赤化大橋防洪影響分析

郭 婭，張瑋清

(廣東源豐水務(wù)有限公司，廣東 河源 517000)

赤化大橋?qū)儆谶B接線公路工程的跨河工程，是主線重要的控制節(jié)點(diǎn)，大橋建成后將極大的方便地區(qū)居民的出行，促進(jìn)區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展并帶動經(jīng)濟(jì)發(fā)展。但橋梁的建設(shè)會導(dǎo)致河道行洪斷面的變化，可能對區(qū)域防災(zāi)、救災(zāi)產(chǎn)生影響，因此對河道內(nèi)的建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)行防洪影響分析十分必要，本文基于Mike11建立河段水動力模型，分析工程建設(shè)對河道水位、流速的影響；并根據(jù)Mike11模型結(jié)果，采用水力學(xué)公式進(jìn)一步計(jì)算橋址處的壅水情況、使用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行沖淤計(jì)算，以分析赤化大橋建設(shè)對河道行洪的影響。

1 工程概況

擬建赤化大橋橋址位于河源市龍川縣麻布崗鎮(zhèn)赤化村，河源市位于廣東省東北部，地處東江中上游，是粵東西北唯一同時(shí)近距離接受三個(gè)國際都市輻射帶動的地級市。赤化大橋?qū)儆诤踊葺父咚俟仿椴紞徎ネǔ隹谥僚d寧市羅浮連接線公路工程的跨河工程，橋梁橫跨尋烏水，全長606.4m，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，赤化大橋設(shè)計(jì)規(guī)模為大橋，公路等級為二級，設(shè)計(jì)洪水頻率為1%。赤化大橋兩岸現(xiàn)狀為天然山地，工程所在河段規(guī)劃防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇。橋址上下游2km范圍內(nèi)暫無水利工程與規(guī)劃，但下游23km處有廣東省第二大水庫：楓樹壩水庫，且赤化大橋處于楓樹壩水庫蓄水影響區(qū)。楓樹壩水庫是一個(gè)以航運(yùn)、防洪、發(fā)電等綜合利用的水利樞紐工程，流域面積5150km2，總庫容19.5億m3。

赤化大橋起點(diǎn)里程為K3+916.0，終點(diǎn)里程為K4+516.0，中心里程為K4+216.0，單孔跨徑為30m，橋梁共20跨，有5組橋墩，橋長606.4m，上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力砼組合箱梁，結(jié)構(gòu)簡支橋面連續(xù)。下部結(jié)構(gòu)橋墩采用柱式墩，起終點(diǎn)橋臺根據(jù)填土高度和地質(zhì)情況分別采用柱式臺和座板臺，基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

2 研究方法

本文采用Mike11建立洪水模型，并進(jìn)一步采用實(shí)用水力學(xué)計(jì)算公式對工程引起的壅水情況進(jìn)行計(jì)算，以分析赤化大橋?qū)π泻榭赡墚a(chǎn)生的影響，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行沖淤計(jì)算。

2.1 Mike11模型構(gòu)建

2.1.1模型原理

Mike11基于垂向積分的物質(zhì)和動量守恒方程，即一維非恒定流圣維南(Saint-Venant)方程組來模擬河流或河口的水流狀態(tài)，采用Abbott-Ionescu六點(diǎn)隱式差分格式對方程進(jìn)行求解，模型的詳細(xì)原理及求解原理可參考相關(guān)文獻(xiàn)。

2.1.2模擬范圍及斷面布設(shè)

本次模擬河道起點(diǎn)為工程下游777m，終點(diǎn)為工程上游1480m，全長2257m。為了較好反映河道走勢及斷面變化，本次模擬根據(jù)尋烏水平面特點(diǎn)布置模擬斷面共13個(gè)，斷面平均間距100～300m。將橋墩模型概化進(jìn)工程斷面，模型計(jì)算范圍及斷面設(shè)置情況如圖1所示。

圖1 Mike11模型斷面布置示意圖

2.1.3邊界條件

模型的上游邊界為流量邊界，下游邊界為下游起推斷面的水位。

流量根據(jù)赤化大橋壩址處不同頻率的設(shè)計(jì)洪水確定。流域內(nèi)楓樹壩水文站距赤化大橋橋址20km，氣候、下墊面條件相似，且有相對完整的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果和枯水期流量觀測數(shù)據(jù)，故本文用水文比擬法，選用楓樹壩水文站為參證站計(jì)算赤化大橋壩址處設(shè)計(jì)洪水。楓樹壩水文站的水文實(shí)測序列為42年(1974—2016年)，調(diào)查到特大洪水發(fā)生在1964、1961、1966年，洪峰流量分別為7660、6700、6080m3/s，用P-III適線法確定楓樹壩的設(shè)計(jì)洪水。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)資料，赤化大橋橋址以上流域集雨面積為2385.1km2，參證站集雨面積5150km2，根據(jù)式(1)推求赤化大橋斷面的設(shè)計(jì)洪峰，最終計(jì)算橋址處100年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為4716.77m3/s，50年一遇洪峰流量為4131.65m3/s，20年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為3343.53m3/s。

