xiàn)狀堤頂至主河槽岸坡。

5 結(jié)語

由河床質(zhì)組成和河道比降以及實測斷面的寬深關(guān)系的計算和分析可知，青弋江特大橋橋址附近河段屬穩(wěn)定河段，建橋后，受河槽內(nèi)橋墩阻水影響，橋墩周圍出現(xiàn)局部沖刷，對河勢穩(wěn)定有一定影響。分析計算表明，建橋后，橋墩阻水減少了河道有效行洪斷面面積，不同設(shè)計洪水條件下，橋墩阻水減少斷面行洪面積112～154 m2，最大占行洪斷面面積的8.7%，降低了河道行洪能力，在橋前形成壅水，建橋?qū)拥佬泻槟芰τ幸欢ǖ挠绊?；青弋江特大橋（跨青弋江）設(shè)計方案中橋墩軸線與水流方向夾角為24 °，不滿足橋墩軸線宜與水流方向一致的要求；設(shè)計方案中河道內(nèi)墩臺埋置深度均在標(biāo)準(zhǔn)斷面以下0.5 m之內(nèi)，橋梁建成后，由于水流沖刷作用，致使墩臺露出河底，增加阻水，影響橋梁、航運安全。以上存在的問題需要進一步研究分析，以求能盡量改善。

參考文獻

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