橋梁工程跨越蓄洪區(qū)對防洪的影響評價

張 鵬 季益柱

（中水淮河規(guī)劃設計研究有限公司 合肥 233000）

蓄洪區(qū)是指包括分洪口在內(nèi)的河堤背水面以外臨時貯存洪水的低洼地區(qū)及湖泊等?；春痈闪鳜F(xiàn)有蓄洪區(qū)6處，設計蓄洪量65.44億m3，蓄洪區(qū)的主要作用是蓄滯河道洪量，削減洪峰，減輕河道兩岸堤防和下游的防洪壓力，在歷次大洪水中發(fā)揮了重要作用。

隨著我國社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，交通運輸行業(yè)投資規(guī)模進一步擴大，跨越蓄洪區(qū)的公路橋梁建設項目逐年增多，橋梁建成后，可為蓄洪區(qū)內(nèi)群眾的生產(chǎn)、生活及分洪時撤退轉(zhuǎn)移提供更為有利的交通保障，是保護區(qū)域居民生命和財產(chǎn)安全的交通命脈，建設意義重大。但是橋梁的建設也會帶來一些不利因素，如橋位斷面的過流面積會被壓縮，造成局部流速加大，壅水、沖刷和流態(tài)紊亂等會給蓄洪區(qū)的運用、防汛搶險和水利管理帶來不利影響。鑒于以上情況，在項目建設前對擬建橋梁工程進行相應的計算和分析并作出合理的防洪影響評價是十分必要的。

本文以跨越濛洼蓄洪區(qū)的某省道特大橋工程為例進行分析，通過收集濛洼蓄洪區(qū)基本情況、相關水利規(guī)劃和橋梁工程設計文件等資料，采用規(guī)范推薦的經(jīng)驗公式進行壅水和沖刷分析計算，同時，為更好地分析橋梁建設對濛洼蓄洪區(qū)運用時區(qū)內(nèi)蓄洪水位、分洪歷時、流速過程和水流流場等情況的影響，采用平面二維水流數(shù)學模型對工程前后濛洼蓄洪區(qū)的水流運動進行數(shù)值模擬，根據(jù)分析計算成果給出橋梁工程跨越蓄洪區(qū)對防洪的影響評價結論，并對擬建工程設計和施工提出修改建議及防治與補救措施，減輕或降低工程建設對蓄洪區(qū)安全運用帶來的不利影響。

1 濛洼蓄洪區(qū)和橋梁工程概況

濛洼蓄洪區(qū)是淮河防洪工程體系的重要組成部分，位于安徽省阜南縣境內(nèi)，淮河干流洪河口以下至南照集之間，南臨淮河，北臨濛河分洪道。濛洼蓄洪工程由濛洼圈堤、王家壩進洪閘和曹臺孜退水閘等組成，圈堤長94.3km。濛洼蓄洪區(qū)內(nèi)地面高程一般為26.0～21.0m，地勢由西南向東北傾斜。現(xiàn)狀蓄洪區(qū)總面積180.4km2，設計蓄洪水位27.7m，設計進洪流量1626m3/s，設計蓄洪量7.50億m3。當淮干王家壩水位達29.2m且有繼續(xù)上漲趨勢時，視雨情、水情和工程情況，適時啟用濛洼蓄洪。濛洼蓄洪區(qū)的主要作用是降低淮干王家壩水位，現(xiàn)狀啟用標準約為5年一遇。

擬建橋梁工程位于阜南縣中崗鎮(zhèn)、曹集鎮(zhèn)，在濛洼蓄洪區(qū)內(nèi)布置2座特大橋分別為濛洼特大橋和曹集特大橋，橋梁設計荷載公路-Ⅰ級，設計防洪標準為300年一遇。其中，濛洼特大橋位于曹集鎮(zhèn)北側(cè)，橋梁北側(cè)與濛河分洪道右岸堤防平交，南側(cè)接過渡段路基，橋梁全長約3000m。曹集特大橋位于曹集鎮(zhèn)東側(cè)，橋梁北側(cè)接過渡段路基，南側(cè)接區(qū)內(nèi)縣道，橋梁全長2200m。濛洼蓄洪區(qū)及橋梁工程線路示意見圖1。

