南沙新區(qū)上橫瀝大橋工?防洪分析與評價

趙晶晶

（廣東粵源工程咨詢有限公司，廣東 廣州510000）

1 項目基本情況

上橫瀝大橋（以下簡稱“擬建橋梁”）位于廣州南沙新區(qū)，南起橫瀝鎮(zhèn)西南部的現(xiàn)狀萬環(huán)西路，北接大崗鎮(zhèn)中船中路，跨越上橫瀝水道建設(shè)。橋梁長度為750m，跨徑組合為3×30+2×35+3×35+（57.5+100+57.5主橋）+2×30+3×30+4×30，分左右幅，橋?qū)?8.0m，采用雙向六車道，城市主干路標(biāo)準，設(shè)計車速60km/h。

擬建橋梁采用U型薄壁式橋臺，在河道內(nèi)設(shè)置7排橋墩（橋墩編號7#～13#）；主墩（10#、11#墩）采用雙肢薄壁墩，垂直水流方向的墩寬1.25m；其余橋墩均采用花瓶墩，垂直水流方向的底部墩寬4.5m。各橋墩承臺頂高程均位于河床面以下，基樁均為端承樁，橋墩占用河道過水?dāng)嗝婷娣e阻水比約5.29%。

擬建橋梁6#、7#橋墩所跨南岸堤防為橫瀝島義沙圍，13#、14#橋墩所跨北岸堤防為大崗鎮(zhèn)番順聯(lián)圍，工程對橋址兩岸及上下游各50m范圍內(nèi)堤防先行按照規(guī)劃200年一遇防洪（潮）標(biāo)準進行加固，設(shè)計堤頂高程5.344m（采用國家85高程系統(tǒng)，下同），堤寬8m（含0.5m寬的防浪墻）。梁底距離兩岸堤頂?shù)淖钚艨辗謩e是5.55m、6.92m；橋墩承臺與兩岸迎水側(cè)拋石區(qū)前沿的最近距離約1.71m，與兩岸背水側(cè)坡腳排水邊溝的最近距離約4.94m。

2 防洪分析計算

2.1 建立數(shù)學(xué)模型

目前，整個西江、北江、東江下游及其三角洲構(gòu)成了一個較完整的水動力系統(tǒng)，西江、北江下游三角洲通過獅子洋與東江三角洲相連。由于河道的互聯(lián)互通，橋梁工程建設(shè)將引起所在河道的水位、流量發(fā)生變化，并對附近相鄰河道產(chǎn)生一定的連帶影響。本項目防洪分析過程主要利用一維模型計算橋墩壅水及其引起的河道斷面平均流速變化情況，利用二維模型計算工程對河道局部水流流態(tài)等方面的影響。

2.1.1 一維河網(wǎng)水流數(shù)學(xué)模型

（1）基本方程

一維非恒定流河網(wǎng)數(shù)值計算的控制方程采用較為成熟、工程應(yīng)用較多的圣維南方程組（一維河網(wǎng)三級解法）求解：利用Preissman四點加權(quán)差分格式離散水流方程組，該差分格式穩(wěn)定性好，求解速度快，能適應(yīng)復(fù)雜河網(wǎng)的水面線計算。式中：Q為流量；Z為水位；R為水力半徑；u為流速；ql為旁側(cè)入流；n為糙率系數(shù)，可用謝才公式計算；BT為包括主河道泄流寬度和僅起調(diào)蓄作用的附加寬度；B為過流河寬；A為過水面積；g為重力加速度；x、t為空間和時間坐標(biāo)。

動力連接條件Zk=Zk+1k=1，2，3…K-1，

式中：Q為節(jié)點過流量；i為表示匯集于同一節(jié)點的各河道斷面的編號；w為節(jié)點蓄水量；k為節(jié)點分支；Z為各分支斷面處的水位。

（2）模型的率定與驗證

本次模型利用西、北江“99.7”“98.6”等歷史洪水資料優(yōu)選得到河道糙率，研究范圍內(nèi)珠江網(wǎng)河區(qū)糙率分布大致介于0.015～0.037之間，三角洲上游河段糙率較大，口門段較小。選取2001年2月資料對模型進行枯水代表潮型驗證，模型驗證誤差均不超過0.1m，符合水利工程計算規(guī)范要求，糙率分布合理，可用于工程方案評價計算。

（3）模型（橋墩）概化

在一維（河網(wǎng)）計算中，需根據(jù)擬建橋梁的平面布置及橋墩結(jié)構(gòu)形式，對橋位處的河道過水?dāng)嗝孢M行概化。從工程偏安全的角度考慮，對橋墩在垂直水流方向上作全封堵處理，即扣除相應(yīng)部分的過水面積。

