皖南地區(qū)厚墩連拱古橋阻水效應(yīng)研究

鄢永輝，繆世強(qiáng)，王宏俊

(1.寧國市水利局，安徽 寧國 242500；2.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司上海分公司，上海 200439)

皖南地區(qū)古橋的建造(注：有史記載的古橋)最早可追溯到魏晉南北朝時(shí)期，而大量建造的時(shí)期成熟于磚石普及的明清時(shí)期[1]，橋梁類型以厚墩連拱橋?yàn)橹?。這些橋梁大多為不可移動(dòng)文物。

厚墩連拱橋的主要特點(diǎn)為實(shí)腹厚墩厚拱，每孔跨度一般不超過15m，橋孔、橋墩較多；橋墩厚度一般3.0～5.0m，橋孔之間為實(shí)腹，橋梁阻水率可達(dá)15%～30%，如圖1所示。

近些年，特別是在2016、2019、2020年幾場大水的沖擊下，皖南地區(qū)的厚墩連拱古橋阻水嚴(yán)重、部分橋梁受沖損毀的問題凸顯。2020年7月6—8日連續(xù)3天，旌德縣三溪鎮(zhèn)樂成橋、黃山屯溪鎮(zhèn)海橋、婺源彩虹橋等3座宋、明時(shí)期的古橋接連被洪水沖毀，引發(fā)社會(huì)廣泛關(guān)注。目前，關(guān)于古橋特別是厚墩連拱古橋的行洪能力、阻水影響定量研究較少。本文通過洪水調(diào)查、經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算、二維水流數(shù)學(xué)模型等技術(shù)手段全面分析了典型厚墩連拱古橋的阻水效應(yīng)，并提出緩解橋梁阻水的措施，可為皖南地區(qū)厚墩連拱古橋的修復(fù)和治理提供借鑒。

1 皖南地區(qū)厚墩連拱古橋概況

皖南地區(qū)水系發(fā)達(dá)，大江大河有新安江，主要支流有水陽江、青弋江、秋浦河、練江等，流域面積大于200km2的中小河流有東津河、西津河、中津河、郎川河、新郎川河、練江、豐樂水、橫江、閶江、率水、麻川河、清溪河、徽水河、九華河、白洋河、黃湓河、堯渡河等。自魏晉南北朝時(shí)期起，皖南地區(qū)的先賢在這些河流上陸續(xù)建成了大量的橋梁，以厚墩連拱橋最為普遍，橋長大于50m的厚墩連拱古橋見表1。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，皖南地區(qū)厚墩連拱古橋橋長大于50m的達(dá)21座，絕大多數(shù)為文物保護(hù)單位，其中國家級(jí)文物2座，省級(jí)8座，市級(jí)7座，縣級(jí)2座。始建于明代之前的1座，始建于明代的16座，始建于清代的4座；橋長不小于100m的11座，50～100m之間的10座。

2 厚墩連拱古橋典型結(jié)構(gòu)

以寧國市東津河上的河瀝溪橋?yàn)槔?。河瀝溪橋位于寧國市河瀝溪街道辦事處東津河上，又名永福橋，如圖2所示。

河瀝溪橋始建于明代，后多次修建，現(xiàn)存橋體部分為清代修建，是典型的厚墩連拱橋。該橋原為9孔石拱橋，高約11m，其中2#孔凈跨度為5.58m，其余8孔凈跨度為11.35～13m，橋墩寬度為2.68～4.93m。2014年在其西側(cè)增建1孔拱橋(1#橋孔)，跨度為30m，凈寬為25.3m。擴(kuò)建后的河瀝溪橋共計(jì)10孔，9個(gè)橋墩，橋梁總跨度164.8m，橋孔總凈寬約130.6m。

圖1 皖南地區(qū)典型厚墩連拱古橋立面圖

表1 皖南地區(qū)橋長大于50m的厚墩連拱古橋統(tǒng)計(jì)表[2]

圖2 河瀝溪橋位置示意圖

1995年，在河瀝溪橋下游新建了1座5孔石拱橋(以下簡稱“河瀝溪新橋”)，橋長191m，寬7m，高11m，橋孔總凈寬約150m，單孔凈寬30m，橋墩寬度3.0m。

3 河瀝溪橋阻水效應(yīng)分析

3.1 阻水率分析

通過對(duì)比河瀝溪橋阻水面積與橋址處河道行洪面積，分析河瀝溪橋阻水率。隨著水位上升，河瀝溪橋阻水率逐漸增加。當(dāng)橋上水位達(dá)到53m時(shí)(相當(dāng)于30年一遇洪水位)，河瀝溪橋阻水率達(dá)到28.9%，見表2。

表2 河瀝溪橋阻水率統(tǒng)計(jì)表

3.2 2019年洪水，河瀝溪橋壅水情況

根據(jù)安徽省水文局蕪湖水文水資源局洪水調(diào)查成果[3]，2019年8月“利奇馬”臺(tái)風(fēng)暴雨洪水期間，河瀝溪橋上、下游最高水位見表3。

表3 2019年洪水，河瀝溪橋上、下游最高水位統(tǒng)計(jì)

