蓮陽河特大橋工程對河岸水動力條件的影響及堤防滲流穩(wěn)定分析

費開軒

（廣東水科院勘測設(shè)計院,廣東 廣州 510610）

1 蓮陽河大橋工程

中山東路（新津河-蓮鳳路）道路橋梁及配套工程位于汕頭市東部,東海岸新城以北,路線經(jīng)過汕頭市龍湖區(qū)新溪鎮(zhèn)、澄海區(qū)壩頭鎮(zhèn)和蓮下鎮(zhèn),起點為新津河橋東岸,終點為蓮鳳路項目建設(shè)規(guī)模包括6 條市政道路,分兩個區(qū)段,第一區(qū)段為中陽大道（龍湖區(qū)段）、韓津路、南嶺路、東興路；第二區(qū)段為中陽大道（澄海區(qū)段）、紫峰路、翠峰路。兩區(qū)段道路全長17.83 km,總投資約64 億元,項目建設(shè)期限20 年,其中建設(shè)期3 年,運營期17 年。該項目的建設(shè)旨在完善汕頭市快速干網(wǎng)建設(shè),完善片區(qū)路網(wǎng)并解決對外交通通道的需求,滿足日益增長的交通量需求,帶動片區(qū)乃至整個汕頭經(jīng)濟的發(fā)展。此外該項目是2021 年汕頭亞青會配套項目的重要組成部分。汕頭亞青會預(yù)計在2021 年11 月召開,項目建設(shè)工期緊,任務(wù)重,對參建各方都是一項重大的挑戰(zhàn)。

中山東路沿線包含6 座橋。其中擬建蓮陽河大橋跨韓江下游出?？凇応柡?全長約1350 m。該工程（尤其是橋梁下部結(jié)構(gòu)工程）的建設(shè)施工與運行將占用所在河道的部分行洪、納潮過流面積,從而影響蓮陽河河道的水流條件,對河道行洪態(tài)勢造成一定程度的影響。參考有關(guān)文獻[1-6],擬建工程建設(shè)項目可能對河道行洪、納潮、排澇、灌溉、河勢穩(wěn)定、水利工程安全、防汛搶險等方面帶來不利影響,因此,本文從橋梁工程對河岸水動力條件的影響及堤防滲流穩(wěn)定作了較深入分析研究,進一步得出合理的防洪評價,為河岸長期安全運行提供保駕護航。

2 工程建設(shè)對河岸水動力條件影響分析

2.1 河道分流比變化分析

工程上游河流分叉口距離橋位較遠,處于擬建蓮陽河大橋引起的水位壅高和流速變化范圍之外,因此,不同水文組合條件下擬建工程對河道分流比變化甚小或基本不變。

2.2 河道流速、流態(tài)變化

工程水動力條件計算采用典型洪水組合采用“洪水大潮”“中水大潮”“枯水大潮”三組典型的水文組合。在擬建工程附近及上下游河道共布置了170 個流速采樣點,實時觀測采樣點特征流速、流向變化并進行統(tǒng)計。

（1）工程附近水域流態(tài)變化分析

從工程前后流速、流向變化統(tǒng)計來看,擬建橋梁建設(shè)后,由于橋墩的阻水、束流作用,橋墩附近局部產(chǎn)生繞流,流場有所變化,流向偏轉(zhuǎn)較大,最大值為35°,工程上、下游5 m范圍以外的其他水域的流向偏轉(zhuǎn)一般在15°以內(nèi)?？偟膩砜?工程河段整體流態(tài)依然平順,但工程對河道局部流態(tài)及流勢有一定的影響。

（2）工程附近水域流速變化分析

工程前后流速變化的幅度及范圍,呈現(xiàn)出由橋墩附近向上下游逐漸遞減的規(guī)律,影響范圍跟河道下泄徑流量及上溯的潮流量大小密切相關(guān)。洪、中、枯三種水文條件下,以洪水落急為最大,中水落急次之,枯水落急及漲急最小。工程河段流速變化統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1。

