博爾塔拉河溫泉縣大橋建設項目對洪水影響分析

王 燕

(博爾塔拉水文勘測局，新疆 博樂 833400)

河道具有重要的行洪作用，可保證河道沿線居民的安全[1-2]。在河道新建工程項目時，不可避免會對河道防洪造成一定影響。因此，在工程設計階段，分析工程建設對河道洪水的影響是非常必要的[3-5]。可提前采取防治措施，降低工程建設的風險，保障河道行洪通暢。以溫泉縣布熱村大橋建設工程為例，研究新建橋梁工程對河道洪水的影響。

1 工程概況

博爾塔拉河自西向東流，溫泉水文站以上集水面積2 206 km2，河長97 km。博樂水文站以上集水面積6 627 km2，河長177.0 km。自博爾塔拉河源頭至入湖口河流全長252 km。

布熱村大橋位于博爾塔拉河上游，距離溫泉縣14 km，項目為兩座橋：K0+410.00中橋，孔徑2～20 m，交角90°，橋梁全長48.58 m。K0+630.00大橋，孔徑7～20 m，交角90°，橋梁全長148.6 m。

河段上游無水利工程及相關設施，下游2 km左右處有一處冷水魚基地，北一支渠首位于下游4 km北岸，北一干渠渠首工程始建于1978年，為閘堰結合式攔河渠首，該渠首系集引水灌溉、發(fā)電功能之綜合性渠首。下游13 km處為濕地公園。

該涉河橋梁位于霍托海河段上游900 m左右處。1991年10月12日博爾塔拉水文水資源勘測局組織部分人員，對博爾塔拉河溫泉水文站上游約12.0 km霍托海處進行了歷史洪水調查。調查到該河段兩次大洪水，其洪峰流量排歷史第一位和第二位，第一位是1941年7月中旬發(fā)生的，洪峰流量為337 m3/s，第二位是1946年(具體月日不詳)，洪峰流量為166 m3/s，經考證這兩次調查洪水可靠程度為較可靠。調查成果見表1。

表1 博爾塔拉河霍托海河段歷年洪水調查成果統(tǒng)計表

2 新建橋梁對洪水影響分析

2.1 斷面洪峰流量及水位流量關系

根據(jù)調查和資料收集，斷面洪峰流量及水位流量關系分別見表2和圖1。

表2 項目斷面設計洪水成果表

圖1 水位流量關系曲線圖

2.2 雍水分析

2.2.1 雍水高度及雍水長度計算

(1)雍水高度計算

壅水高度按下式計算。

(1)

(2)

(3)

式中：K為壅水系數(shù)；Qp為設計流量，m3/s；Q0m為天然狀態(tài)下通過的設計流量，m3/s；Vm、V0m分別為橋下、天然狀態(tài)平均流速，m/s；A0m、Aj分別為橋下過水、凈過水面積，m2。

因此本工程雍水高度為0.45 m。

(2)雍水長度計算

壅水長度按以下公式進行計算：

(4)

式中：L為壅水曲線長度(m)； ΔZ為壅水高度(m)；i0為水面比降。

通過上試計算，得雍水長度為34.14 m。

2.2.2 風壅增水高度、波浪高度計算

風壅增水高度、波浪高度計算結果見表4。

表3 雍水高度計算結果

表4 風壅增高、浪高計算成果表

2.2.3 對上游淹沒影響分析

由計算可知，博樂河發(fā)生50 a一遇洪水時，擬建橋斷面處洪峰流量為271 m3/s，計算天然水面高程1 451.75 m，建橋后水面高程1 452.87m(考慮最高壅水)，根據(jù)主體報告，原防洪堤設計超高采用值1.0 m計算，則頂高不應低于1 453.87 m，現(xiàn)左岸岸頂高程1 455.5 m，右岸岸頂高程1 455.62 m，現(xiàn)上游河岸岸頂高程超過50 a一遇洪水位高度分別為2.63 m/2.75 m(左/右岸)，因此，建橋后對上游不會產生淹沒影響，洪水可從河道順利行洪。

2.3 河勢影響分析計算

2.3.1 縱向穩(wěn)定指標

河床的縱向穩(wěn)定程度計算公式為：

K1=d/h/J

(5)

