跨河橋梁對(duì)河道防洪影響綜合分析評(píng)價(jià)

喬連朋，鄭翔龍，張德喜

(1.河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院，鄭州 450000； 2.湖庫水生態(tài)環(huán)境保護(hù)與修復(fù)河南省工程實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450000； 3.中山翠亨新區(qū)管理委員會(huì)，廣東 中山 528400)

在涉河建設(shè)項(xiàng)目中，如果在設(shè)計(jì)階段沒有充分分析論證項(xiàng)目實(shí)施對(duì)河道的影響，將會(huì)在施工期與運(yùn)行期對(duì)河道的安全運(yùn)行產(chǎn)生不良影響，甚至引起一些災(zāi)害的發(fā)生[1-3]。為了保證建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)施不影響河道行洪與管理，按照國家有關(guān)法律法規(guī)的規(guī)定，應(yīng)對(duì)河道管理范圍內(nèi)的建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行防洪影響評(píng)價(jià)[4-5]，并給出結(jié)論和建議，以指導(dǎo)建設(shè)項(xiàng)目的下一步設(shè)計(jì)工作?；诖耍疚囊詫?shí)際涉河建設(shè)項(xiàng)目為例，分析論述了公路橋梁工程跨越河道對(duì)其防洪影響。

1 基本概況

擬建大橋軸線方向與河道主流線方向交角約75°，橋墩順?biāo)鞑贾?，采?00年一遇設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)。擬建橋梁全長276 m，全橋共9跨2聯(lián)：4×30 m+5×30 m；上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土(后張)小箱梁，先簡支后連續(xù)；下部結(jié)構(gòu)為柱式墩，墩臺(tái)采用樁基礎(chǔ)。橋梁底板最低高程為66.068 m。擬建大橋0#和9#橋墩布置在河道兩岸堤防斷面內(nèi)，1#橋墩布置在河道左側(cè)灘地上，6#-8#橋墩布置在河道右側(cè)灘地上，2#-5#橋墩布置在河槽內(nèi)。橋墩采用柱式墩，墩臺(tái)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，每排3根圓柱樁，樁間距為4.5～5.5 m，圓柱樁直徑為1.6 m。

擬建大橋工程附近河段，除澇為5年一遇，防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇。擬建橋址交叉斷面附近河段左右兩岸均存在堤防，現(xiàn)狀左岸堤頂高程為67.40 m，右岸堤頂高程約67.32 m，兩岸堤頂寬均為3～4 m。河道汛期洪水較大，汛期漫灘行洪。擬建大橋工程施工期選在枯水季節(jié)，并力爭在一年中可連續(xù)施工的季節(jié)將其完成?？绾訕蛄菏┕し椒ú捎枚张_(tái)圍堰法，梁部架橋機(jī)架設(shè)；橋梁墩臺(tái)施工方法采用現(xiàn)澆施工；基礎(chǔ)采用鉆孔樁，現(xiàn)場(chǎng)灌注施工；簡支箱梁采用工廠預(yù)制，架橋機(jī)架設(shè)施工。工程完成后，圍堰拆除，恢復(fù)河道原斷面。

2 防洪評(píng)價(jià)計(jì)算

2.1 水文分析計(jì)算

擬建大橋橋址上游約79 km處建有一座中型水庫，擬建大橋橋址斷面設(shè)計(jì)洪水是水庫下泄流量和水庫-擬建橋址斷面區(qū)間相應(yīng)洪水的疊加。水庫相關(guān)水文設(shè)計(jì)成果見表1、表2、表3。

表1 水庫設(shè)計(jì)洪水成果

表2 水庫水位-庫容、泄量關(guān)系

表3 不同頻率洪水條件下水庫進(jìn)出庫流量

水庫-擬建大橋橋址斷面區(qū)間集水面積為432.5 km2。水庫以下區(qū)間為平原河道，設(shè)計(jì)洪水采用平原排澇公式計(jì)算，采用間接法，由設(shè)計(jì)暴雨通過產(chǎn)流、匯流進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水計(jì)算，得到各頻率設(shè)計(jì)洪水。通過分析計(jì)算，水庫至擬建大橋橋址斷面區(qū)間不同頻率洪水成果見表4。

