跨河橋梁防洪評價計算及綜合分析

【摘要】本文通過建立河道平面二維水動力數(shù)值模型，對姚江上某擬建跨河橋梁進(jìn)行了防洪評價計算。針對不同頻率洪水情況，計算了橋梁建設(shè)后的雍水程度、流速流態(tài)變化、河勢穩(wěn)定以及防洪評價綜合分析，為工程的可行性及安全性提供科學(xué)依據(jù)，并為類似橋梁工程的防洪評價提供一定的參考。

【關(guān)鍵詞】河道；水流數(shù)值模擬；跨河橋梁；防洪評價分析

1、前言

隨著經(jīng)濟(jì)社會的日益發(fā)展，跨河橋梁工程不斷涌現(xiàn)，而跨河橋梁往往在河道內(nèi)布設(shè)不同數(shù)量的橋墩，對河道防洪造成一定的影響，進(jìn)而對城市居民生命財產(chǎn)安全形成一定的威脅，因此需對橋梁工程防洪影響進(jìn)行相應(yīng)計算以及評價。在以往的橋梁防洪評價中，較多的是應(yīng)用計算公式對其影響進(jìn)行計算[1-5]，但無法獲取橋梁工程附近河道的水位、流速、流態(tài)變化，因此在本次研究中，擬采用平面二維水動力數(shù)值模型，模擬某擬建橋梁工程實施后的河道流場變化，并對其進(jìn)行防洪評價計算及綜合分析，為今后類似的橋梁工程防洪評價分析提供參考。

2、工程概況

本次擬建橋梁位于甬江流域姚江上，處于姚江河道連續(xù)方向S型彎的中部順直段，河面寬約300m，水流平順，流速較小，深槽位于河道中央附近，河底標(biāo)高-5.9m。兩側(cè)河道堤防現(xiàn)狀堤頂高程3.63m，防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇。擬建橋梁橋軸線走向NE，方向與航道中心線基本正交。主橋采用變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，跨徑布置為105m+150m+105m=360m。橋梁在河道內(nèi)布設(shè)兩排主墩，每排主墩為并列的兩個墻式墩，墩截面為矩形，尺寸為12.5m（橫橋向）×4.5m（順橋向）。主墩承臺平面尺寸均為24.1m×18.2m，承臺層頂標(biāo)高均為-4.35m，底標(biāo)高均為-9.35m，高度均為5m。

3、防洪評價分析計算

3.1二維水動力數(shù)值模型建立

此次研究采用國際上較為先進(jìn)通用的Delft3D軟件建立平面二維水動力數(shù)值模型。模型計算范圍為橋梁上下游河段總長約10.4km，采用矩形網(wǎng)格，縱橫向網(wǎng)格寬度為2～15m，工程橋位附近區(qū)域采用加密網(wǎng)格縱橫向?qū)挾葹?m左右，共有網(wǎng)格數(shù)86920個。圖1和圖2分別為模型網(wǎng)格剖分圖和局部網(wǎng)格加密圖。

3.2邊界條件及水文水力計算

根據(jù)姚江流域歷次洪水成果分析，并結(jié)合姚江、奉化江流域最大三日面雨量，擬定了2組洪水組合方案。模型上邊界采用設(shè)計洪水流量序列，下邊界采用相應(yīng)的水位序列。計算結(jié)果表明，規(guī)劃50年、100年一遇洪水條件下，橋墩阻水面積比最大為3.23%，最大水位雍高值為0.036m，水位壅高1cm的最大影響范圍為橋位上游670m。邊界條件特征值和橋位處水文特征值可見表1。

3.3流速變化

擬建橋梁在姚江河道內(nèi)設(shè)置橋墩，占用了部分河道行洪斷面面積，河道水流束窄，主槽流速增加，橋位上下游100m河段的左側(cè)近岸流速沿程增大，且最大流速增幅發(fā)生在橋位斷面，右側(cè)近岸流速呈現(xiàn)沿程先減小后增大趨勢。相同下墊面情況下100年一遇洪水時流速增幅大于50年一遇。規(guī)劃100年一遇洪水條件下，工程后橋位斷面主槽最大流速達(dá)到0.811m/s，增大7.84%。橋位斷面左右兩側(cè)近岸最大流速分別為0.716m/s和0.454m/s，增幅分別為13.47%和1.63%。工程前后水位、流速等值線圖可見圖3～6，橋位斷面的代表點(diǎn)流速值變化可見表4。

