某水庫下游跨河橋防洪評價

劉耀宗+翟春明+李陸明

【摘要】跨河橋?yàn)槟乘畮斓呐涮坠こ?，位于壩址下?Km處，為連接兩岸的永久橋梁。橋梁的修建，使工程區(qū)內(nèi)形成環(huán)形交通，提高工程管理的可靠度。橋梁設(shè)計(jì)滿足《防洪標(biāo)準(zhǔn)》要求，橋梁建成后，橋位斷面水位壅高使得橋下凈空有可能不滿足有關(guān)要求，同時可能會對第三方合法水事權(quán)益產(chǎn)生影響，但不會對河道行洪以及對下游河段的河勢造成影響。

【關(guān)鍵詞】跨河橋；防洪評價

【Abstract】River bridge for a reservoir supporting projects， located in the lower reaches of the dam 2Km， to connect the two sides of the permanent bridge. The construction of the bridge， so that the formation of circular traffic within the project area to improve the reliability of project management. Bridge design to meet the "flood control standards" requirements， after the completion of the bridge， the bridge level water level obstruction makes the bridge under the clearance may not meet the requirements， and may have a third party legitimate water rights have an impact， but not on the river flood As well as the river reaches the lower reaches of the river.

【Key words】River bridge；Flood control evaluation

1. 概述

某水庫位于河道最后一段峽谷出口處，跨河橋?yàn)樗畮斓呐涮坠こ?，位于壩址下?Km處，為連接兩岸的永久橋梁。跨河橋的修建，為水庫施工期兩岸施工物料和施工設(shè)備的高強(qiáng)度運(yùn)輸起到非常重要的作用。水庫建成后，橋梁連接兩岸，使得工程區(qū)內(nèi)形成環(huán)形交通，提高工程管理的可靠程度，并與地方交通規(guī)劃相協(xié)調(diào)，修建該跨河橋十分必要。

2. 基本情況

2.1橋梁等級及技術(shù)指標(biāo)?？绾訕?yàn)榇笮蜆蛄海罁?jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB50201-94）[1]規(guī)定，橋梁設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)采用50年一遇洪水設(shè)計(jì)，水庫建成后設(shè)計(jì)洪峰流量為2820m3/s，相應(yīng)設(shè)計(jì)洪水位173.38m。橋梁全橋跨越河道，設(shè)計(jì)梁底高程為179.187m，全橋范圍內(nèi)設(shè)計(jì)采用的最低沖刷線高程為154.30m。

2.2河道基本情況。

2.2.1河道概況?？绾訕蛭挥趬沃分料掠嗡恼炯s9Km的河段內(nèi)。從壩址～水文站為河道干流最后一個峽谷段，區(qū)間匯流面積有限，加之該區(qū)間流域植被良好，水土流失輕微。該河段為砂卵石河床，其間有局部基巖出露，兩岸為山體，河谷狹窄，坡陡流急，兩岸山體間寬度約400m，主槽靠近左岸山體，寬度約150m，多年來流勢穩(wěn)定。

2.2.2地質(zhì)條件。

（1）橋位區(qū)橋梁起點(diǎn)和終點(diǎn)處均有基巖出露，巖性為奧陶系下統(tǒng)灰色含燧石結(jié)核白云質(zhì)巖、條帶狀細(xì)晶白云巖、泥灰?guī)r，巖體較為完整，無大的結(jié)構(gòu)面及不良地質(zhì)體分布。根據(jù)鉆孔資料，橋位區(qū)地層按成因分為上部第四系河流沖積覆蓋層和下部奧陶系白云質(zhì)灰?guī)r。

（2）地勘資料表明，該河段河床按顆粒的粗細(xì)自上而下劃分為3層。表層為含細(xì)砂的蠻石層，厚度1～6m。頂部分布有較多的特大蠻石，一般直徑1～3m，局部夾有粉砂和砂壤土薄層；中層為含細(xì)砂蠻石的粗礫層，厚度2～12m。其頂面1.5～3.0m大部分呈膠結(jié)或半膠結(jié)狀，頂部高程一般在174～177m；底層為含細(xì)砂的中礫層，頂面高程一般在166～168m，其頂面普遍沉積有壤土、砂壤土和粉砂層。