(1)

式中，Q設(shè)—橋址河段設(shè)計(jì)洪峰流量，m3/s；Q參—參證資料(本次計(jì)算選取參證站為岳城水文站)的洪峰流量，m3/s；F設(shè)—橋址控制斷面以上流域的集雨面積，km2；F參—參證站的控制集雨面積，km2；n—面積比指數(shù)，依據(jù)《工程水文及水利計(jì)算》(成都科技大學(xué)、華東水利學(xué)院、武漢水利電力學(xué)院合編)，小流域n一般為2/3，出于防洪安全考慮本次取n=0.67。

下游水位由曼寧公式計(jì)算得到。橋址下游起推河段斷面為樁號XWS0+000，河底高程為99～103m，河床糙率選取為0.035，河道比降為0.00242，該河段仍屬于楓樹壩水庫回水影響區(qū)域，考慮楓樹壩水庫的防洪調(diào)度原則，對比在相應(yīng)洪水頻率下楓樹壩水庫的洪水，最終計(jì)算得到100、50、20年一遇設(shè)計(jì)洪水對應(yīng)的下游斷面河道水位分別為170.118、169.5、169.358m。

2.1.4糙率確定

河道屬天然山區(qū)河流，依據(jù)天然河道糙率表，糙率參考取值范圍為0.03～0.05，工程河段屬于大河即汛期水面寬度大于30m，糙率n值略小，故本文選值為0.035。

2.2 壅水計(jì)算

本文結(jié)合一維模型的結(jié)果，進(jìn)一步采用“水力學(xué)公式”計(jì)算橋梁的最大壅水高度、及壅水長度，綜合分析橋梁建設(shè)產(chǎn)生的壅水影響。壅水高度根據(jù)式(2)計(jì)算，壅水長度根據(jù)式(3)計(jì)算。

(2)

(3)

式中，α—動能校正系數(shù)，本文取值1.1；ξ—過水面積收縮系數(shù)，取0.85～0.95；B—河寬，m；V—建橋前斷面平均流速，m/s；h—建橋前斷面平均水深，m；ΔZ—最大壅水高度，m；∑b—建橋后過水?dāng)嗝婵倢挘瑸楹訉挏p去橋墩總寬，m；Ly—壅水曲線全長，m；I0—橋址河段天然水面坡度，取值根據(jù)一維模型計(jì)算結(jié)果得到。

2.3 沖淤計(jì)算

橋墩的建設(shè)縮窄了河床過水?dāng)嗝妫饦蚩赘浇魉僭黾?，挾沙能力也相?yīng)增加，破壞原有的輸沙平衡，河床發(fā)生沖刷，對橋梁安全有一定隱患?？倹_刷深度由一般沖刷和局部沖刷組成，而工程所在河段的沖刷體現(xiàn)為河槽沖刷，依據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告河槽部分為非黏性土，根據(jù)JTG C30—2015《公路工程水文勘測設(shè)計(jì)規(guī)范》中的公式進(jìn)行計(jì)算。一般沖刷計(jì)算公式見式(4)，局部沖刷公式見式(5)。

(4)

(5)

3 結(jié)果分析

根據(jù)赤化大橋的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、工程所在河段以及水工建筑物的防洪標(biāo)準(zhǔn)，本文分別計(jì)算遇20年一遇、50年一遇和100年一遇洪水時(shí)的河道水位情況。

3.1 模型結(jié)果分析

將邊界條件輸入模型，模擬工程建成前后的水位、流速、過水面積和水面寬度變化情況，從而分析赤化大橋在遇20年一遇、50年一遇和100年一遇洪水時(shí)對河道的壅水和沖淤影響。根據(jù)模擬結(jié)果，得到工程前后河段平均水力坡度，見表1；各頻率下河道各斷面工程前后(工程后的值減工程前的值)水位變化、流速變化、水面寬度變、過水?dāng)嗝婷娣e變化如圖2—5所示。