表4 水庫至擬建大橋橋址斷面區(qū)間洪水計(jì)算成果

擬建橋址斷面處不同頻率設(shè)計(jì)洪水成果應(yīng)考慮水庫調(diào)蓄后下泄洪水與水庫至大橋橋址斷面區(qū)間洪水演進(jìn)的綜合影響。河道洪水演進(jìn)計(jì)算采用馬斯京根法，經(jīng)計(jì)算，擬建大橋橋址斷面不同頻率洪水成果見表5。

表5 擬建大橋橋址斷面設(shè)計(jì)洪峰流量成果表

擬建大橋橋址斷面施工期采用5年一遇洪水設(shè)計(jì)流量，即為12 m3/s。根據(jù)施工期洪峰流量成果、河道特性和資料情況，采用明渠均勻流法求得相應(yīng)的施工期洪水位為60.86 m。

2.2 壅水分析計(jì)算

本文壅水計(jì)算采用《鐵路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范(TB10017-1999)》推薦的公式[6]，公式如下：

1) 橋前最大壅水高度公式。公式如下：

式中：ΔZm為最大壅水高度，m；η為系數(shù)；v為斷面平均流速，為設(shè)計(jì)流量被全河過水?dāng)嗝?包括邊灘和河灘)除得之商，m/s；vM為橋下平均流速，m/s。

2) 壅長計(jì)算公式。公式如下：

式中：Ly為壅水曲線全長，m；I0為橋址河段天然水面坡度。

3) 橋下凈空高度公式。公式如下：

H梁=H設(shè)+Δh

式中：H梁為梁底高程，m；H設(shè)為橋下設(shè)計(jì)洪水位，m；Δh為根據(jù)河流具體情況，分別考慮橋下壅水、浪高、局部股流涌高、河床淤積等影響確定。

根據(jù)擬建大橋橋梁的阻水情況，橋址斷面η值取為 0.07。經(jīng)計(jì)算，擬建大橋橋址斷面壅水計(jì)算成果見表6。

表6 擬建大橋交叉斷面壅水成果表

注：20年一遇及以上頻率洪水屬于超標(biāo)準(zhǔn)洪水，洪水已漫堤行洪，洪水漫堤后河道水位迅速下降，洪水位最高與河道堤頂高程齊平，因此20年一遇及以上頻率洪水水位取為右側(cè)堤頂高程67.32 m。

根據(jù)大橋橋跨布置情況及水力計(jì)算結(jié)果，橋梁底板設(shè)計(jì)高程偏低，設(shè)計(jì)單位須抬高橋梁底板高程，使橋梁底板高程高于河道規(guī)劃治理后堤頂高程。河道規(guī)劃治理堤頂高程為防洪標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)水位加超高1.5 m。抬高橋梁底板高程后，不同頻率洪水條件下擬建大橋橋址斷面壅水計(jì)算成果見表7。

表7 擬建大橋交叉斷面壅水成果表(抬高橋梁底板高程后)

2.3 沖刷分析計(jì)算

根據(jù)橋址斷面河道土質(zhì)情況，本文采用《鐵路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10017-1999)中推薦的黏性土計(jì)算公式，進(jìn)行沖刷深度計(jì)算。

2.3.1 一般沖刷計(jì)算

1) 河槽部分。公式如下：

2) 河灘部分。公式如下：

式中：A為單寬流量集中系數(shù),A=1.0～1.2；IL為沖刷范圍內(nèi)黏性土樣的液性系數(shù)，IL=0.16～1.19；其余符號(hào)意義同前。

2.3.2 局部沖刷計(jì)算

公式如下：

式中：IL為沖刷范圍內(nèi)黏性土樣的液性系數(shù)，IL=0.16～1.48；其余符號(hào)意義同前。

經(jīng)計(jì)算，擬建大橋與河道交叉斷面處沖刷深度見表8。擬建橋址斷面100年一遇洪水條件下總沖刷深度河槽與灘地分別為1.266和0.475 m。

表8 擬建橋址斷面不同頻率下沖刷計(jì)算成果

3 防洪影響綜合分析評(píng)價(jià)

3.1 建設(shè)項(xiàng)目對(duì)河道泄洪影響分析

擬建橋梁低于河道現(xiàn)有防洪標(biāo)準(zhǔn)，橋墩與箱梁部分將會(huì)壅高水位，設(shè)計(jì)洪水下壅高水位為0.088 m，壅長為1 390.4 m，對(duì)河道行洪影響明顯，設(shè)計(jì)單位須抬高橋梁底板高程，抬高后最低點(diǎn)高程不低于68.82 m(充分考慮了該河道后期治理堤頂抬高要求)。抬高橋梁底板高程后，設(shè)計(jì)洪水條件下，水位最大壅高0.010 m，壅長為159 m，對(duì)河道行洪影響較小。