3.4河勢穩(wěn)定計算

工程河段的地質(zhì)勘探資料表明，橋位斷面的河床底質(zhì)成分主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，土壤液性指數(shù)為1.19。通過計算得規(guī)劃50年、100年一遇洪河槽一般沖刷深度分別為1.49m和1.75m，左側(cè)邊灘一般沖刷深度分別為1.10m和1.36m；右側(cè)邊灘一般沖刷深度分別為1.02和1.24m。主槽橋墩處的局部沖刷分別為1.74m和2.02m。因而主墩附近河床經(jīng)一般沖刷和局部沖刷后的總沖刷深度分別可達(dá)2.12m和3.77m。

4、防洪綜合評價

4.1對河道行洪安全影響分析

擬建橋梁在遭遇規(guī)劃50年、100年一遇洪水時，橋墩最大阻水面積比為3.23%，最大水位壅高為0.036m，水位壅高1cm的最大影響范圍為橋位上游670m。最大雍高水位低于河堤高程，因此將對河段局部行洪造成一定影響，但不會影響到河道整體行洪。

4.2對河勢穩(wěn)定的影響分析

汛期運(yùn)行條件下，上游洪水流量增大，河道普遍發(fā)生沖刷。規(guī)劃50年、100年一遇洪水條件下，河槽兩座主墩處河床沖刷后的最低高程分別為-6.97m和-7.37m，主墩承臺的層頂標(biāo)高均為-4.35m，均處于100年一遇洪水最大沖刷線以上，因此需對橋位附近斷面做好護(hù)砌，防止汛期沖刷對橋墩結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生影響。

4.3對堤防的影響分析

規(guī)劃50年、100年一遇洪水條件下，橋位斷面左側(cè)近岸流速最大增幅為13.47～13.51%，將對堤腳安全帶來不利影響，因此需對堤腳做好保護(hù)措施。根據(jù)橋梁設(shè)計方案，橋位斷面的左右兩側(cè)河道管理范圍線附近將分別布設(shè)1處邊墩，兩側(cè)邊墩與堤身距離均較近，因此在施工過程中，需加強(qiáng)對工程附近河段堤防的安全觀測，確保堤防和岸線的安全和穩(wěn)定。

4.4對防汛搶險的影響分析

擬建橋梁橋位斷面左右兩側(cè)堤頂處的梁底標(biāo)高分別為9.61m和8.62m，堤頂防汛通道凈空分別為5.98m和4.99m，滿足凈空3.5m的防汛搶險要求。為減少橋梁建設(shè)圍堰施工對河道行洪能力影響，因此工程施工應(yīng)當(dāng)安排在非汛期。在汛期施工，建設(shè)單位必須服從防汛指揮調(diào)度要求，及時對圍堰進(jìn)行拆卸，以確保行洪及工程本身安全。

5、結(jié)束語

本文以甬江流域余姚江上某擬建橋梁為例，建立了橋梁河段平面二維水動力數(shù)值模型，模擬計算了不同頻率洪水條件下的河道二維水動力流場，較好地反應(yīng)了橋墩附近的水流形態(tài)，得到了橋梁工程建設(shè)前后的河段水位、流速及其變化情況，為后續(xù)的防洪評價分析計算提供了必要的數(shù)據(jù)支撐。此次研究表明，擬建橋梁工程建成后，將對局部河道防洪造成一定影響，但未對河道整體防洪造成影響，同時需做好橋墩及左右兩側(cè)堤腳護(hù)砌。通過本次實例計算分析，可為今后類似的橋梁工程防洪評價分析研究提供一定的參考和借鑒意義。

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