淺談橋型對(duì)河道洪水影響分析

胡 宇

(萍鄉(xiāng)市河江水利工程咨詢(xún)有限公司，江西 萍鄉(xiāng) 337000)

1 項(xiàng)目概況

麻山鎮(zhèn)步行橋位于萍水河支流的麻山河下游(麻山鎮(zhèn)步行橋原址重建)，橋梁橫跨麻山河，河寬約42m，橋梁寬度為4.0m，橋面寬度組成：0.3m(欄桿)+3.4m(人行道)+0.3m(欄桿)，總長(zhǎng)度為52m，總面積為268m2，河床高程78.60m，拱頂高程86.13m。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用四等跨10.0m圓弧線鋼筋混凝土板拱，拱圈厚度為50cm，凈矢跨比為1/4。下部結(jié)構(gòu)采用樁基橋墩和樁基橋臺(tái)，墩臺(tái)樁基直徑均為1.0m，以中風(fēng)石灰?guī)r為樁端持力層。橋頭施工時(shí)應(yīng)順接兩端現(xiàn)有道路。設(shè)計(jì)荷載為人群荷載4.5kPa，設(shè)計(jì)洪水頻率按50a一遇。

圖1 建設(shè)項(xiàng)目臨河平面示意圖

2 洪水影響分析計(jì)算

2.1 防洪標(biāo)準(zhǔn)

建設(shè)項(xiàng)目地處麻山鎮(zhèn)，河道兩岸堤防工程等級(jí)為IV等，根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB50201-2014)以及保護(hù)區(qū)域重要性的原則，鄉(xiāng)村防護(hù)區(qū)的防護(hù)等級(jí)為IV等，防洪標(biāo)準(zhǔn)為20-10a；中橋防護(hù)等級(jí)為IV等，防洪標(biāo)準(zhǔn)為50a。

綜合考慮，該項(xiàng)目涉及麻山鎮(zhèn)步行橋，因此對(duì)涉及城鎮(zhèn)河道防洪標(biāo)準(zhǔn)采用10a一遇，麻山鎮(zhèn)步行橋防洪標(biāo)準(zhǔn)采用50a一遇。

2.2 水文分析計(jì)算

建設(shè)項(xiàng)目工程地處湘東區(qū)境內(nèi)，附近袁河主河道有蘆溪水文站，控制流域面積331km2，本次設(shè)計(jì)采用參證站流量資料和《江西省暴雨洪水查算手冊(cè)》分別推求洪峰流量。

2.2.1 水文比擬法

蘆溪水文站設(shè)立于1957年12月，控制流域面積331km2，為國(guó)家基本水文站，觀測(cè)水位、流量、降雨量。1973年1月基本水尺斷面下遷50m，1975年底蘆溪鎮(zhèn)治理袁河，裁彎取直，于1976年1月1日將測(cè)流斷面上遷到距鐵橋下300m左右，設(shè)立臨時(shí)斷面測(cè)流，后經(jīng)省水文總站批準(zhǔn)，于同年4月14日將測(cè)流斷面上遷100m，直到現(xiàn)在。1972年8月-12月(因斷面左岸被大水沖垮)和1976年-1978年期間受治理河道影響，測(cè)驗(yàn)質(zhì)量較差，流量資料未整編，僅刊印實(shí)測(cè)流量成果表和日平均水位表。測(cè)站水位觀測(cè)基面1976年以前采用假定基面高程，1976年以后采用黃?；娓叱?，蘆溪水文站實(shí)測(cè)最高水位為100.21m(假定基面高程)，最大流量為707m3/s(1970年5月8日)。有1958-2017年共60年實(shí)測(cè)流量資料系列。袁河流域歷史上曾發(fā)生過(guò)多次特大洪水，蘆溪河段歷史洪水成果見(jiàn)表1。

表1 袁河蘆溪河段調(diào)查歷史洪水成果表

2.2.2 《江西省暴雨洪水查算手冊(cè)》法

根據(jù)項(xiàng)目所在流域位置，查《手冊(cè)》附圖，得斷面所在流域年最大24h暴雨量均值H24=105.0mm，Cv=0.48，Cs=3.5Cv;年最大6h暴雨值均值H6=70.0mm，CV=0.48，Cs=3.5Cv；年最大1小時(shí)暴雨值均值H1=45.0mm，CV=0.38，Cs=3.5Cv。算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算成果表