3. 河道演變

3.1歷史和現(xiàn)狀河道演變情況。

（1）橋位河段為山區(qū)河道，兩岸為山體，河谷狹窄，坡陡流急，兩岸山體間寬度約400m，主槽靠近左岸山體，寬度約150m，多年來流勢穩(wěn)定。

（2）該河段河床為砂卵石河床，其間有局部基巖出露，表層為含細(xì)砂的蠻石層，厚度1～6m。頂部分布有較多的特大蠻石，一般直徑1～3m，局部夾有粉砂和砂壤土薄層，多年來河床穩(wěn)定，沖淤變化甚微。

3.2河道演變趨勢分析。

（1）橋梁位于水庫下游約2Km，泄洪洞出口位于橋梁上游約700m。泄洪洞泄流時挑射水流具有強(qiáng)大的沖刷作用，會在建筑物下游產(chǎn)生一定范圍的沖坑。

（2）在水庫工程可行性研究階段，對水庫下游沖坑進(jìn)行了水力學(xué)計(jì)算，結(jié)果為：泄洪洞最大挑距為147.04m，沖坑深度為45.32m，其最大影響范圍距泄水建筑物出口約510m，距橋梁約為170m。同時，對沖坑進(jìn)行的實(shí)體模型試驗(yàn)成果為：沖坑深度約20m，影響范圍距泄水建筑物出口約170m，距橋梁約500m。由于水庫下游沖坑問題復(fù)雜，為安全起見，采用水力學(xué)計(jì)算的結(jié)果，水庫沖坑邊緣距橋梁最小距離約170m。由于水庫泄洪洞下游沖坑的影響范圍距離橋梁較近，橋位河段的河勢可能發(fā)生改變，在全橋范圍內(nèi)均有可能演變?yōu)橹鞑邸?/p>

4. 防洪評價

4.1水文分析計(jì)算。

4.1.1氣象。

（1）跨河橋橋位以上流域?qū)俑睙釒Ъ撅L(fēng)區(qū)。冬季受蒙古高壓控制，氣候干燥、寒冷；春季很少受西南季風(fēng)影響，雨量增加有限；夏季西太平洋副高增強(qiáng)，暖濕海洋氣團(tuán)從西南、東南方侵入到本流域，同時又處于西風(fēng)帶環(huán)流影響下，冷暖空氣交換頻繁，故雨量特別集中。7月～8月雨量占全年的40%以上。最大月雨量出現(xiàn)在7月，最高溫度一般出現(xiàn)在6、7月份。

（2）橋位附近無實(shí)測氣象資料，借用10Km外的氣象站資料加以說明。該氣象站統(tǒng)計(jì)的多年資料為，多年平均降雨量為600.3mm，年平均氣溫14.3℃，1月份平均氣溫最低，其值為0.2℃，極端最低氣溫為-18.5℃；7月份平均氣溫最高，其值為27.0℃，極端最高氣溫出現(xiàn)在6月份，達(dá)42.0℃。年平均蒸發(fā)量為1611mm，無霜期180d左右。

4.1.2設(shè)計(jì)洪水。橋梁位于水庫下游2Km處，水庫建成時間晚于橋梁，水庫建成后會對橋位設(shè)計(jì)洪水產(chǎn)生影響，因此需分別分析水庫建成前、后橋位處的設(shè)計(jì)洪水。

（1）天然設(shè)計(jì)洪水。橋位斷面下游約7Km處為某水文站，橋梁至某水文站區(qū)間面積占整個流域面積比例很小且無支流加入，因此選用該水文站作為本工程所在河段天然設(shè)計(jì)洪水計(jì)算的代表站。該水文站有48年洪水系列，其中1895年按特大值加入計(jì)算，重現(xiàn)期為104年，成果通過了水利部規(guī)劃設(shè)計(jì)總院審查。本計(jì)算將資料延長8年，相應(yīng)調(diào)整重現(xiàn)期，與原計(jì)算成果相比差別不大，考慮到工程設(shè)計(jì)的安全性，且原設(shè)計(jì)洪水成果也已通過審查，故本設(shè)計(jì)洪水成果仍采用原計(jì)算成果。