根據(jù)施工洪水計(jì)算，河道非汛期5年一遇洪峰流量為12 m3/s，非汛期洪峰流量遠(yuǎn)小于除澇流量，洪水不出槽，主槽內(nèi)橋墩采用鋼板樁圍堰施工，施工期影響過流面積很小；灘地上的橋墩采用草袋圍堰施工，因此施工期基本不影響河道泄洪。

3.2 擬建大橋工程對(duì)河勢(shì)穩(wěn)定的影響分析

大橋在非汛期施工，主槽及灘地橋墩施工對(duì)河勢(shì)影響較小。

擬建大橋?qū)拥懒魉俑淖儍H在橋位附近，其影響只在工程附近區(qū)域，整體流場(chǎng)變化較小。工程建成后，主橋墩之間的水流流速有所增加，水流挾沙能力相應(yīng)增大，對(duì)河床造成一定沖刷；邊孔的水流流速減小，水流挾沙能力下降，邊孔河床產(chǎn)生一定的淤積，但其沖淤變幅不大，因此建橋工程對(duì)河道河勢(shì)穩(wěn)定有一定影響。另外，橋梁建成后，由于一般沖刷和局部沖刷的作用，對(duì)左右側(cè)灘地及岸坡將造成一定程度沖刷，對(duì)橋址附近岸坡的穩(wěn)定會(huì)產(chǎn)生一定的不利影響。

3.3 擬建大橋工程對(duì)防護(hù)工程的影響分析

擬建工程橋面排水孔布置應(yīng)充分考慮排水對(duì)堤防的影響，避免橋面排水沖刷、浸泡堤防等，如有影響須重新設(shè)計(jì)橋面排水設(shè)施的布置，確保橋面排水不影響堤防安全。工程建成后，橋位上游附近流速減小，流向基本沒有變化，對(duì)堤防沖刷影響較小。在橋位下游附近，近岸流速有所增大，在河岸地質(zhì)情況薄弱的地段，應(yīng)加強(qiáng)河道護(hù)岸。橋梁施工過程中，盡量避免對(duì)河岸的影響，如有影響應(yīng)注意河堤堤腳的保護(hù)，確保河堤河岸線的穩(wěn)定，將行洪影響降低到最小程度。擬建大橋0#和9#橋墩布置在河道兩岸堤防斷面內(nèi)，橋梁設(shè)計(jì)對(duì)河道規(guī)劃治理工程的實(shí)施、兩岸堤防滲透與穩(wěn)定等將產(chǎn)生較大影響。

3.4 擬建大橋工程對(duì)防汛搶險(xiǎn)的影響分析

擬建大橋須結(jié)合河道規(guī)劃治理要求按照堤防設(shè)計(jì)規(guī)范，在橋址斷面河道兩岸的上下游背水側(cè)修建繞行輔道，用于連接橋位處上下游堤頂防汛道路，從而滿足河道防汛搶險(xiǎn)與維修等需要。擬建工程及其附屬設(shè)施的布置不能夠影響防汛搶險(xiǎn)與維修通道，其布置與防汛搶險(xiǎn)、維修交通的設(shè)置及相互配合需與水利主管部門協(xié)調(diào)解決。

河道堤岸的安危關(guān)系到沿岸人民的生命財(cái)產(chǎn)，防汛仍是一項(xiàng)十分重要的任務(wù)。因此，防汛期間，首先要組織好人員對(duì)河道水情和堤防狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)，對(duì)沿岸居民安全和財(cái)產(chǎn)有威脅的洪水，要及時(shí)通過電臺(tái)、電視臺(tái)、長鳴警報(bào)等現(xiàn)代通訊手段告知相關(guān)人員采取防范措施。其次，要充分做好搶險(xiǎn)組織，要對(duì)防洪工程險(xiǎn)情做好搶險(xiǎn)的各種人、財(cái)、物的準(zhǔn)備，要實(shí)行崗位責(zé)任制，分段落實(shí)搶險(xiǎn)任務(wù)。對(duì)被破壞的堤防和泄洪設(shè)施進(jìn)行及時(shí)維修和加固。此外，本次工程施工期間由于施工物料及土石方隨意堆放易將阻礙防洪通道(路面、河道)，為此還應(yīng)做好防洪避險(xiǎn)措施。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié) 論