表1 工程河段流速變化統(tǒng)計

根據(jù)工程前后的流速等值線圖及流速變化統(tǒng)計成果表可以看出,“洪水大潮”條件下,流速增大最大值位于22#橋墩,漲急時刻流速增加0.124 m/s,橋位上游5 m附近；流速減小最大值位于6#橋墩,落急時刻流速減小0.598 m/s,橋位下游5 m附近。而“中水大潮”及“枯水大潮”條件下,河道邊灘區(qū)域局部不過水,流速變化范圍主要位于河道右側(cè)主槽位置,其中洪水大潮水文條件下流速變化最大,右側(cè)一八圍迎水側(cè),附近流速明顯變小,工程后河道主流往左偏移,橋址上下游河段主槽左半部分的流速呈增加趨勢,主槽右半部分流速呈減小趨勢。流速、流向變化影響范圍至上游200 m、下游500 m恢復(fù)正常。

綜上所述,工程實施后,所在河道整體流態(tài)平順,流速變化區(qū)域主要局限在橋址附近,擬建工程對工程所在河道局部流速、流態(tài)有一定影響。

2.3 動力軸線的變化

由數(shù)學(xué)模型的研究成果分析可知,擬建工程建成后,河道整體流態(tài)變化不大,流態(tài)平順,整個河段主槽水流動力軸線基本沒有變化?？梢哉J(rèn)為蓮陽河大橋工程不會從整體上改變工程河段的流態(tài),也不致對工程河段的水動力變化產(chǎn)生明顯影響。

2.4 灘槽和岸線變化

蓮陽河大橋工程對蓮陽河下游河道的水動力狀況改變主要局限于橋址附近,橋址處及其下游河道兩岸流速變化不明顯,項目建設(shè)不會改變所在河道的整體灘槽分布格局。因此,蓮陽河大橋工程對所在及其周邊其它相鄰的其它河道的水流動力特性的影響局限在工程附近,與其相鄰的其它河道的分流量和分流比變化不明顯。

2.5 潮排、潮灌影響分析

韓江三角洲地區(qū)河道縱橫交錯,由于河道分隔,堤岸圍成可供耕作和居住的圍區(qū)。這些圍區(qū)多為田地村莊,一般地勢低洼,易積水成澇。對于感潮影響區(qū)域,農(nóng)田灌溉經(jīng)常需利用短時間的漲潮時機進行引水灌溉,而利用落潮時的低潮位時段進行搶排,搶排水頭差一般為0.1 m～0.2 m,低低潮位升高則減小了排水水頭差,降低了農(nóng)田的自排能力。高高潮位降低,則降低了灌溉水利工程的引水水頭,不利于進行潮灌,甚至無法把水引入田地,導(dǎo)致一些水閘失去作用。

（1）潮排水位影響分析

工程對河道潮排能力的影響主要體現(xiàn)在中水期低低潮位的變化上,計算選用“中水大潮”水文條件。計算結(jié)果表明：擬建工程實施后,橋址上游水域的低低潮位有所抬升,最大抬升值為0.008 m；橋址下游水域低低潮位則輕微降低,降幅在0.004 m以內(nèi)；距離工程較遠的采樣站點則基本沒變化?？梢?工程建設(shè)對蓮陽河的工程區(qū)及其上游水域的潮排有所影響,但總體影響較小,對其余水域的潮排影響不大。

（2）潮灌水位影響分析

工程對河道潮灌能力的影響主要體現(xiàn)在枯水期高高潮位變化上,本次計算選用“枯水大潮”水文條件。計算結(jié)果表明：擬建工程實施后,橋址上游水域的高高潮位有所降低,降幅在0.004 m以內(nèi)；橋址下游水域高高潮位有所升高,最大抬升值為0.004 m；距離工程較遠的采樣站點則基本沒變化?？梢?工程建設(shè)對蓮陽河的工程區(qū)及其上游水域的潮灌有所影響,但總體影響較小,對其余水域的潮灌影響不大。