通過(guò)《手冊(cè)》瞬時(shí)單位線法計(jì)算可得煤金山中橋斷面各頻率設(shè)計(jì)洪峰流量。各頻率設(shè)計(jì)洪水過(guò)程如表3。

表3 建設(shè)項(xiàng)目《手冊(cè)》法推求洪峰流量成果表

2.3 洪水計(jì)算成果的比較和采用

用水文比擬法與推理公式法兩種方法推算洪峰流量，計(jì)算成果以煤金山中橋斷面為控制斷面，比較結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 兩種方法設(shè)計(jì)洪峰流量比較表

從表4中可以看出，《手冊(cè)法》計(jì)算成果略大于參證站水文比擬法計(jì)算成果。水文比擬法采用的各水文站洪峰流量系列更長(zhǎng)，并有可靠的歷史洪水調(diào)查資料，系列代表性好，計(jì)算成果反映了相似流域的洪水情況?！妒謨?cè)》法計(jì)算涉及到許多參數(shù)的選用，各種參數(shù)是江西地區(qū)綜合的成果，具有比較好的代表性?？紤]到兩種方法計(jì)算成果比較接近，從偏安全的角度考慮，因此采用《手冊(cè)》法計(jì)算結(jié)果作為本項(xiàng)目計(jì)算洪水成果。

3 橋型對(duì)洪水影響分析

根據(jù)總平面布置圖，步行橋重建方案有兩個(gè)：一是原址原貌重建(四拱)；二是原址三拱重建。推求河道水面線主要是由下游水利工程建筑物作為起推斷面，往河流上游推算洪水水位線。

3.1 方案一：原址原貌四拱橋型

橋梁寬度為4.0m，橋面寬度組成：0.3m(欄桿)+3.4m(人行道)+0.3m(欄桿)，總長(zhǎng)度為52m，總面積為268m2，河床高程78.60m，拱頂高程86.13m。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用四等跨10.0m圓弧線鋼筋混凝土板拱，拱圈厚度為50cm，凈矢跨比為1/4。下部結(jié)構(gòu)采用樁基橋墩和樁基橋臺(tái)，墩臺(tái)樁基直徑均為1.0m，以中風(fēng)石灰?guī)r為樁端持力層。

通過(guò)下游水利工程建筑物推求水面線，步行橋斷面頻率P=2%時(shí)，流量Q=849m3/s，水位Z=84.98m，此時(shí)橋梁壅水高度為0.08m，橋下凈空按1.00m計(jì)算，橋梁下弦最低高程為86.06m，拱圈厚度為50cm，橋面最低高程為86.56m。

在50a一遇洪水條件下，步行橋斷面設(shè)計(jì)洪峰流量849m3/s，工程前橋位過(guò)水面積269m2，平均流速2.62m/s；大橋建成后，橋位過(guò)水面積223m2，平均流速2.83m/s，與天然情況相比，大橋建成后河道面積縮小了17.1%，平均流速增加0.21m/s，流速增幅為8.0%，橋位斷面最高壅水為0.08m。

圖2 方案一：步行橋四拱立面示意圖

3.2 方案二：原址三拱重建

橋梁寬度為4.0m，橋面寬度組成：0.3m(欄桿)+3.4m(人行道)+0.3m(欄桿)，總長(zhǎng)度為52m，總面積為268m2，河床高程78.60m，拱頂高程86.18m。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用三等跨13.0m圓弧線鋼筋混凝土板拱，拱圈厚度為60cm，凈矢跨比為1/4。下部結(jié)構(gòu)采用樁基橋墩和樁基橋臺(tái)，墩臺(tái)樁基直徑均為1.0m，以中風(fēng)石灰?guī)r為樁端持力層。

