骨干河道橋梁卡口拓寬方案研究

余蝶雙， 余方順

(寧波市水利水電規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，浙江 寧波 315000)

大規(guī)模的城市開發(fā)建設(shè)，使得城市內(nèi)部澇水滯蓄空間持續(xù)縮減，平原澇水外排要求進(jìn)一步增大。平原骨干河道作為流域洪澇水外排的主要通道，其排水能力的有效發(fā)揮對于保障流域防洪排澇安全至關(guān)重要。然而現(xiàn)狀橋梁卡口往往成為影響骨干河道防洪能力提升的主要制約因素。如何采取有效措施，既可打通河道行洪卡口、提升河道防洪能力，又不影響橋梁功能，成為亟待解決的重要課題[1-4]?？诤佣斡捎诤拥雷呦颉⒑拥罃嗝婷娣e變化劇烈，水動力條件復(fù)雜，傳統(tǒng)的經(jīng)驗公式、一維模型均不能滿足要求，亟需采用更為精細(xì)的二維模型進(jìn)行研究。

本文以姚江二通道(慈江)穿鐵路橋卡口為例，擬定3種卡口拓寬方案，通過二維數(shù)學(xué)模型的計算和分析，得出各方案的影響成果，為涉河橋梁卡口拓寬改造提供一定參考。

1 流域及工程概況

姚江又名余姚江，屬平原型河流，河床平坦，水面比降小于0.01‰，河道寬約50～200m，最寬處達(dá)300m。姚江流域山區(qū)、半山區(qū)面積約752km2，僅占流域總集雨面積的40%，且山區(qū)分列于干流兩側(cè)，洪水相對分散，總集雨面積244.5km2，占山區(qū)面積的32.5%。受自然地理、水文氣象、地形地貌等因素影響，易受洪、澇災(zāi)害侵襲，尤其是自2000年以來，受臺風(fēng)影響的洪澇災(zāi)害頻繁，經(jīng)濟(jì)損失巨大。

姚江二通道(慈江)工程旨在緩解姚江流域行洪排澇壓力。工程位于寧波市江北鎮(zhèn)海區(qū)北側(cè)，西起慈江大閘，由澥浦大閘東排入杭州灣，全長34.2km。上、中、下游三級設(shè)置共計500m3/s的梯級強排泵站，并且配套沿線50多座中小型閘、泵。目前，姚江二通道(慈江)工程已實現(xiàn)全線通水。姚江二通道(慈江)規(guī)劃河道面寬60m，規(guī)劃河底-1.87m。

鐵路橋位于姚江二通道(慈江)中游，距離上游慈江大閘約9.2km。鐵路橋現(xiàn)狀橋梁一跨過江，跨徑32m，梁底標(biāo)高3.30m，橋與河道水流方向垂直。受鐵路橋橋臺位置限制，橋位處河道凈寬僅28m，河底高程為-0.19～-0.15m。鐵路橋上下游河道面寬約60m，河底高程為-1.43～-1.87m。橋位下游90m為現(xiàn)狀寧慈公路橋，5跨過河，梁底標(biāo)高為3.53m。

2 影響分析研究

2.1 模型原理

本工程所處的河段為寬淺型河流，采用二維水動力方程即可反映河段的水流運動特性。該模型在國內(nèi)多個橋梁等涉河工程中得到實踐應(yīng)用，能準(zhǔn)確分析工程附近的水動力變化情況。

2.1.1控制方程

本次采用的二維水動力數(shù)學(xué)模型[5-7]綜合考慮洪水演進(jìn)過程，可以全面模擬計算域內(nèi)水流過程。水動力學(xué)模型的控制方程由水流連續(xù)方程與運動方程等方程組成，主要控制方程如下。

水流連續(xù)方程：

(1)

水流運動方程：

(2)

(3)

式中，H—垂線水深，H=h+ζ;ζ—水位，m；u、v—x、y方向的垂線平均流速分量，m/s；ε—紊動運動黏性系數(shù)；n—糙率系數(shù)；g—重力加速度。

2.1.2數(shù)值計算格式

本模型采用非均勻網(wǎng)格，擬在碼頭工程附近區(qū)域和地形較大的局部區(qū)域定向加密網(wǎng)格。計算時采用有限體積法，控制方程離散時，結(jié)果變量U、V位于單元中心，跨邊界通量垂直于單元邊。

