卡口河段橋梁建設對河道行洪的影響
——以渭河咸陽段為例

韓劍橋, 段文中

(1.西北農林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.中國科學院 水利部 水土保持研究所,陜西 楊凌 712100; 3.水利部黃河水利委員會 黃河上中游管理局, 西安 710021)

卡口河段橋梁建設對河道行洪的影響
——以渭河咸陽段為例

韓劍橋1,2, 段文中3

(1.西北農林科技大學 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100; 2.中國科學院 水利部 水土保持研究所,陜西 楊凌 712100; 3.水利部黃河水利委員會 黃河上中游管理局, 西安 710021)

河流束窄處斷面窄深，形成河道水沙輸移的卡口，該區(qū)域行洪能力相對較弱，橋梁建設更加威脅河道防洪安全。以隴海鐵路咸陽渭河橋改擴建工程為例，采用平面二維水流數(shù)學模型，研究了不同工程方案在3種洪水頻率下對河道行洪的影響特征，結果表明：在橋梁建設期，四橋并存引起橋位處水位壅高值最大；疏浚量大的工程方案建設后過水面積增大更多，橋位水位降低幅度也相對較大，如工況1建設后300年一遇、100年一遇、5年一遇洪水下分別降低0.9 m，0.9 m，0.6 m；卡口河段的橋梁建設宜結合適當?shù)氖杩９こ?，以增加行洪河寬及過水面積，平順水流，提升河道行洪能力。

河道行洪; 卡口河段; 橋梁建設; 數(shù)值模擬

河流平面形態(tài)寬窄相間，在局部區(qū)域由于地質條件或人為活動河寬急劇減小，壅高上游水位，成為河道行洪的卡口河段[1-4]。而該區(qū)域由于河寬較窄，也往往是橋梁修建的重要工程部位，橋梁建設更加縮窄卡口河段的行洪斷面，威脅河道防洪安全，需要重點關注其影響[5-7]。開展涉水工程對河道行洪的影響研究，一般采用數(shù)學模型與河工模型兩類方法，隨著數(shù)值模擬技術的不斷成熟,數(shù)學模型由于其便利性、經濟性被更為廣泛的應用[8-10]。由于卡口河段的特性一般表現(xiàn)為平面上的河寬束窄、斷面上的形態(tài)窄深，因此，能夠對河道平面形態(tài)準確刻畫，對斷面面積精確計算的平面二維數(shù)學模型成為卡口河段涉水工程防洪影響評估的重要工具[11,12]。本文以渭河咸陽段為例，采用平面二維數(shù)學模型，計算了隴海鐵路橋改擴建工程不同工程方案在3種洪水頻率下對河道行洪的影響，以期為卡口河段的橋梁建設提供技術支撐。

1 研究區(qū)概況

渭河咸陽段經過咸陽城區(qū)，河道防洪安全尤其重要[13-15]，其平面形態(tài)復雜，隴海鐵路大橋上游咸陽市區(qū)現(xiàn)狀河道寬500～700 m，大橋以下河道由338 m 急劇擴寬至1 000 m以上，大橋在渭河中游對河道行洪形成了卡口，100 m長河段布置3座小孔跨大橋，造成橋位河段束流壅水嚴重，使該河段泄洪受阻，河道比降較緩，平均約0.65‰(圖1)；既有隴海鐵路咸陽渭河橋組位于隴海線黃家寨至咸陽區(qū)間、咸陽市區(qū)東南部的渭河干流上，從河流上游到下游依次為既有隴海下、上行線及咸黃三線3座鋼板梁單線大橋，是西安鐵路樞紐的重要組成部分。隴海鐵路咸陽渭河橋修建年代較早，技術標準較低，建成后改建、加固、大修過多次；既有鐵橋長338.9 m，橋跨布置均為12×27.1 m，下、上行線橋及咸黃三線橋最低梁底(咸陽側)標高分別為387.53 m，388.02 m，387.16 m，墩徑順河向尺寸分別為2.4 m，2.5 m，2.0～2.6 m。

圖1渭河咸陽段示意圖

2 研究方法

2.1 平面二維模型的建立與驗證

2.1.1 模型的建立 采用基于水深平均的平面二維數(shù)學模型來模擬水流運動，在貼體正交曲線網(wǎng)格系統(tǒng)中，水流計算所依據(jù)的基本方程如下[8,20]：

水流連續(xù)方程

(1)

ξ方向動量方程：

(2)

η方向動量方程：

(3)

微分方程的數(shù)值離散采用有限體積法(控制容積法)，同時為避免產生鋸齒狀流速場和壓力場，流速分量u，v在交錯網(wǎng)格系統(tǒng)的各自控制體中求解，而壓強p在主控制體中求解。計算程式采用Pantankar壓力校正法(水深校正，即SIMPLEC算法)原理。

2.1.2 模型的率定與驗證 對二維數(shù)學模型進行率定與驗證計算的目的在于檢驗數(shù)學模型與計算方法的可行性，同時率定數(shù)學模型中的相關參數(shù)，并檢驗其精度。在本次計算過程中，計算地形采用2014年汛后實測地形，根據(jù)2011年洪痕水位(圖2)對模型參數(shù)進行率定，率定的各河段河槽糙率在0.016 2～0.026 6之間，灘地糙率為0.035。

圖2 2011年各斷面洪痕水位

計算成果與已有成果的比較見表1。由表可知，隴海鐵路橋橋位處計算與既有成果的水位基本吻合，其誤差不大于0.10 m(2020年水平)。而咸陽水文站水位降低0.74 m，由于咸陽湖修建后該斷面在泄洪槽側拓寬河槽約100 m，相應水位流量關系在高值區(qū)發(fā)生了變化，2015年咸陽站報汛曲線水位流量關系較渭河防洪治理可研和鄭西客專咸陽渭河橋洪評沿用渭河中游防洪可研水位流量關系同流量水位降低了0.64 m～0.68 m，因此本次計算成果是符合當前河道變化情況的。

