跨河橋梁防洪評價中壅水和沖刷計算問題探討

文星

（巴音郭楞蒙古自治州水利水電勘測設(shè)計有限責任公司，新疆 庫爾勒 841000）

0 引言

在河道內(nèi)建設(shè)橋梁，因橋墩等構(gòu)筑物的存在，會縮窄河道內(nèi)橋位橫斷面、減小行洪斷面，同時使得流速增大，引發(fā)上游河道壅水的同時使橋孔下河槽沖刷動能增大；橋墩的阻水作用使正常行進的水流受阻，在橋墩前方出現(xiàn)橫軸環(huán)流，沿橋墩向河床底部運動的水流對河床造成沖刷。所以，壅水計算和沖刷計算是跨河橋梁防洪評價報告的重要方面。結(jié)合橋梁防洪評價報告書的審查結(jié)果不難看出，通過水面線法進行橋墩壅水高度推算時，推算結(jié)果受橋位斷面和上游斷面間距的影響較大。一些橋梁橋跨和橋墩直徑相同，即橋梁阻水面積比相同，但所計算處的最大壅水高度卻相差很大，導致審核者無法判斷計算成果的準確合理性。此外，通過經(jīng)驗公式法進行橋位沖刷深度計算時，計算結(jié)果受河槽與河灘流量分配的影響較大，若分配欠合理，則所得到的河槽河灘沖刷深度計算結(jié)果必然不合理，甚至會得出河灘沖刷深度超出河槽沖刷深度的不合理結(jié)論。

1 工程概況

X大橋為跨河橋梁，所跨越河道寬700 m，且河流兩岸地勢低洼，便于圩堤保護。河流左、右岸堤防防洪標準為10年一遇和20 年一遇，左右岸橋位處岸坡堤頂高程分別為36.20 m 和35.48 m，在圩堤的保護和約束下橋位處河段運行穩(wěn)定、順直。包含橋臺部分在內(nèi)的橋梁總長度為698.50 m，橋梁為預應(yīng)力鋼筋混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，孔跨按照30 m的跨距分設(shè)23跨；橋墩為單排雙柱式圓形橋墩，河床地面以下及以上橋墩直徑分別為1.50 m和1.40 m，設(shè)計洪水標準50年一遇。為使橋梁防洪評價成果更加科學合理，在編制該橋梁防洪評價報告時必須進行壅水和沖刷計算。

2 防洪評價中壅水計算

2.1 計算方法

根據(jù)《河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項目防洪評價報告編制導則》的規(guī)定，必須進行占用河道斷面、阻礙洪水下泄阻水建筑物的壅水計算。目前，橋梁設(shè)計單位設(shè)計人員普遍認為水面曲線法所要求的河段斷面數(shù)據(jù)及糙率等資料較為復雜，故大多采用經(jīng)驗公式法進行壅水計算；水利部門在防洪評價的過程中，通常應(yīng)用經(jīng)驗公式和水面曲線兩種壅水計算方法，而對于存在堤防等防洪保護對象的河道，基本在已知上游控制斷面壅水高度的基礎(chǔ)上采用水面線法計算。文章則主要通過水面線法進行X跨河大橋壅水高度計算。

各頻率洪水水面線通過橋梁建設(shè)前后河道斷面資料推求，以比較分析洪水水面線變化，說明橋梁工程的建設(shè)對河道洪水水位抬高的影響程度。具體而言，基于河道斷面資料、設(shè)計流量、糙率系數(shù)等資料，在求解河道恒定漸變流上下斷面能量方程后，根據(jù)下斷面水位推求上斷面水位，通過試算并最終得到河道設(shè)計洪水水面線。

河道恒定漸變流上下斷面能量方程如下：

式中：Z上、Z下—上下斷面水位（m）；hf—上下斷面間沿程水頭損失（m）；hj—上下斷面間局部水頭損失（m）；Q上、Q下—上下斷面流量（m3/s）；A上、A下—上下斷面過水面積（m2）；α上、α下—上下斷面動能修正系數(shù)；Q—流量（m3/s）；ΔL—上下斷面河道長（m）；—上下斷面流量模數(shù)均值，通過K=AR2/3計算出上下斷面流量模數(shù)后求其平均值，n—河段糙率；A—過水斷面面積（m2）；R—水力半徑（m）。

2.2 計算過程及結(jié)果

該跨河橋梁所在流域下游15.20 km處的王家河水文站為壅水計算依據(jù)站，河道下游12 km處的陸洲壩水利樞紐使河道水位抬升，以該水利樞紐為水面線起推斷面，并以王家河水文站設(shè)計流量為起推設(shè)計流量，推求陸洲壩斷面頻率分別為2%、5%、10%、20%的洪水水位。通過分析發(fā)現(xiàn)，該橋梁壅水影響范圍在橋位上游17.10 km 處的鄧王山附近，故水面線計算河段應(yīng)為陸洲壩（CS1）～鄧王山（CS20），長度為29.10 km，共設(shè)置20個斷面。

該跨河橋梁位置處于CS8和CS9之間，通常情況下設(shè)計人員直接以CS9斷面為橋上游斷面，文中為分析壅水高度受橋位斷面和上游斷面間間距的影響，在橋位與CS9斷面間增設(shè)“橋位上”斷面，所對應(yīng)的橋位與橋位上游斷面間距也隨之改變，并根據(jù)ΔZ=Z后-Z前計算不同工況下橋梁壅水高度，其中ΔZ為壅水高度（m）；Z后為橋梁建設(shè)后斷面水位（m）；Z前為橋梁建設(shè)前斷面水位（m）。CS8～CS12斷面壅水高度計算結(jié)果見表1和表2。