3 堤防滲流穩(wěn)定分析

3.1 計算工況

根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50286-2013）[7],結(jié)合堤岸實際情況,本文選取多種不利的水力邊界條件（見表1）,進行擬建工程堤防的滲流安全分析。

3.2 計算斷面

根據(jù)2018年1月水利水電勘測設(shè)計咨詢成果和建議,結(jié)合擬建工程橋位布置圖,確定擬建工程跨越蓮陽河兩側(cè)海堤的計算斷面。蘇溪圍堤防穩(wěn)定復(fù)核計算斷面見圖1。

圖1 蘇溪圍標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

3.3 計算參數(shù)

基于地勘成果,堤段除堤身的填土,基礎(chǔ)土層自上而下依次是第②-1層細(xì)砂（Q4m)、第②-2層淤泥（Q4m) 、第③-1層粉質(zhì)粘土、第③-2層淤泥質(zhì)土。根據(jù)土工試驗結(jié)果,結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗,確定計算所涉及的各土層物理力學(xué)指標(biāo),見表3。施工工況考慮施工期間可能產(chǎn)生的擾動,各土層抗剪指標(biāo)按0.95折減,堤頂路按汽車-20級公路考慮22 kPa均布荷載,同時考慮施工棧橋直接搭接于堤頂,在堤頂迎水面施加50 kN的集中荷載進行復(fù)核計算。滲流穩(wěn)定復(fù)核計算的邊界條件擬定見表4。

表4 斷面穩(wěn)定滲流計算的邊界條件表

3.4 計算結(jié)果及分析

計算采用有限元滲流分析軟件,按照表1所給參數(shù)及表2所列工況進行計算,各工況下計算浸潤線見圖2～圖9。

表2 堤防滲流計算工況及內(nèi)容

圖2 工況1時蘇溪圍的穩(wěn)定滲流浸潤線

圖3 工況2時蘇溪圍的穩(wěn)定滲流浸潤線

圖5 工況4時蘇溪圍的滲流浸潤線

圖6 工況1時一八圍的穩(wěn)定滲流浸潤線

圖7 工況2時一八圍的穩(wěn)定滲流浸潤線

圖8 工況3時一八圍的穩(wěn)定滲流浸潤線（驟降工況的中間時刻）

圖9 工況4時一八圍的滲流浸潤線

有限元法滲流浸潤線計算表明：擬建工程附近的蘇溪圍和一八圍在正常運用工況和非常運用工況條件下均未出現(xiàn)坡面滲流溢出。但考慮到施工機械的振動對土層滲透性有一定影響,因此建議施工期間加強工程堤段的維護和觀測,遇到險情及時上報水行政主管部門并盡快進行處理。又由于左幅橋5#墩臺落在一八圍背水坡后側(cè)平臺及堤后排水溝處,可能造成接觸滲流,建議考慮相應(yīng)防護補救措施。

4 結(jié)論

（1）經(jīng)水動力條件分析,擬建蓮陽河特大橋工程對河道分流比變化甚小或基本不變,所在河道整體流態(tài)平順,流速變化區(qū)域主要局限在橋址附近,擬建工程對工程所在河道局部流速、流態(tài)有一定影響。

（2）工程修建以后,不會從整體上改變工程河段的流態(tài),也不致對工程河段的水動力變化產(chǎn)生明顯影響,對所在及其周邊其它相鄰的其它河道的水流動力特性的影響局限在工程附近,與其相鄰的其它河道的分流量和分流比變化不明顯。

（3）對蓮陽河的工程區(qū)及其上游水域的潮排和潮灌有所影響,但總體影響較小,對其余水域的潮排和潮灌影響不大。

（4）根據(jù)有限元滲流計算結(jié)果,擬建工程附近的蘇溪圍和一八圍在正常運用工況和非常運用工況條件下均未出現(xiàn)坡面滲流溢出,總體堤防滲流穩(wěn)定滿足要求,局部需作有針對性的處理。