（2）水庫建成后設(shè)計(jì)洪水。橋梁與水庫間沒有支流加入，水庫建成后可直接將水庫設(shè)計(jì)下泄流量作為橋位處設(shè)計(jì)洪水。

4.1.3現(xiàn)狀水位流量關(guān)系。橋位斷面的水位流量關(guān)系推求采用水力學(xué)曼寧公式：

Q= 11 nR2/3I1/2A （1）

4.1.3.1由現(xiàn)場實(shí)測資料，橋位處斷面兩岸間距約400m，為復(fù)式斷面。在推求水位流量關(guān)系時，把斷面劃分為主槽和灘地，依據(jù)實(shí)測斷面資料及洪水調(diào)查點(diǎn)推求水位流量關(guān)系。在橋位附近分別調(diào)查到了1982年洪水和2007年洪水的洪痕，相應(yīng)水文站實(shí)測洪峰流量分別為4240m3/s和1060m3/s。在確定橋位斷面現(xiàn)狀水位流量關(guān)系時，小水部分參考了2007年實(shí)測洪水點(diǎn)定線。高水部分以1982年實(shí)測最高水位點(diǎn)作為控制，根據(jù)實(shí)測大水點(diǎn)的上漲趨勢，順勢外延高水部分的水位流量關(guān)系。計(jì)算中比降采用2.50/00～4.00/00，灘地糙率采用0.07～0.09，主槽糙率采用0.035～0.05。按照上述計(jì)算方法，推得橋位斷面水位流量關(guān)系成果見表1。

4.1.3.2本計(jì)算還分析了水庫設(shè)計(jì)采用的壩線水位流量關(guān)系曲線，對橋位斷面計(jì)算成果進(jìn)行比較。在水庫規(guī)劃研究時期，為了滿足水庫前期工作的需要，分析研究了水庫壩下1.3Km處水位流量關(guān)系，該斷面位于橋位斷面上游700m左右，具有一定參考價值。該水位流量關(guān)系分析計(jì)算時采用了歷史實(shí)測資料，參考實(shí)測資料得出的該斷面水位流量關(guān)系曲線比較合理，被水庫所采用。由于水庫壩下1.3Km斷面和橋位斷面相距僅700m，可以相互印證，因此將壩線1.3Km斷面水位流量關(guān)系曲線和橋位斷面水位流量關(guān)系曲線套匯成圖1。

4.1.3.3由圖1可知，在同流量情況下，推求的橋位斷面水位平均低于水庫壩下1.3Km處水位1.8m左右，比較符合該河段的實(shí)際水面比降情況，兩條曲線線形相似，可以認(rèn)為本推求的斷面水位流量關(guān)系是比較合理的。

4.1.4設(shè)計(jì)洪水位。

（1）依據(jù)國家《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB50201-94）規(guī)定，跨河橋設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)采用50年一遇洪水設(shè)計(jì)。水庫建成前設(shè)計(jì)洪峰流量為4790m3/s，水庫建成后為2820m3/s。

（2）根據(jù)以上計(jì)算的設(shè)計(jì)洪水成果和水位流量關(guān)系曲線，求得橋位斷面處水庫建成前后的設(shè)計(jì)洪水位分別為175.32m、173.38m。

4.1.5橋位斷面水力因子。

（1）根據(jù)水庫建成前后流量與洪水位數(shù)值，經(jīng)分析計(jì)算，橋位斷面水力因子計(jì)算成果見表2和表3。

跨河橋全橋跨越河道，建橋后河道內(nèi)的橋墩占據(jù)了部分行洪斷面，建橋前后過水面積變化見表4。

4.2壅水分析計(jì)算。

4.2.1橋前壅水。

4.2.1.1橋前壅水計(jì)算包括橋前最大壅水高度和壅水曲線長度。根據(jù)《鐵路工程水文勘測設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]推薦計(jì)算公式如下。