2.1.2 平面二維數(shù)學(xué)模型

為了模擬工程對局部河段水流平面流態(tài)造成的影響，在一維網(wǎng)河數(shù)值計算的基礎(chǔ)上，建立擬建工程局部河段的平面二維數(shù)學(xué)模型。工程局部河段平面二維數(shù)學(xué)模型的計算條件同一維河網(wǎng)模型，邊界條件直接采用一維河網(wǎng)計算成果。

（1）控制方程

平面二維數(shù)學(xué)模型主要用于較為細致地計算工程河段局部的流速及流場形態(tài)變化，其控制方程采用笛卡爾坐標(biāo)系下的二維淺水方程組：

水流連續(xù)性方程：

水流運動方程：

式中：d為時變水深；ζ為水面高程；h（h=ζ-d）為水深；p，q分別為x，y方向的單寬流量；C為謝才系數(shù)；f為風(fēng)阻力系數(shù)；V為風(fēng)速；Vx，Vy分別為風(fēng)速和風(fēng)速在x，y方向的分量；Ω為科氏力參數(shù)；pa為大氣壓強；τxx，τxy，τyy為各方向的有效切應(yīng)力。

（2）定解條件及動邊界處理

初始條件主要包括水深和流速的初始值，通過迭代計算若干次得出穩(wěn)態(tài)的初始流場及水位。

邊界條件的上邊界采用進口斷面的流量，下邊界采用出口斷面水位。

為確定計算區(qū)域中有、無水區(qū)域交界線，通常采用“凍結(jié)法”處理動邊界問題：通過定義臨界水深Δh來確定干、濕點或干、濕單元，當(dāng)水深h＞Δh時，糙率取正常值，反之糙率取一大值。

（3）主要參數(shù)

通常采用實測資料反求床面阻力系數(shù)，紊動粘性系數(shù)可采用J.W.Elder經(jīng)驗公式求解：

式中：u*為摩阻流速；h為水深；α為綜合系數(shù)，與河道形態(tài)及水流條件等因素有關(guān)，其變化范圍為0.3～1.0。

（4）計算范圍及網(wǎng)格布置

研究范圍上邊界取距離擬建橋梁上游1.3km的上橫瀝入口斷面，下邊界取距離擬建橋梁下游7.5km的上橫瀝出口斷面。采用三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，對工程附近的網(wǎng)格進行局部加密。

2.2 壅水計算分析

通過局部河段平面二維數(shù)學(xué)模型運算，求得在設(shè)計洪水頻率為P=0.5%（200年一遇）的水文條件下，橋墩阻水作用引起工程位置上游的水位壅高值以洪為主時最大約0.019m，以潮為主時最大約0.003m，且水位壅高值隨著斷面與工程距離的增加逐漸減小。工程建成后，橋位上游附近河段的水位略有上升；工程所在斷面則因為受過流面積減小、局部阻力增大的共同影響，表現(xiàn)為水位有所降低、流速有所增大；對于工程下游河段，受上游來流量減小的影響，其洪水位略有降低。

2.3 河勢影響分析

2.3.1 河道分流比變化

由數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果可知，在以洪為主及以潮為主條件下當(dāng)P=0.5%時，擬建工程河段斷面的流量減小值分別為81.1m3/s、25.9m3/s，流量變化率分別為2.0%、1.3%，工程上、下游其他河段斷面的流量變化率均低于工程河段。因此，擬建橋梁對所在上橫瀝水道及相鄰水道的行洪流量變化值和變化率的影響均較小。

2.3.2 水動力條件變化

本次計算過程在工程上游300m及下游1000m范圍內(nèi)共布置88個流速采樣點，由采樣點分析成果和流速變化等值線圖可知：擬建橋梁軸線斷面上減小的河道過流面積對斷面水流起到一定的收束作用，工程后流速有所增大，增加值為0.2m/s～0.3m/s；橋軸線近區(qū)水域的其他斷面受橋墩繞流的影響，流速有所減小，流速減小最明顯位置為橋墩下游墩頭前緣斷面，減小值為0.59m/s。此外，橋墩周圍水流產(chǎn)生繞流流態(tài)，墩頭周圍的流向變化相對較大，主槽的流向變化基本在-5°～5°之間。

總體來看，擬建工程對河道整體灘槽格局及河勢穩(wěn)定的影響較小。

2.4 工程對潮排、潮灌的影響分析

珠江三角洲河道縱橫交錯，堤外的圍區(qū)多為地勢低洼的農(nóng)田村莊，易積水成澇。對于潮汐地區(qū)，農(nóng)田灌溉常通過短時間的漲潮進行引水，圍內(nèi)澇水通過低潮位時段進行搶排，因此高高潮位降低及低低潮位升高將分別對工程區(qū)域的潮排、潮灌造成一定程度的影響。通過采用“99.7”中水和“2001.2”枯水兩組典型的水文組合進行一維非恒定流計算，結(jié)果表明：擬建橋梁引起工程上游100m處的低低潮位增加值為0.009m，高高潮位降低值為0.0008m；工程下游700m處的低低潮位增加值為0.003m，高高潮位降低值為0.0004m。潮位水頭差的變化較小，因此，工程建設(shè)對區(qū)域潮排、潮灌的影響較小。