圖1 濛洼蓄洪區(qū)及橋梁工程線路示意圖

2 橋梁工程對蓄洪區(qū)運用的影響

橋梁工程的修建對蓄洪區(qū)運用的影響一般包括以下幾個方面：（1）對蓄洪水位的影響；（2）對分洪歷時的影響；（3）對流速過程的影響；（4）對水流流場的影響。上述影響均可利用平面二維水流數(shù)學模型對橋梁工程修建前后濛洼蓄洪區(qū)的水流運動進行數(shù)值模擬后對比分析得到。

2.1 濛洼蓄洪區(qū)二維水流模型

2.1.1 控制方程及計算方法

連續(xù)性方程：

X方向動量方程：

Y方向動量方程：

式中：t為時間；x，y，z為右手 Cartesian 坐標系；d 為靜止水深；h=η+d為總水深；η為水位；u，v分別為流速在x，y方向上的分量；f為科氏力系數(shù)f=2Ωsinθ，Ω為地球旋轉(zhuǎn)的角頻率，θ為當?shù)氐木暥?；ρ為水的密度；?為參考水密度；為地球自轉(zhuǎn)引起的加速度；sxx，sxy，syx和 syy為輻射應力分量；Txx，Txy，Tyx和 Tyy為水平粘滯應力項；Pa為當?shù)氐拇髿鈮?；S 為源匯項，us，vs為源匯項水流流速；τsx，τsy為風場摩擦力在x，y上的分量；τbx，τby為底床摩擦力在x，y上的分量。

采用非結構有限體積法離散控制方程。有限體積法中使用的非結構網(wǎng)格通常由三角形或四邊形網(wǎng)格組成，為了準確擬合蓄洪區(qū)曲折的岸邊界，一般采用三角形網(wǎng)格進行計算。

2.1.2 模型的建立

（1）計算范圍

模型計算采用實測的濛洼蓄洪區(qū)地形資料，計算范圍為整個濛洼蓄洪區(qū)。計算范圍、保莊圩、進出口閘門及特征點示意見圖2。

（2）糙率

圖2 計算范圍及特征點示意圖

濛洼蓄洪區(qū)在進行洪水模擬的過程中，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研、已有項目經(jīng)驗及相關資料的查閱，模型中糙率選用0.05。

（3）網(wǎng)格

采用三角形網(wǎng)格進行計算，模型中對莊臺及橋墩等局部地區(qū)進行網(wǎng)格加密，同時扣除安崗等保莊圩的保護范圍，總共劃分了約30000個網(wǎng)格。模型網(wǎng)格劃分如圖3所示。

（4）時間步長

利用有限體積法計算三角網(wǎng)格的水流模擬時，采用30s作為最大時間步長，0.01s作為最小時間步長。

（5）邊界條件

上游進口邊界采用王家壩閘流量過程，下游出口邊界采用曹臺孜閘流量過程。

2.1.3 模型的驗證

選取2003年濛洼蓄洪區(qū)進洪后區(qū)內(nèi)洪水復演過程對模型進行驗證。選取2003年7月3日0∶00～7月22日0∶00作為模型驗證時段，模擬計算濛洼蓄洪區(qū)兩次進洪過程及第一次退洪過程，上、下邊界條件分別為2003年王家壩閘及曹臺孜閘實測流量過程，驗證過程中需考慮該時段蓄洪區(qū)內(nèi)的降雨及蒸發(fā)量。

2003年洪水演進過程模擬結果如圖4所示。自王家壩閘開閘進洪開始，洪水到達曹臺孜閘附近，大致需要2d左右的時間。曹集水位站水位驗證結果顯示，計算水位與實測水位吻合較好，水位平均誤差在0.06m以內(nèi)。