通過(guò)下游水利工程建筑物推求水面線，步行橋斷面頻率P=2%時(shí)，流量Q=849m3/s，水位Z=84.95m，此時(shí)橋梁壅水高度為0.07m，橋下凈空按1.00m計(jì)算，橋梁下弦最低高程為86.02m，考慮到三拱支撐整個(gè)橋梁上部結(jié)構(gòu)，為了保證橋梁的穩(wěn)定性和安全性，設(shè)計(jì)拱圈厚度為60cm，橋面最低高程為86.62m。

在50a一遇洪水條件下，步行橋斷面設(shè)計(jì)洪峰流量849m3/s，工程前橋位過(guò)水面積269m2，平均流速2.62m/s；大橋建成后，橋位過(guò)水面積233m2，平均流速2.75m/s，與天然情況相比，大橋建成后河道面積縮小了13.5%，平均流速增加0.13m/s，流速增幅為4.9%，橋位斷面最高壅水為0.07m。

圖3 方案二：步行橋三拱立面示意圖

3.3 方案選定

表5 步行橋兩種方案對(duì)比成果表

綜上所述，重建步行橋三拱設(shè)計(jì)方案對(duì)比四拱設(shè)計(jì)方案，雖然能降低洪水水面線，但是降低的幅度有限，僅僅降低0.03m，從橋梁的穩(wěn)定性和安全性考慮，要增加拱圈厚度0.10m，從整體效果而言，反而提高了橋面高程0.06m；從工程造價(jià)來(lái)看，三拱設(shè)計(jì)方案對(duì)比四拱設(shè)計(jì)方案，減少了一個(gè)橋墩的造價(jià)，但是增加了整個(gè)橋面的造價(jià)，整體算下來(lái)，相差不大。最終，橋梁設(shè)計(jì)單位和當(dāng)?shù)卣餐瑳Q定，采用了原址原貌四拱方案重建麻山鎮(zhèn)步行橋[1]。

4 建設(shè)項(xiàng)目對(duì)洪水影響評(píng)價(jià)

4.1 法規(guī)規(guī)劃適應(yīng)性評(píng)價(jià)

根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB50201-2014)以及保護(hù)區(qū)域重要性的原則，該段河道兩岸防洪工程防洪標(biāo)準(zhǔn)為10a一遇。因此建設(shè)項(xiàng)目防洪標(biāo)準(zhǔn)滿足法規(guī)和規(guī)范要求。

4.2 河道行洪影響評(píng)價(jià)

麻山河段10a一遇洪水條件下，平均流速在1.90-3.01m/s區(qū)間。建設(shè)項(xiàng)目步行橋?qū)儆谠分亟üこ?，擬建方案過(guò)流單寬10.0m，比老橋橋墩寬度更大，梁底高程也比老橋梁底更高，因此對(duì)涉及河道內(nèi)行洪影響甚微。

4.3 河勢(shì)穩(wěn)定影響評(píng)價(jià)

該工程實(shí)施后，河流的地質(zhì)地貌條件、河床地層的組成均沒(méi)有發(fā)生大的改變，工程建設(shè)對(duì)該河段河勢(shì)的影響較小。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘和相關(guān)資料分析，工程河段多年來(lái)河道形態(tài)變化不大，河勢(shì)未發(fā)生明顯變化，水流流向穩(wěn)定，河段岸線穩(wěn)定。隨著建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)施，河段河勢(shì)在未來(lái)一段時(shí)間將會(huì)形成新的平衡。

4.4 防洪工程影響評(píng)價(jià)

現(xiàn)狀麻山河城鎮(zhèn)河段兩岸已建防洪堤工程，根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)范，該河段防洪標(biāo)準(zhǔn)10a一遇，建設(shè)項(xiàng)目實(shí)施后，對(duì)現(xiàn)有防洪工程影響甚微。

4.5 其他設(shè)施影響評(píng)價(jià)

該項(xiàng)目實(shí)施后，不新增河道侵占面積，不影響現(xiàn)有防洪堤，對(duì)涉及河道管理范圍內(nèi)其他設(shè)施影響甚微。建設(shè)項(xiàng)目竣工后，河道管理范圍內(nèi)禁止建設(shè)任何阻洪建筑物。