2.5 沖淤影響分析

采用《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》（JTG C30-2015）推薦的粘性土河床沖刷公式計算擬建橋梁所引起的一般沖刷和局部沖刷深度。

2.5.1 一般沖刷計算

（1）河槽部分

式中：hp-橋下一般沖刷的最大水深（m）；Ad-單寬流量集中系數(shù))0.15；Bz-造床流量下的河槽寬度（m）；Hz-造床流量下的河槽平均水深（m）；IL-沖刷坑范圍內(nèi)粘性土液性指數(shù)，適用范圍為0.16～1.19；μ-橋墩水流側(cè)向收縮系數(shù)；Q2-橋下河槽部分通過的設(shè)計流量（m3/s）；Bcj-橋長范圍內(nèi)的河槽寬度（m）；hcm-河槽最大水深；hcq-橋下河槽平均水深。

（2）河灘部分

式中：Q1-橋下河灘部分通過的設(shè)計流量（m3/s）；htm-橋下河灘最大水深（m）；htq-橋下河灘平均水深（m）；Btj-河灘部分橋孔凈長（m）。

2.5.2 局部沖刷估算

式中：hb-橋墩局部沖刷深度；V-一般沖刷后的墩前行近流速-墩形系數(shù)；B1-橋墩計算寬度。

2.5.3 計算結(jié)果及沖淤演變分析

經(jīng)計算，在遭遇200年一遇設(shè)計洪水水位條件下，擬建橋梁河道斷面處的河槽一般沖刷最大水深約1.86m，河灘一般沖刷最大水深約0.72m，橋墩局部最大沖刷深度為2.08m。分析認為，計算的沖刷深度僅代表洪水期間的瞬時沖深，整個洪水過程對河床沖刷和淤積的影響是動態(tài)調(diào)整的，實際沖深將小于計算值；考慮到主槽內(nèi)橋墩局部流速增加所產(chǎn)生的局部沖刷較明顯，為避免水流沖刷對橋墩周圍及堤岸的破壞，建議加強對橋梁結(jié)構(gòu)安全的復(fù)核考慮及必要的防沖刷設(shè)計。

2.6 堤防穩(wěn)定計算

堤防滲流計算方法采用有限元法，依據(jù)非飽和土理論、達西定律等，利用改進平方根法直接求解線性代數(shù)方程組，進而求出多種邊界條件下的堤防浸潤線。邊坡穩(wěn)定計算采用瑞典圓弧滑動法，分別對穩(wěn)定滲流期和水位驟降期找出最小安全系數(shù)及相應(yīng)的滑裂弧位置。

本項目選取擬建橋梁跨越的北岸番順聯(lián)圍堤防位置作為計算的典型斷面，考慮穩(wěn)定滲流期（工況Ⅰ）、水位驟降期（工況Ⅱ）、施工期（工況Ⅲ）的三種工況，分別計算不同工況下的浸潤線、逸出坡降及邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。滲流計算結(jié)果表明：各工況下的計算斷面滲流出口比降均小于逸出口土層允許水力比降，堤身滲流穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果表明：各工況下的計算斷面抗滑安全系數(shù)均大于規(guī)范允許值，滿足《堤防工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50286-2013）的要求。

3 工程建設(shè)對防洪的綜合影響評價

3.1 工程建設(shè)與相關(guān)規(guī)劃的關(guān)系方面

（1）擬建橋梁對所在河道及附近相鄰河道的泄流量影響很小，工程的實施與珠江河口泄洪整治規(guī)劃的有關(guān)要求相適應(yīng)。

（2）工程區(qū)域附近的兩岸堤防將開展達標(biāo)加固，并與橋梁工程同步實施，符合南沙區(qū)防洪（潮）排澇規(guī)劃的防洪要求。

（3）擬建橋梁所在的上橫瀝水道已被劃為珠江三角洲重要河道禁采區(qū)，且工程建設(shè)不涉及采砂活動，與河道采砂規(guī)劃不矛盾。

3.2 工程建設(shè)與防洪標(biāo)準和管理要求的適應(yīng)性方面

（1）擬建橋梁涉及番順聯(lián)圍和義沙圍堤防的規(guī)劃防洪標(biāo)準為200年一遇，對應(yīng)設(shè)計洪水位為3.654m，橋梁跨番順聯(lián)圍橋址處最低梁底高程約12.104m，跨義沙圍橋址處最低梁底高程約10.734m，可滿足200年一遇的規(guī)劃防洪標(biāo)準，且按照防洪和航運的要求，留有一定的超高。