圖3 網(wǎng)格劃分圖

圖4 2003年濛洼洪水演進模擬結果圖

從2003年洪水復演的模擬結果看，模型的網(wǎng)格劃分、參數(shù)取值等較合理，模型能較好地模擬濛洼蓄洪區(qū)內(nèi)洪水的淹沒過程，可應用于工程前后區(qū)內(nèi)洪水演進情況的分析對比。

2.2 計算結果分析

2.2.1 對蓄洪水位的影響

由于橋墩的阻水作用，橋墩兩側(cè)區(qū)域的水位會略微抬高。由于濛洼蓄洪區(qū)面積較大，為反映工程后蓄洪區(qū)內(nèi)蓄洪水位的變化情況，選取具有代表性的特征點的水位過程進行分析。模型計算結果顯示，各特征點處水位的最大抬高值不超過0.005m，橋墩阻水對濛洼蓄洪區(qū)蓄洪水位的影響很小。

2.2.2 對分洪歷時的影響

對分洪歷時的影響主要表現(xiàn)為：濛洼蓄洪區(qū)分蓄洪水時，工程對洪水到達蓄洪區(qū)內(nèi)各點時間的影響。橋梁工程修建前后洪水到達蓄洪區(qū)內(nèi)各特征點時間見表1。由表1可以看出，橋梁工程修建后，洪水到達蓄洪區(qū)內(nèi)各特征點的時間基本一致?？梢?，橋梁工程的修建對洪水到達各特征點位置的歷時有一定的影響，但影響較小。

2.2.3 對流速過程的影響

工程沿線各特征點相應的流速峰值統(tǒng)計見表2?？梢钥闯?，濛洼蓄洪區(qū)分蓄洪水時，區(qū)內(nèi)洪水流速整體較小，且工程前后各特征點的流速峰值相差也不大。

總體來說，工程修建后，濛洼蓄洪區(qū)進洪時區(qū)內(nèi)各點的流速過程、流速峰值有所變化，但變化非常小。

表1 工程修建前后洪水到達濛洼蓄洪區(qū)內(nèi)各特征點時間表

表2 工程修建前后各特征點流速峰值及峰值出現(xiàn)時間比較表

2.2.4 對水流流場的影響

為分析工程修建對濛洼蓄洪區(qū)運用時水流流場的影響，選取濛洼特大橋第30號橋墩為代表，圖5為濛洼蓄洪區(qū)進洪36h后橋墩處流場圖。從圖中可以看出，工程修建后，橋墩附近出現(xiàn)了繞流，水流流場在橋墩附近有一定的變化，但影響范圍較小，僅在橋墩局部網(wǎng)格處的流速大小和流向有稍為明顯的改變，其他網(wǎng)格處的流速大小和方向并無明顯的變化。

3 蓄洪區(qū)運用對橋梁工程的影響

蓄洪區(qū)運用對橋梁工程自身安全的影響主要為蓄洪區(qū)運用時對橋墩基礎的沖刷影響、長時間的蓄洪對路基的侵泡、風浪淘刷影響和遇超標準洪水，蓄洪區(qū)堤防可能潰決的影響。

本文運用規(guī)范推薦的公式，根據(jù)模型計算得到的流速和水深變化過程，對擬建橋梁進行沖刷計算。經(jīng)計算，橋址處不產(chǎn)生一般沖刷，局部沖刷深度為0.23cm，沖刷對橋墩基礎的影響較小。

根據(jù)濛洼蓄洪區(qū)歷次運用情況，蓄洪區(qū)一般蓄洪時間較長，有時持續(xù)數(shù)月，路基長時間浸泡，加上風浪淘刷及進退水等因素，可能會對路基邊坡穩(wěn)定造成不利影響。

現(xiàn)狀濛洼蓄洪區(qū)堤防級別為3級，根據(jù)《淮河洪水調(diào)度方案》，當淮干王家壩水位達29.2m且有繼續(xù)上漲趨勢時，視雨情、水情和工程情況，適時啟用濛洼蓄洪。因此，從風險角度考慮，當淮河發(fā)生較大洪水時，橋址處濛洼圈堤可能會潰決，堤防潰決后洪水流速較大，將會造成大的沖刷坑，對橋墩乃至大橋的穩(wěn)定性造成較大影響，不利于橋梁安全。