1) 擬建大橋與河流成75°角布置，橋址處河道比較順直。大橋建成后，河道兩岸順岸流速有所增大，將引起一定的沖刷，故對(duì)河道演變規(guī)律、發(fā)展趨勢(shì)及河勢(shì)穩(wěn)定性有一定影響。

2) 根據(jù)擬建大橋原設(shè)計(jì)方案，計(jì)算得知形成水位壅高較大，壅長較長，影響河道行洪，橋梁底板高程設(shè)置偏低。

3) 大橋0#和9#橋墩布置在河道兩岸堤防斷面內(nèi)，橋梁設(shè)計(jì)對(duì)河道規(guī)劃治理工程的實(shí)施、兩岸堤防滲透與穩(wěn)定產(chǎn)生較大的影響。擬建橋梁橋面排水孔布置尚不明確，橋面排水對(duì)堤防沖刷、浸泡等影響尚不能定論。

4) 擬建大橋橋墩施工安排在非汛期完成，對(duì)河道行洪影響較小。

5) 擬建工程及其附屬設(shè)施的布置應(yīng)充分考慮對(duì)防汛搶險(xiǎn)與維修通道等的影響。目前，設(shè)計(jì)方案中尚未設(shè)置在橋址斷面河道兩岸的上下游背水側(cè)繞行輔道。

6) 擬建大橋底板抬高后，引起上游水位壅高的影響程度及范圍較小，對(duì)其它水利設(shè)施的影響不大。

4.2 建 議

根據(jù)上述分析計(jì)算，并結(jié)合工程實(shí)際情況提出如下建議：

1) 橋梁設(shè)計(jì)底板高程偏低，須抬高橋梁底板高程，使之最低點(diǎn)高程不低于68.82 m。

2) 跨河橋梁工程施工前，建設(shè)單位應(yīng)首先征得當(dāng)?shù)睾拥乐鞴懿块T的同意，并把施工方案提交河道主管部門審批。在施工方案中，應(yīng)增加防洪及河道管理方面的有關(guān)內(nèi)容，項(xiàng)目設(shè)計(jì)單位需對(duì)擬建大橋的防汛搶險(xiǎn)通道進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)。

3) 對(duì)于橋位河段兩岸堤防以及防洪排澇設(shè)施存在的隱患及時(shí)監(jiān)控、消除和維護(hù)；設(shè)計(jì)階段進(jìn)一步完善橋梁排水措施，建議采用分散排水方式。

4) 在工程建設(shè)時(shí)，必須嚴(yán)格監(jiān)控施工廢渣的棄卸，禁止非法傾倒于河道附近，以免增大行洪影響而危及兩岸岸坡穩(wěn)定和堤防安全。

5) 施工場(chǎng)地布置如生活區(qū)、施工區(qū)、料場(chǎng)、施工臨時(shí)道路等應(yīng)充分考慮對(duì)防洪搶險(xiǎn)造成影響；汛期不在河道內(nèi)堆放阻水設(shè)施；施工中禁止將工程棄渣排入河道；工程施工結(jié)束后盡快恢復(fù)河道原貌。

6) 擬建大橋0#橋墩與9#橋墩對(duì)河道規(guī)劃治理工程的實(shí)施、兩岸堤防滲透與穩(wěn)定等產(chǎn)生影響較大，因此建議調(diào)整相應(yīng)橋墩位置；如橋墩位置無法調(diào)整，為避免橋墩施工產(chǎn)生滲流通道，防止發(fā)生滲水、管涌等險(xiǎn)情，須在施工時(shí)進(jìn)行防滲處理。建議采取土工合成材料進(jìn)行防滲處理，即在上述橋墩上下游各50 m范圍內(nèi)臨河側(cè)堤坡(10 m)與灘地(10 m)鋪設(shè)防滲土工合成材料；同時(shí)應(yīng)在工程施工及運(yùn)行期加強(qiáng)觀測(cè)，落實(shí)險(xiǎn)情搶護(hù)措施。

7) 由于建橋后對(duì)天然水流的擠壓，引起水流對(duì)岸坡的沖刷，將在一定程度上影響到橋位上下游岸坡的穩(wěn)定和安全。因此，對(duì)橋位上下游兩岸岸坡采取襯砌等防洪補(bǔ)救措施，確保河道的行洪能力，襯砌范圍為橋位上游50 m，橋位下游150 m，具體措施應(yīng)進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)。