表1 計算水位與既有成果水位的比較(百年一遇洪水) m

2.2 計算條件

2.2.1 計算洪水頻率 本文橋位設計洪水采用臨潼站、咸陽站發(fā)生同頻率洪水計算水面線。水文計算成果見表2。本文選用頻率為0.33%(300年一遇)，1%(100年一遇)，20%(5 a一遇)的典型洪水。

表2 橋位斷面設計洪水成果 m3/s

2.2.2 計算工況 本文擬定了3種計算工況，其中工況1與工況2僅在疏浚斷面形式上有所差別，工況1采用單一斷面，而工況2采用復式斷面，疏浚量相比工況1也略小。同時計算了在施工過程中的最不利工況，即四橋并存而疏浚工程也未完成時期。

表3 計算工況列表

3 結果與分析

3.1 橋位處水力要素變化

圖3為不同工況下橋位斷面的過水面積、水面寬、斷面平均流速等水力要素變化圖，由圖分析可知，在最不利工況下，新建橋梁產生一定的阻水作用，過水面積、水面寬度減小，斷面平均流速增加，且流量越大，工程影響越大，在各水流條件下，侵占斷面最大過水面積百分比為11.62%；工況1條件下，修建橋梁及疏浚左右側灘地后，過水面積、水面寬度增大，斷面平均流速大幅減小，在100年一遇洪水下，橋位過水面積增大百分比最大，為69.58%，100年一遇洪水的河寬增大了143 m；工況2條件下，由于疏浚量比工況1小，過水面積、水面寬的增幅、平均流速的減幅相對較小。

綜上，從橋位處的水力要素變化來看，卡口河段新建橋梁會威脅河道防洪安全，而配合卡口疏浚工程后各項水力要素都有利于減輕防洪壓力。

圖3不同工況下橋位水力要素變化圖

3.2 水位變化

圖4為不同工況下橋位水位變化圖，表4為不同工況下水位變化范圍統(tǒng)計表，綜合分析可知，在最不利工況下，工程修建引起的橋位處水位最大壅高值在300年一遇流量下為0.3 m，水位為386.97 m，100年一遇洪水下為0.25 m，水位為385.71 m，最大壅高值在5 a一遇流量下為0.2 m，水位為382.79 m，3個洪水頻率下上游水位增大值大于0.1 m的范圍分別在橋位上游540 m，450 m，35 m；工況1下，工程修建引起的工程附近水位降低值在100年一遇流量下為1.25 m，水位為384.21 m，300年一遇洪水下也為1.25 m，水位為385.06 m，最大降低值在5 a一遇流量下為1.10 m，水位為381.49 m，影響范圍以100年一遇洪水位最大，水位降低值大于1.0 m范圍在橋位上游200～2 200 m；工況2下水位變化趨勢與工況1相同，但幅度均有所降低。

綜上，從不同工況下橋位水位變化及其范圍來看，卡口河段新建橋梁會繼續(xù)增加該區(qū)域的壅水作用，壅水范圍可達500 m以上，配合疏浚工程后，河道水位下降，且疏浚強度越大，水位下降幅度越大，有利于河道的防洪安全。

圖4 不同工況下橋位水位變化圖

4 結 論

(1) 卡口河段新建橋梁會壅高河道水位，威脅防洪安全，在最不利工況下，四橋并存引起橋位處水位最大壅高值為0.2～0.3 m。

(2) 工況1條件下的過水面積大于設計工況2約370 m2，橋位水位降低幅度也相對較大，300年一遇、100年一遇、5 a一遇洪水的橋位水位分別降低0.9 m，0.9 m，0.6 m，其原因在于設計工況1的疏浚量大于設計工況2。

(3) 卡口河段的橋梁建設宜結合適當?shù)氖杩９こ蹋栽黾有泻楹訉捈斑^水面積，提升河道行洪能力。

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InfluenceofBridgeBuildingonRiverFloodControlinNarrowReaches—ACaseStudyofXianyangReachesinWeiheRiver

HAN Jianqiao1,2, DUAN Wenzhong3

(1.InstituteofSoilandWaterConservation,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 2.InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China; 3.UpperandMiddleYellowRiverBureau,YellowRiverConservancyCommission,MinistryofWaterResources,Xi′an710021,China)

The bottle-neck reaches is the narrow part of the river. In the bottle-neck reaches, the flood carrying capacity is relatively weak and the bridges built here threaten to the flood control safety. Taking Weihe Bridge of Longhai railway in Xianyang, the influence of bridge building on the flood control safety is studied. The results show that coexistence of 4 bridges leads to the maximum water level increase during the construction period. The project with maximum dredging volume leads to the increase of flow area and the maximum water level decrease. After Project 1, the water level decreases during the 300 year return period, 100 year return period and 5 year return period are 0.9 m, 0.9 m and 0.6 m, respectively. The bridges built in the bottle-neck reaches should combine the dredging projects to increase the flood carrying width and flow area and increase the flood carrying capacity.

flood control; narrow reaches; bridge construction; numerical simulation

TV131.4

A

1005-3409(2017)06-0388-04

2016-10-08

2016-11-21

西北農林科技大學博士科研啟動基金“黃土丘陵溝壑區(qū)治溝造地工程對水系平衡的影響”(2452015337)

韓劍橋(1987—),男,河南禹州人,博士,助理研究員,主要從事河流數(shù)值模擬等方面研究。E-mail:hjq13@163.com