4 橋梁工程對防洪工程及防汛搶險的影響

橋梁工程的修建對防洪工程影響主要為對堤防和區(qū)內(nèi)莊臺安全的影響，對防汛搶險的影響是橋梁施工和運行期間對防汛搶險的影響。

該工程中濛洼特大橋與濛河分洪道右堤平交，根據(jù)大橋的總體布置圖以及現(xiàn)狀堤防狀況，未在濛河分洪道右堤堤身斷面內(nèi)布置橋墩，且墩臺布置在濛河右堤的堤腳外；曹集特大橋與安崗保莊圩圩堤相距約300m，距離較遠；因此大橋的布置符合《堤防工程設計規(guī)范》的相關要求。

圖5 濛洼特大橋第30號橋墩處流場圖

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查情況，擬建大橋上下游各1.0km范圍無莊臺，且橋址處目前也無規(guī)劃建設的莊臺，因此大橋的建設對莊臺無影響。

橋梁施工期間對防汛搶險主要有三個方面的影響：一是施工對堤防及上、下堤道路的破壞，直接降低堤防的防洪標準；二是在堤防背水側(cè)進行橋墩樁基基礎施工，鉆孔打通透水層產(chǎn)生管涌可能對堤基造成的滲透破壞；三是在蓄洪區(qū)內(nèi)堆放施工器材、工具等阻水物品，降低分蓄洪水的能力。

橋梁運行期間對防汛搶險的影響主要表現(xiàn)為濛洼特大橋與濛河分洪道右堤平交，可能會影響防汛、管理車輛的正常通行；橋梁工程在蓄洪區(qū)內(nèi)布置橋墩較多，橋墩會對分洪時救生船只形成障礙，可能給蓄洪區(qū)內(nèi)水上救生帶來影響。

5 對工程設計和施工的建議

通過上述分析及計算結果可知，橋梁工程的建設對濛洼蓄洪區(qū)正常運用、橋梁工程本身安全運行和現(xiàn)有防洪工程及防汛搶險的影響很小，并且符合當?shù)氐慕煌ㄒ?guī)劃要求。但工程在設計和施工安排上仍然存在一些不足之處，鑒于此本文結合蓄洪區(qū)運用和工程實際情況，提出了修改性建議和預防性措施。

（1）建議設計單位對濛洼特大橋橋址與濛河分洪道右堤平交處上下游一定范圍內(nèi)采取護坡、護岸等工程措施進行防護。

（2）建議設計單位根據(jù)本次計算的流量、水位成果重新進行沖刷計算，復核橋梁樁基的承載力和橋墩基底的安全埋深。

（3）建議施工單位在汛期來臨前清理蓄洪區(qū)內(nèi)施工區(qū)一切臨時建筑物、施工器材，清除防汛道路上一切臨時障礙物，不得影響防汛車輛的通行。

（4）建議建設單位和設計單位綜合考慮橋址處濛洼圈堤可能潰決時對橋梁安全的不利影響，做好風險防范措施。

（5）建議設計單位在平交路口設置警示標志，確保防汛、管理車輛的正常通行；在橋梁附近設立指示牌，橋梁側(cè)面及橋墩上設立反光標識和警示標志，保證蓄洪區(qū)水上救生船只和人員安全通過。

6 結語

蓄洪區(qū)是淮河防洪工程體系的重要組成部分，隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，蓄洪區(qū)內(nèi)建設項目逐漸增多，這些工程在發(fā)揮自身作用的同時也會對蓄洪區(qū)的安全運用產(chǎn)生一定的影響。如何既滿足各行業(yè)建設的需要，又不致削弱或降低水利工程防御洪水的能力，這就要求必須加強對河道管理范圍內(nèi)建設項目的管理，在工程建設前期作出客觀、公正、合理的防洪影響評價，避免對后期運行造成無法挽回的損失。最后，希望本文既能為加強河道管理范圍內(nèi)建設項目的管理提供技術依據(jù)，也能為今后類似工程的防洪影響評價提供有價值的理論和方法■