表1 X跨河大橋CS8～CS12斷面20年一遇壅水高度計算結(jié)果表 單位：m

表2 X跨河大橋CS8～CS12斷面50年一遇壅水高度計算結(jié)果表 單位：m

根據(jù)表中結(jié)果，該跨河橋梁建成后隨著防洪標準的變化，CS8～CS12斷面壅水高度也呈變化趨勢，且防洪標準越高，所對應(yīng)的壅水高度也越大；橋位上游壅水高度主要與橋位～上游斷面距離關(guān)系較大。20年一遇洪水下，當橋位與橋位上斷面距離在10～100 m以內(nèi)時，壅水高度取值0.03～0.06 m；當橋位與橋位上斷面距離在100～1 100 m時，壅水高度取值最大達0.13 m，是橋位與橋位上斷面距離10～100 m以內(nèi)壅水高度值的2～3倍。

根據(jù)計算公式（1）和（2）不難看出原因所在，在河段糙率、設(shè)計流量、下斷面水位等值既定的情況下，沿程水頭損失及上斷面過水面積是影響上斷面水位的主要因素，而沿程水頭損失的大小又取決于上下斷面距離以及過水面積。公式（2）中的K為上下斷面流量模數(shù)均值，該跨河橋梁建成后橋墩使橋位斷面過水面積縮窄，所以下斷面流量模數(shù)減小，導致沿程水頭損失增大、河段縮窄，故河道長度越大則沿程水頭損失也就越大，壅水高度也越大。事實上順水流向的橋墩阻水以及橋位過水面積的減小只在局部范圍內(nèi)發(fā)生，通常不超出橋墩范圍10 m，如果所設(shè)定的上下斷面間距離過長，則必定使壅水高度計算結(jié)果脫離實際。

綜上分析，橋位與橋位上游斷面距離的縮短是保證壅水高度計算結(jié)果更加合理的有效措施，那么，該距離應(yīng)當如何選??？結(jié)合表1 和表2 計算結(jié)果以及類似跨河橋梁壅水分析成果，認為橋位與橋位上游斷面距離應(yīng)在約50 m。也就是說在測量河道橫斷面時，應(yīng)在橋位上游50 m處增設(shè)一加測斷面，從而更加準確地獲得跨河橋梁回水影響高度及范圍相關(guān)資料。

3 防洪評價中的沖刷計算

3.1 計算方法

當河道內(nèi)流量較大時水位較高，復式河床斷面出現(xiàn)水流漫灘，但因水深、水流流速和糙率相差較大，河槽及河灘所遭遇的水流沖刷程度不同，為此必須分別計算河槽、河灘沖刷，以得到較為準確的沖刷深度計算結(jié)果。為此采用《水力學》復式斷面明渠均勻流量計算公式計算并分配河槽河灘通過流量。

式中：V—流速均值（m/s）；n—糙率；R—水力半徑（m）；J—水面比降。

設(shè)河流主河槽及左右邊灘水面比降相同，則：

式中：Qi—河流主河槽及左右邊灘流量（m3/s）；Ai—河流主河槽及左右邊灘過水面積（m2）；Vi—河流主河槽及左右邊灘流速均值（m/s）；Ri—河流主河槽及左右邊灘水深均值（m）；ni—河流主河槽及左右邊灘糙率。

3.2 計算過程及結(jié)果

該跨河橋梁橋位斷面包括主河槽及左邊灘兩部分，結(jié)合勘測資料、河床實際以及橋址下游王家河水文站實測糙率值，主河槽及左邊灘糙率分別取0.024和0.030，采用流量分配公式得到的橋位斷面流量分配結(jié)果見表3。

表3 橋位斷面流量分配結(jié)果表 單位：m3/s

采用《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》所提供的河床及河灘沖刷計算公式可以計算出該跨河橋梁主河槽與左邊灘沖刷深度，為便于比較，按水力學公式所得分配流量與按面積比分配流量對應(yīng)的沖刷成果見表4。

表4 跨河橋梁沖刷深度成果匯總表

表3橋位斷面流量分配結(jié)果顯示，采用水力學公式分配流量及按照面積比分配流量兩種方式下，后者左邊灘流量較大而主河槽流量較小。而從表4的沖刷深度結(jié)果的比較可知，后者左邊灘沖刷深度反而超出主河槽沖刷深度，這明顯與實際情況相悖；而前者的沖刷深度計算結(jié)果較為符合河流運行實際。這種相悖的情況在實際工作中也較為常見，主要原因在于設(shè)計人員不了解流量分配計算，僅憑個人經(jīng)驗或面積比進行河槽河灘流量確定，并未真正考慮河槽河灘糙率系數(shù)不同而對沖刷深度的影響，流量分配不合理，必然引起沖刷成果偏差。

4 結(jié)論

綜上所述，壅水及沖刷計算是跨河橋梁防洪評價的重要方面，也是進行跨河橋梁工程建設(shè)對周圍堤防等水利設(shè)施、河勢演變、防洪等影響評價的主要依據(jù)，為此，必須保證壅水計算及沖刷計算結(jié)果的科學合理。該跨河橋梁工程水面曲線法所得壅水高度計算結(jié)果表明，為保證所得出的壅水高度計算結(jié)果更加符合跨河橋梁運行實際，橋位上游首個斷面和橋位的最佳間距應(yīng)為約50 m。而復式斷面河槽及邊灘沖刷計算結(jié)果顯示，為提高沖刷結(jié)果的合理性，應(yīng)采用水力學方法進行流量分配計算。