4.6 防汛搶險(xiǎn)和水上救生影響評(píng)價(jià)

工程建設(shè)滿足《防洪標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)范，工程所處河段入河通道順暢，工程建設(shè)對(duì)水上救生影響較小。項(xiàng)目建成運(yùn)行后，隨著道路等基礎(chǔ)設(shè)施的完善，將有利于搶險(xiǎn)車(chē)輛、物資及人員的通行，對(duì)河段防汛搶險(xiǎn)更為有利。

4.7 洪水對(duì)建設(shè)項(xiàng)目影響評(píng)價(jià)

根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB50201-2014)以及保護(hù)區(qū)域重要性的原則，重建項(xiàng)目采用防洪標(biāo)準(zhǔn)為50a一遇(P=2%)。項(xiàng)目防洪標(biāo)準(zhǔn)適宜。

4.8 淹沒(méi)影響評(píng)價(jià)

建設(shè)項(xiàng)目步行橋?qū)儆谠分亟üこ?，橋墩寬度和梁底高程比歷史上老橋更大，設(shè)計(jì)梁底高程超出橋位斷面50a一遇洪水水位1.07m，壅水長(zhǎng)度僅為37.70m。因此洪水對(duì)建設(shè)項(xiàng)目影響甚微[2]。

4.9 沖刷與淤積影響評(píng)價(jià)

河床的沖刷與淤積變化主要取決于水流挾沙力變化和泥沙起動(dòng)流速。水流流速小于泥沙起動(dòng)流速，河床將不會(huì)沖刷；水流流速大于泥沙起動(dòng)流速，會(huì)引起河床的沖刷。輸沙率增大將引起河道減淤或沖刷，輸沙率減小將引起淤積或減沖；河道水動(dòng)力條件的改變，會(huì)引起河槽發(fā)生相應(yīng)的調(diào)整。本工程河段內(nèi)，河床以及河岸地質(zhì)均為花崗巖，沖刷結(jié)果對(duì)河床造成影響甚微。

5 消除或減輕建設(shè)項(xiàng)目對(duì)洪水影響的工程措施

根據(jù)中華人民共和國(guó)《水法》、《防汛法》、《河道管理?xiàng)l例》，水利部、國(guó)家計(jì)委水政[1992]7號(hào)《河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目管理的有關(guān)規(guī)定》等，凡在河道管理范圍內(nèi)新建、擴(kuò)建、改建的建設(shè)項(xiàng)目，對(duì)洪水有影響的均應(yīng)采取措施消除或減輕洪水影響。結(jié)合本工程實(shí)際情況，頻率P=2%時(shí)，建設(shè)項(xiàng)目步行橋原址重建，對(duì)河道兩岸和上、下游河道以及水利建筑物影響很小，且可系用以下措施來(lái)消除或減輕。

1)建設(shè)單位應(yīng)做好防御洪水預(yù)案，利用水文部門(mén)預(yù)報(bào)的洪峰、洪量、洪水位、流速、洪水到達(dá)時(shí)間、洪水歷時(shí)等洪水特征值，密切配合并聽(tīng)從防汛部門(mén)調(diào)度。

2)制定超標(biāo)準(zhǔn)洪水防御措施，針對(duì)可能發(fā)生的超標(biāo)準(zhǔn)洪水，提出在現(xiàn)有防洪工程設(shè)施下最大限度減少洪災(zāi)損失的防御方案、對(duì)策及措施。

圖4

6 結(jié) 語(yǔ)

麻山鎮(zhèn)步行橋?qū)τ诋?dāng)?shù)鼐用駚?lái)說(shuō)，不僅僅是通行的需求，更多的是一種情感的寄托。它見(jiàn)證了當(dāng)?shù)鼐用駧状说某砷L(zhǎng)歷程，同時(shí)也見(jiàn)證了麻山鎮(zhèn)改革開(kāi)放以來(lái)，日新月異的變化。這次老橋重建工程，讓它猶如破繭重生一般，以嶄新的姿態(tài)，守護(hù)著這座城市，以發(fā)展的眼光，展望著未來(lái)。