式中：K1為河床穩(wěn)定系數(shù)；d為河床沙平均粒徑(mm)；h、J分別為河段平均水深、比降。

當K1>0.17時，河床穩(wěn)定性較好，當K1<0.17時，工程所在河段易變形。

對擬建工程區(qū)河段進行縱向穩(wěn)定性進行計算，計算成果見表5，計算結果表明整個河道縱向穩(wěn)定性指標均明顯大于0.17，可見縱向穩(wěn)定性較好。

表5 縱向穩(wěn)定計算成果表

2.3.2 橫向穩(wěn)定系數(shù)

河床的橫向穩(wěn)定指標計算公式為：

K2=Q0.5/J0.2/B

(6)

式中：K2為橫向不穩(wěn)定系數(shù)；B為水面寬(m)；J為水面比降(‰)；Q為流量(m3/s)。

當K2>0.17時，河床穩(wěn)定性較好，當K2<0.17時，工程所在河段易變形。K2參數(shù)愈小，河床相對來說愈不穩(wěn)定；反之，這個參數(shù)愈大，河床相對來說愈穩(wěn)定。計算結果表明博河整個河道橫向穩(wěn)定性較差，河道易變形改道。而其他段河道橫向穩(wěn)定性較好。

工程建設后，河道情況略有改變。一方面，工程的修建占用現(xiàn)有行洪斷面，使得河道的行洪斷面有所減小，使河道局部區(qū)域流速略有增大，可能會出現(xiàn)小范圍的沖刷，但是影響范圍不大，對河道行洪斷面面積，水文泥沙條件影響都較小；另一方面，隨著與工程同時進行的河道整治，河段橫向擺動得以控制，整體穩(wěn)定性進一步加強。河流地質地貌條件、河床地層的組成均沒有改變，水流中無豐富物質來源，未改變河道的“相對負載”，不會引起工程河道河勢發(fā)生大的演變。

綜上所述，工程河段總體上河勢較穩(wěn)定，河道縱向演變沖淤相對平衡。隨著社會經濟的發(fā)展和各級政府對防御洪水的重視，將通過修建河堤，整治河道，穩(wěn)固河床等工程措施，提高河道過洪能力，從而確保河道在平面位置、縱橫斷面上均不會發(fā)生變化。

表6 橫向穩(wěn)定計算成果表

2.4 沖刷與淤積分析計算

2.4.1 一般沖刷分析計算

主槽內最大單寬流量按下式計算

(7)

式中：Qc為流量；Bc為水面寬；hmax為內最大水深；hpj為平均水深。

由于河床為非黏性土，采用散粒及黏性細顆粒泥沙的統(tǒng)一起動流速公式。采用沙莫夫起動流速公式、張瑞瑾起動流速公式計算得河床起動流速，再由河床沖刷深度計算公式計算得到河道最大沖刷深度，沖刷深度計算成果見表7。

表7 河道沖刷深度計算

故橋墩基礎最大沖刷深度為1.98 m。

2.4.2 局部沖刷分析計算

局部沖刷深度計算公式如下：

當υ<υ0時

(8)

當υ>υ0時：

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

表8 局部沖刷深度計算成果表(公路修正法)

2.4.3 總沖刷深度

擬建橋處斷面的總沖刷深度為一般沖刷深度與局部沖刷深度之和，上文計算成果，計算擬建橋墩處總沖刷深度：橋梁防洪標準P=2%頻率下為2.58 m。

洪水對河道沖刷主要影響橋墩基礎的安全，根據(jù)計算可知，基礎最大沖刷深度為2.58 m，基礎設計基礎埋深為2.61 m，滿足校核工況下防沖要求。

3 結語

(1)橋梁設計與建設與相關法規(guī)及規(guī)劃相適應，不會影響流域規(guī)劃的實施。

(2)橋梁修建對河道行洪影響較小。工程建成后河床整體依然穩(wěn)定，工程建設對河道的擾動將引起局部沖淤變化，但最終將重新達到平衡狀態(tài)。

(3)項目區(qū)不在蓄滯洪區(qū)內，因此不對蓄滯洪區(qū)運用影響進行評價。評價河段沒有蓄滯洪區(qū)，也無分洪泄排水閘、無法控制下泄流量，因此不存在影響洪水調度與蓄滯洪區(qū)運行。