（1）橋前最大壅水高度計(jì)算采用公式：

ΔZM=η（υ-1M2-υ-12） （2）

（2）壅水曲線長度計(jì)算采用公式：

Ly = 2ΔZM1I0 （3）

4.2.1.2根據(jù)公式分別對水庫建成前后橋前壅水情況進(jìn)行計(jì)算，其壅水值和壅水曲線長度見表5。

4.2.2橋墩沖高。

4.2.2.1建橋后，在橋墩的迎水面，水流會產(chǎn)生沖高現(xiàn)象，其值隨流速的增大而增大。采用《水力學(xué)與橋涵水文》[3]中推薦如下公式計(jì)算：

Δh墩 =0.2V0 134 （4）

4.2.2.2經(jīng)計(jì)算，水庫建成前后橋位斷面50年一遇洪水時橋墩沖高分別為2.18m和1.85m。

4.2.3波浪高度。波浪高度參照《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL319-2005）[4]附錄二中的公式進(jìn)行計(jì)算：

2h=0.0166V 5 1 4D 11 3（5）

經(jīng)計(jì)算，水庫建成前后波浪高度分別為0.47m和0.41m。

4.3沖刷分析計(jì)算。

4.3.1一般沖刷計(jì)算。

4.3.1.1主河槽一般沖刷。《公路工程水文勘測設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]（以下簡稱“公路水文規(guī)范”）64-2推薦的簡化公式為：

hp=1.04Ad Q21 QC0.90BC 1 （1-λ）μBcg0.66·hcm（6）

Q2= Qc1Qc+Qt1 QP （7）

“公路水文規(guī)范”64-1修正式

hp= Ad Q21μBcj （hcm 1 hcq ）5/31 Ed-11/6 3/5（8）

4.3.1.2灘地一般沖刷?！肮匪囊?guī)范”推薦使用如下公式

hp= Q1 1 μBtj htm 1 htq 5/3 1 VH1 5/6（9）

Q2=Qc1Qc+Qt1Qp（10）

4.3.1.3一般沖刷深度的選定。按以上各種方法分析計(jì)算，水庫建成前后跨河橋一般沖刷計(jì)算結(jié)果見表6。

為安全考慮，水庫建庫前主槽一般沖刷水深取17.54m，水庫建庫后主槽一般沖刷水深取14.80m。

4.3.2局部沖刷計(jì)算。

4.3.2.1局部沖刷計(jì)算。

（1）采用“公路水文規(guī)范”65-2推薦的公式進(jìn)行計(jì)算。

當(dāng)V V0 ，hb=KξKη2 B10.6hp0.15V-V0'1V0；（11）

當(dāng) V> V0 ， hb=KξKη2 B10.6hp0.15V-V0'1V0n2；（12）

計(jì)算得水庫建成前主槽、左灘和右灘的局部沖刷深度分別為3.20m、1.44m和1.37m；水庫建成后主槽、左灘和右灘的局部沖刷深度分別為2.95m、0.71m和0.78m。

（2）“公路水文規(guī)范”65-1修正式

當(dāng) V V0 ，hb=KξKη1 B10.6（V-V0'）； （13）

當(dāng) V> V0 ， hb=KξKη1 B10.6（V-V0'） V-V0'1V0-V0'n1 ；（14）

計(jì)算得水庫建成前主槽、左灘和右灘的局部沖刷深度分別為2.17m、1.06m和1.11m；水庫建成后主槽、左灘和右灘的局部沖刷深度分別為1.81m、0.53m和0.59m。

4.3.2局部沖刷深度的選定。以上局部沖刷計(jì)算結(jié)果匯總見表7。由于兩公式計(jì)算結(jié)果比較接近，可認(rèn)為本計(jì)算結(jié)果比較合理，因此采用表中兩公式計(jì)算局部沖刷深度的較大值作為局部沖刷深度。