2.1.3邊界條件

(1)初始條件。對于建模的給定的計算區(qū)域，給定水位和流速初始值。

(2)邊界條件。進(jìn)口邊界條件，給出進(jìn)口開邊界處的水位、流量過程，由全流域模型或?qū)崪y數(shù)據(jù)給出；出口邊界條件，本文是自然開邊界，主要是經(jīng)下邊界出流的河流，由全流域模型給出。

2.2 模型概化

2.2.1網(wǎng)格概化

本次建立的二維水動力數(shù)學(xué)模型，考慮工程所在河道地形特點、洪水特點等因素，確定計算范圍為橋位上游2.2km，下游1.2km，模擬范圍總長3.4km。為了較好反映河道地形，滿足精度要求，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格寬度為5～6m。卡口改擴建后，橋位附近網(wǎng)格局部加密，寬度為1～2m。

本次分析卡口改造效果，以姚江二通道(慈江)規(guī)劃設(shè)計斷面為基準(zhǔn)方案，旨在分析卡口拓寬后是否能夠滿足姚江二通道(慈江)規(guī)劃河道的設(shè)計防洪能力要求。橋位附近河道拓寬改造前、后網(wǎng)格剖分如圖1—2所示。

圖1 河道拓寬前網(wǎng)格概化(設(shè)計斷面)(單位：m)

2.2.2地形概化

本次改造前地形采用規(guī)劃河道設(shè)計斷面，河底高程-1.87m，河道面寬60m。改造后地形，橋位附近按照各方案下的設(shè)計地形確定，其余位置按照規(guī)劃河道設(shè)計斷面。

2.2.3邊界條件

根據(jù)GB 50201—2014《防洪標(biāo)準(zhǔn)》、TB 10002—2017《鐵路橋涵設(shè)計規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范，確定鐵路橋自身防洪標(biāo)準(zhǔn)為100a一遇，因此二維模型水動力計算針對100a一遇的情況展開。由于本次研究主要是為了討論河道拓寬后過流能力較河道防洪能力與規(guī)劃河道設(shè)計能力的差異，因此二維數(shù)學(xué)模型的水文邊界采用鐵路橋設(shè)計防洪能力下的水位-流量過程。

上邊界采用重現(xiàn)期姚江流域100a一遇的設(shè)計暴雨，與下游“菲特”典型實測潮位過程進(jìn)行組合，最終計算得到二維模型上、下游邊界條件及橋位處的水位流量過程。設(shè)計能力下橋位處的水位流量過程如圖3所示。

圖2 河道拓寬后網(wǎng)格概化(單位：m)

圖3 100a一遇鐵路橋斷面的水位-流量過程

2.2.4參數(shù)率定

模型調(diào)試采用水文計算成果資料。經(jīng)比選后確定河槽糙率一般取n=0.026，灘地糙率取n=0.032。

2.3 影響分析

2.3.1方案擬定

根據(jù)GB 50201—2014、TB 10002—2017等相關(guān)規(guī)范，鐵路橋自身防洪標(biāo)準(zhǔn)為100a一遇，最小安全超高需0.50m，而現(xiàn)狀鐵路橋梁底標(biāo)高為3.30m。故為保證鐵路橋滿足自身設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，同時結(jié)合上、下游沿線碶閘實際調(diào)度情況，鐵路橋橋位處100a一遇水位控制不大于2.75m。

從滿足鐵路橋斷面行洪能力及保障鐵路橋自身安全角度出發(fā)，擬定3個拓寬方案如下。

試驗雞只管理如通風(fēng)、光照、免疫接種等按照峪口禽業(yè)蛋種雞育成期的常規(guī)飼養(yǎng)管理。飼養(yǎng)條件為階梯式籠養(yǎng)、乳頭式飲水器，雞只自由飲水、采食。在試驗4周后（雞只13周齡末），雞群轉(zhuǎn)入產(chǎn)蛋舍，從見蛋開始跟蹤記錄雞只10 d的產(chǎn)蛋情況，觀察育成期日糧蛋白質(zhì)水平對雞在產(chǎn)蛋期產(chǎn)蛋性能的影響。