（2）擬建橋梁跨越兩岸規(guī)劃堤頂?shù)淖钚艨諡?.55m，滿足廣東省《河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項目技術(shù)規(guī)程》（DB44/T 1661-2015）規(guī)定的“跨越1、2級堤防的，凈空不得小于5.5m”的要求，不影響防汛搶險道路的暢通，滿足交通、防汛搶險、管理維修等方面的要求。

（3）擬建橋梁的左、右半幅橋墩對孔布置，橋墩順?biāo)鞣较蜉S線與洪水主流流向夾角約2°，橋墩阻水比為5.29%，均與有關(guān)技術(shù)要求和管理要求相適應(yīng)。

3.3 工程建設(shè)對河道行洪及河勢穩(wěn)定的影響方面

經(jīng)前文所述多種水文組合條件計算，橋梁工程建成后水位僅在工程局部河段有變化，橋墩阻水作用對全河段洪水面線壅高的影響有限，工程建設(shè)后不至對河道泄洪造成明顯的不利影響。

除橋墩附近局部有一定的沖刷及繞流產(chǎn)生外，擬建橋梁工程不會對河道整體水流流態(tài)等河勢變化情況產(chǎn)生明顯的不利影響，對上、下游河道主流區(qū)及主航道影響不大。

3.4 工程建設(shè)對第三人合法水事權(quán)益的影響方面

擬建橋梁下游約60m處為上橫瀝水文站，工程處于水文站所監(jiān)測周圍環(huán)境的河段范圍內(nèi)。擬建工程施工期可能產(chǎn)生較大的阻水，將引起上橫水文站測驗斷面處水位、流速發(fā)生改變，造成測驗誤差變大，測驗數(shù)據(jù)失去代表性，需設(shè)立不被擬建工程干擾的臨時站進行對比觀測以校驗上橫瀝水文站測驗數(shù)據(jù)，并采取一定的防治補救措施以保障水文站原有功能。

除此之外，工程對其他取水、排灌、通航等第三人合法水事權(quán)益不會造成明顯不利影響。

4 工程防治與補救措施建議

4.1 堤防及河床保護方面

（1）為避免橋梁建成后對堤防的加固整治有所約束，建議對擬建橋位及上下游各50m范圍的兩岸堤防先行按規(guī)劃200年一遇的防洪標(biāo)準達標(biāo)加固，并與橋梁工程同步實施。實施堤防加固的施工要求包括：

a.開挖出的土方應(yīng)堆放在遠離開挖邊坡坡頂?shù)呐R時堆土場，不能利用回填的土方應(yīng)運到指定的棄土場集中堆放，并采取相應(yīng)措施，防止水土流失。

b.在拆除過程中應(yīng)謹慎施工，以避免破壞相鄰保留部位或?qū)ζ渌麢C構(gòu)安全產(chǎn)生不利影響。

（2）建議將橋墩承臺埋于河床沖刷線以下，并對主槽橋墩周圍進行防沖刷設(shè)計，對堤岸坡腳進行拋填片石防護。

（3）施工期間，要盡可能減小機械施工對堤圍的震動及橋墩下部結(jié)構(gòu)基坑開挖對堤腳的破壞，如有所破壞，要及時加固和修復(fù)堤防。

4.2 行洪與通航安全方面

（1）擬建橋梁下部結(jié)構(gòu)施工應(yīng)盡量避開洪季，施工期間的臨時設(shè)施應(yīng)不影響行洪；如若跨汛期施工，應(yīng)在施工前編制度汛方案和防汛搶險應(yīng)急預(yù)案，并報送地方水行政主管部門備案。

（2）應(yīng)制定詳細的施工組織設(shè)計方案，明確工程周期，采取必要的防洪避險措施。施工期間不得向河床傾倒余泥廢料；完工后及時、妥善、徹底清理施工臨時圍堰、棄渣等，對河床進行清理以恢復(fù)河道行洪。

（3）為確保橋梁建設(shè)水域的通航安全，避免船只航行發(fā)生意外，建議在橋墩周圍設(shè)置防撞護舷，明確施工期航道的管理、警示標(biāo)志的設(shè)立、竣工時的通航條件核查、交用后的航道管理及相應(yīng)增加的航道配套設(shè)施（如橋涵標(biāo)示等）。

4.3 水源、水環(huán)境保護方面

應(yīng)對施工期的廢棄物、堆放物、工人生活排放水等進行有效管理，盡量減少對周圍水體的污染破壞。