4.3.3水庫建成后下游河床的沖刷計(jì)算。

4.3.3.1水庫修建后，由于水庫下泄清水而導(dǎo)致壩下游河道發(fā)生沖刷，參考鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊《橋渡水文》[6]中水壩下游河床沖刷計(jì)算情況進(jìn)行計(jì)算分析。

4.3.3.2一般情況下，當(dāng)河床在一定深度內(nèi)有巖層、卵石層的情況下，河床淤積物中有65%以上的顆粒是沖不動時，則該河床為沖不動層的河床。在具有沖不動層的河床上，由于水庫下泄清水而導(dǎo)致的河道沖刷深度幾乎為0。因此，首先計(jì)算壩下游河床中不沖顆粒的下限粒徑（即抗沖粒徑），采用公式：

d0 = v15.45h-10.142.78（15）

4.3.3.3水庫下泄設(shè)計(jì)流量為2820m3/s時，河槽平均水深 h-1=6.59m，相應(yīng)平均流速 v=3.15m/s，代入上式求得抗沖粒徑 d0=0.10m。

4.3.3.4根據(jù)地勘資料，河床表層為含細(xì)砂的蠻石層，厚度1～6m。頂部分布有較多的特大蠻石，一般直徑1～3m，局部夾有粉砂和砂壤土薄層。查床沙級配曲線圖可知，床沙表層大于粒徑0.10m的沙重百分?jǐn)?shù)為75.5%，該值大于65%，因此該河段有沖不動層的河床。所以水庫建成后壩下河床基本上不會因?yàn)樗畮煜滦骨逅l(fā)生沖刷下切。但由于橋梁距離水庫泄洪洞較近，其沖坑影響范圍距橋梁僅170m，為安全起見，考慮水庫修建后橋位斷面沖刷下切1m。

4.3.4總沖刷計(jì)算結(jié)果。

4.3.4.1一般沖刷深度加局部沖刷深度，水庫建成后還要考慮水庫修建下泄清水對河道沖刷的影響，可求得橋位總沖刷深度，設(shè)計(jì)水位減去總沖刷深度，即得最低沖刷線高程?？绾訕蛑鞑酆蜑┑氐目倹_刷水深和最低沖刷線高程成果見表8至表10。

4.3.4.2如前所述，由于水庫建成后沖坑的影響范圍距離橋梁較近，橋位斷面主槽位置將可能在全斷面范圍內(nèi)發(fā)生變化，因此在橋梁設(shè)計(jì)時全斷面的沖刷深度都應(yīng)按照主河槽的最低沖刷線來確定，以確保橋梁安全。

5. 防洪綜合評價

5.1與現(xiàn)有水利規(guī)劃的關(guān)系與影響分析。

（1）水庫在橋梁上游約2Km處，橋梁建設(shè)對水庫沒有影響。橋梁距離泄洪洞出口約700m，水庫建成后，泄洪洞下游將會形成一定范圍的沖坑，根據(jù)水力學(xué)計(jì)算和實(shí)體模型試驗(yàn)有關(guān)研究成果，水庫建成后，沖坑的影響范圍距離橋梁約170m，橋梁在泄洪洞沖坑以外。

（2）當(dāng)水庫沖坑沖刷出來的淤積物運(yùn)動到?jīng)_坑邊緣后，水流流速降低，挾沙能力下降，部分粒徑較大的淤積物將有可能堆積到橋位斷面上游，導(dǎo)致水位抬高。水庫建成后，橋位斷面50年一遇洪水洪峰流量將由4790m3/s削減到2820m3/s，相應(yīng)洪水位由175.32m降低到173.38m，橋梁凈空值將增加約2m，但由于沖坑內(nèi)沖刷出來的淤積物及沖坑的發(fā)展有一定的不確定性，橋位斷面水位壅高使得橋下凈空有可能不滿足有關(guān)要求。