方案1：現(xiàn)狀鐵路橋橋位按規(guī)劃高程進(jìn)行清淤至-1.87m+向南新開通道凈寬40m(河底按-1.87m控制)

現(xiàn)狀鐵路橋橋位處河道凈寬約28m，河底高程約0m左右，本方案考慮將橋位處河底清淤至規(guī)劃河底-1.87m，并向南新開凈寬40m河道，以滿足規(guī)劃河道過流能力要求。

方案2：維持鐵路橋橋位現(xiàn)狀河底+向南新開通道凈寬60m(河底按-1.87m控制)

考慮到現(xiàn)狀鐵路橋自身結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定的要求，現(xiàn)狀橋位處河道疏浚可能受限，本方案考慮現(xiàn)狀鐵路橋橋下河道維持現(xiàn)狀河底高程0m，并向南新開通道規(guī)模凈寬60m，以滿足規(guī)劃對鐵路橋斷面整體過流能力的要求。

方案3：鐵路橋現(xiàn)狀橋位上下游建節(jié)制閘，洪水期間對鐵路橋進(jìn)行節(jié)制保護(hù)，并向南開通新通道凈寬70m(河底按-1.87m控制)

通過在鐵路橋老橋位置上下游新建堤防，可直接防護(hù)鐵路橋橋梁免受洪水侵害，保障鐵路橋老橋安全。由于鐵路橋老橋所在位置特殊，上下游受臨近交通道路限制，南拓河道達(dá)到70m可滿足橋位處水位壅高控制要求。

2.3.2過水面積影響分析

根據(jù)實測水下地形及結(jié)合姚江二通道(慈江)工程沿線河道的設(shè)計規(guī)模，鐵路橋斷面前后河道設(shè)計面寬60m，在鐵路橋允許水位2.75m下，河道設(shè)計過水?dāng)嗝鏋?05.3m2，現(xiàn)狀鐵路橋過水?dāng)嗝?7m2，阻水比例達(dá)到63%。而3種拓寬方案，河道過水?dāng)嗝婷娣e均有所增大，其中方案2增大73%，增大效果最為明顯。詳見表1，表中變化情況均較設(shè)計斷面而言。

表1 各方案河道阻水面積分析 單位：m2

2.3.3流速變化影響分析

方案1和方案2相比，兩者橋位上下游的流速特征基本一致。方案2下的橋位上游流速較方案1增大0.05～0.1m/s，這主要是因為方案2擴孔寬度更大，上游水流下泄更加順暢。

方案3較方案1、方案2而言，水動力軸線整體向南側(cè)擺動，老橋橋位上游100m至下游200m流速明顯減小，且下游流速減小區(qū)域范圍延伸至下游寧慈鐵路橋，長期條件下，會造成該區(qū)域河道淤積，進(jìn)而造成寧慈鐵路橋過流能力降低。

方案1—3的流速分布如圖4—6所示。

圖4 方案1(鐵路橋向南拓寬-河道凈寬40m)流速分布

圖5 方案2(鐵路橋向南拓寬-河道凈寬60m)流速分布

圖6 方案3(鐵路橋向南拓寬-河道凈寬70m)流速分布

2.3.4水位變化影響

通過計算分析，通過鐵路橋上游慈江閘站調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化，3種方案下均可將鐵路橋橋位處百年一遇水位控制在2.75m，滿足100 a一遇水位控制要求，保障鐵路橋自身防洪安全。

綜上，從水位角度，3種方案下均可以保障鐵路橋自身防洪安全。從流速變化、斷面面積變化角度，方案2橋位上下游流速更大，水流下泄更加順暢。因此，方案2更有優(yōu)勢。

3 結(jié)語

為了科學(xué)探討區(qū)域骨干河道既有橋卡口的打通方式，本文以姚江二通道(慈江)穿鐵路橋卡口為例，建立二維數(shù)學(xué)模型，擬定3種拓寬方案，從過水面積、水位、流速等指標(biāo)進(jìn)行比選，最終得出推薦方案。本文采用的研究方法可為類似橋梁卡口段河道拓寬提供一定參考。

由于本文所選河道上下游均受閘控，河道泥沙含量相對較小，因此方案比選未采用泥沙淤積、河床演變等相關(guān)指標(biāo)，對于水流、泥沙條件復(fù)雜的河道需增加比選指標(biāo)，進(jìn)一步深入研究。