表1 各頻率下工程前后河段平均水力坡度

由圖2—5可知，20年一遇洪水時(shí)，工程后橋址段面流速增大了0.034m/s，水面凈寬減小了37.742m，過水面積減小了438.065m2，橋址上游水位最大壅高值為0.002m；50年一遇洪水時(shí)，工程后橋址段面流速增大了0.041m/s，水面凈寬減小了37.871m，過水面積減小了444.535m2，橋址上游河段水位最大壅高值為0.003m；100年一遇洪水時(shí)，工程后橋址段面流速增大了0.045m/s，水面凈寬減小了38.402m，過水面積減小了471.225m2，橋址上游河段水位最大高值為0.004m。

圖2 各頻率下河道各斷面工程前后水位變化

圖3 各頻率下河道各斷面工程前后流速變化

圖4 各頻率下河道各斷面工程前后水面寬度變化

圖5 各頻率下河道各斷面工程前后過水?dāng)嗝婷娣e變化

3.2 壅水計(jì)算結(jié)果分析

結(jié)合實(shí)際資料及模型模擬結(jié)果，用2.2節(jié)中的公式可計(jì)算得到橋址處最大壅水高度及壅水長度，見表2。

表2 各頻率下橋指出壅水長度及最大壅水高度

由表2可知，遇100年一遇洪水時(shí)橋址處壅水曲線全長為364.22m，最大壅水高度為0.0061m；遇50年一遇洪水時(shí)橋址處壅水曲線全長362.50m，最大壅水高度為0.0052m；遇20年一遇洪水時(shí)橋址處壅水曲線全長336.18m，最大壅水高度為0.0035m。

綜合Mike和實(shí)用水力學(xué)公式的壅水計(jì)算結(jié)果，赤化大橋最大壅水高度為0.0061m，壅水曲線全長為364.22m，橋梁建設(shè)引起的最大壅水高度十分微小。

3.3 沖淤分析

根據(jù)2.3節(jié)中的公式，計(jì)算河槽總沖刷。式中，單寬流量集中系數(shù)Ad為1.065，橋下河槽凈寬Bcg為199.15m，天然狀態(tài)下河槽寬度Bc為210.59m，λ取值0.0541，一般沖刷后的最大水深hp根據(jù)一維模型水位計(jì)算結(jié)果及河底高程計(jì)算得到，墩形系數(shù)Kξ為1，橋墩計(jì)算寬度B1為1.6m，河床顆粒影響系數(shù)Kη2為0.507，一般沖刷后的行近流速v根據(jù)一維模型流速計(jì)算結(jié)果得到，根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式可計(jì)算得到墩前泥沙啟動流速v0′、河床泥沙啟動流速v0分別為0.257m/s、0.574m/s，河槽沖刷計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 河槽沖刷計(jì)算結(jié)果

由表3可知，100年一遇洪水工況下河槽一般沖刷深度為3.581m，橋墩局部沖刷深度為0.721m，總沖刷深度為4.302m；50年一遇洪水工況下河槽一般沖刷深度為3.493m，橋墩局部沖刷深度為0.730m，總沖刷深度為4.233m；20年一遇洪水工況下河槽一般沖刷深度為4.302m，橋墩局部沖刷深度為0.738m，總沖刷深度為4.173m。

赤化大橋單孔跨徑為30m，橋梁共20跨，5組橋墩均位于河槽處，兩端橋臺高于設(shè)計(jì)洪水位。依據(jù)橋和安全墩沖刷計(jì)算值，河槽橋墩需滿足基地最小埋深約為8m，河灘橋墩需滿足最小埋深約為7m，本次橋墩埋深均大于38m，符合規(guī)范的要求。

4 結(jié)論

(1)100年一遇洪水條件下橋梁產(chǎn)生的最大水位壅高為0.0061m，最大壅水長度約為364.22m，赤化大橋的建設(shè)滿足規(guī)范要求，對河道行洪不會造成較大的不利影響。

(2)工程建成后遇100年一遇、50年一遇和20年一遇洪水時(shí)的總沖刷深度分別為4.302、4.233、4.173m，橋墩的埋深均滿足計(jì)算和規(guī)范要求。設(shè)計(jì)洪水條件下，本工程會受到一定的沖刷影響，但因?yàn)楹哟泊只瘜拥拇嬖谝约跋掠螚鳂鋲嗡畮斓男钏绊?，工程?shí)際受到?jīng)_刷影響要比計(jì)算成果偏小，在采取一定的工程措施對橋墩進(jìn)行沖刷防護(hù)后，整體影響不大。