5.2與現(xiàn)有防洪標(biāo)準(zhǔn)、有關(guān)技術(shù)要求和管理要求的適應(yīng)性分析。

（1）依據(jù)國家《防洪標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，橋梁防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇洪水?，F(xiàn)狀條件下，橋位斷面設(shè)計(jì)洪水洪峰流量為4790m3/s，水庫建成后為2820m3/s，橋梁設(shè)計(jì)分別考慮了水庫建成前后的設(shè)計(jì)洪水成果，滿足《防洪標(biāo)準(zhǔn)》要求。

（2）橋位河段無通航要求，橋梁梁底高程應(yīng)滿足設(shè)計(jì)洪水位、橋前最大壅水高度、波浪高度、橋墩沖高和橋下凈空等要求。設(shè)計(jì)洪水條件下，其設(shè)計(jì)洪水位為175.32m，橋前最大壅水高度為0.43m，橋墩沖高和波浪高度取其大者為2.18m，洪水期漂浮物高度取0.5m，橋下凈空取0.5m，則橋梁梁底高程應(yīng)不低于178.93m。橋梁設(shè)計(jì)梁底高程為179.187m，滿足有關(guān)技術(shù)和管理要求。

5.3對行洪安全的影響分析。

（1）河道管理范圍定義為“在無堤防的河道，其管理范圍根據(jù)歷史最高洪水位或者設(shè)計(jì)洪水位確定” [7]。另根據(jù)“干流1982年洪水為有記錄的歷史最高洪水位……，該洪水邊界線以下范圍為河道管理范圍?！?

（2）橋位斷面1982年洪水位為174.97m（相應(yīng)水文站洪峰流量為4240m3/s），50年一遇設(shè)計(jì)洪水位為175.32m，橋梁右岸填方部分位于歷史最高洪水位和設(shè)計(jì)洪水位以上，橋梁全橋跨越，未侵占河道。橋梁修建后橋墩阻水面積約占過洪斷面的12%，50年一遇洪水時，水庫建成前后橋位斷面壅水高度分別為0.43m和0.30m，橋梁兩岸為山體，無堤防和防洪設(shè)施，對河道行洪無影響。

5.4對河勢穩(wěn)定的影響分析。

（1）橋梁建設(shè)后，由于橋墩的存在，改變了周圍的水流結(jié)構(gòu)，從而對局部流勢造成影響?？紤]到水庫修建后，由于泄洪可能導(dǎo)致橋位河段河勢有很大的不確定性，橋梁設(shè)計(jì)采用了直徑為1.6m的圓柱形橋墩，對河勢的影響較小。

（2）從橋梁以下到下游水文站約7Km的河段內(nèi)，兩岸為山體，無防洪要求，無堤防和控導(dǎo)工程，該河段有5個連續(xù)的自然山灣作為控制節(jié)點(diǎn)，即便橋位斷面流勢發(fā)生變化，經(jīng)過下游山灣的導(dǎo)流作用后，河勢仍能夠得以調(diào)整恢復(fù)，不會對下游河段的河勢造成影響。

5.5對現(xiàn)有防洪工程及河道整治工程影響分析。橋位河段無防洪工程和河道整治工程，對防洪工程和河道整治工程無影響。

5.6對第三人合法水事權(quán)益的影響分析。

（1）橋梁上游約1.6Km處為暗渠引水電站，橋梁設(shè)計(jì)水位下壅水曲線長度僅為306m，對該電站無影響。

（2）橋梁下游約700m處為引水二級電站。引水暗渠從橋梁下面第一孔跨內(nèi)通過，距離1#橋墩約4.4m，橋梁施工過程中有可能對該引水暗渠產(chǎn)生影響。橋梁建成后，若橋梁第一孔跨過流，由于1#橋墩的擾流作用，有可能會對引水暗渠產(chǎn)生影響。

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[文章編號]1619-2737（2017）06-20-505

[作者簡介] 劉耀宗（1972-），男，漢族，河南省光山縣人，高級工程師，河南省前坪水庫溢洪道工程項(xiàng)目經(jīng)理，研究方向：長期從事水利水電工程施工與技術(shù)工作。