2019年8月“利奇馬”臺(tái)風(fēng)暴雨洪水期間，河瀝溪橋下約170m的河瀝溪水位站洪水位為51.99m，橋下47m處洪痕調(diào)查高程為52.13m，橋上13m處洪痕調(diào)查高程為52.61m，橋上500m處烏龜殼洪痕調(diào)查高程為52.99m。

3.3 阻水效應(yīng)分析

3.3.1經(jīng)驗(yàn)公式法

鐵科院陸浩橋前壅水計(jì)算公式[4- 6]在鐵路、公路的新橋設(shè)計(jì)和現(xiàn)有橋梁過洪能力驗(yàn)算中得到廣泛應(yīng)用，也是《公路工程水文設(shè)計(jì)指南》推薦的公式。

本文采用陸浩公式分析了河瀝溪橋壅水影響，見表4。

表4 河瀝溪橋最大壅水高度成果表

由表4可知，當(dāng)東津河遭遇20～50年一遇洪水時(shí)，河瀝溪橋壅水高度為0.52～0.62m。

3.3.2數(shù)學(xué)模型計(jì)算

HEC-RAS是由美國陸軍工程兵團(tuán)水文工程中心開發(fā)的河道水力分析模型[7]。該模型早期采用恒定流或非恒定流一維建模方法，廣泛地應(yīng)用于河道和洪泛區(qū)的模擬，最新的版本新增了二維非恒定流模擬板塊。HEC-RAS的二維建模方法適用于非恒定流模擬，尤其適用于堤壩潰堤、橋墩周圍、河道向洪泛區(qū)急轉(zhuǎn)彎等不同方向的水流[8～10]。

本文采用HEC-RAS二維水流模型分析河瀝溪橋阻水效應(yīng)。

(1)模型建立

模擬河長約5.3km，下至寧國水文站，上界東、中津河匯合口。采用2020年8月實(shí)測河道大斷面資料。模型采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格邊長為5m，最大網(wǎng)格尺寸為50m2，最小網(wǎng)格尺寸為19m2，平均網(wǎng)格尺寸為25m2，網(wǎng)格總數(shù)為55540個(gè)，如圖3—4所示。主槽糙率取0.030～0.035，邊灘糙率取0.06。

河瀝溪橋采用連接構(gòu)件模擬，橋梁模擬方法選擇能量方程。

模型邊界條件：上邊界條件采用“利奇馬”臺(tái)風(fēng)暴雨實(shí)測洪水過程和不同設(shè)計(jì)頻率下的洪水作為模型入流，下邊界條件為寧國水文站處相應(yīng)水位過程。

圖3 模型范圍

圖4 河瀝溪橋周邊網(wǎng)格

模型計(jì)算初始水位取開始時(shí)刻的上、下邊界的平均水位；初始流速取0,時(shí)間步長為10s。

(2)數(shù)學(xué)模型的率定驗(yàn)證

采用2019年“利奇馬”臺(tái)風(fēng)暴雨洪水期間，河瀝溪水位站實(shí)測水位資料進(jìn)行率定和驗(yàn)證，當(dāng)主槽糙率取0.033，邊灘糙率取0.06時(shí)，河瀝溪水位站實(shí)測與模擬水位過程吻合程度較好，模型計(jì)算誤差符合技術(shù)規(guī)程的精度要求(洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制導(dǎo)則中規(guī)定誤差<0.2m)，如圖5所示。

圖5 河瀝溪水位站實(shí)測與模擬水位過程對(duì)比

(3)計(jì)算方案

通過比較有、無河瀝溪橋情況下的橋上水位來分析河瀝溪橋的阻水效應(yīng)。方案0：現(xiàn)狀河道；方案1：假定河瀝溪橋拆除后的河道。

(4)計(jì)算成果

當(dāng)東津河遭遇10～50年一遇洪水時(shí)，河瀝溪橋上游烏龜殼斷面最大壅水高度為0.45～0.81m，見表5。

表5 不同洪水重現(xiàn)期下，河瀝溪橋壅水高度統(tǒng)計(jì)

3.3.3小結(jié)

(1)陸浩經(jīng)驗(yàn)公式和HEC-RAS二維水流模型計(jì)算結(jié)果均表明，以河瀝溪橋?yàn)榈湫偷暮穸者B拱古橋阻水效應(yīng)明顯。

(2)陸浩公式在等厚橋墩的鐵路、公路橋梁上有較多的應(yīng)用，在拱橋壅水高度方面的研究成果很少，難以驗(yàn)證適用性；HEC-RAS模型可以模擬拱橋，本次計(jì)算成果和實(shí)測資料吻合較好，說明HEC-RAS二維水流模型在模擬拱橋方面有較好的適用性[11]。

4 河瀝溪橋治理方案研究

2014年，為了減輕河瀝溪橋阻水影響，經(jīng)安徽省文物局批復(fù)同意，河瀝溪橋向左岸拓寬1孔。

2017—2019年，寧國市東津河城區(qū)段進(jìn)行了疏浚拓寬。由于河瀝溪橋上、下游兩岸房屋密集，河道拓寬征地拆遷費(fèi)用較高，該段河道沒有進(jìn)行治理。

2019年，“利奇馬”臺(tái)風(fēng)暴雨洪水期間，河瀝溪橋上、下游水位差達(dá)1.0m，洪水災(zāi)害給寧國市中心城區(qū)造成了巨大損失，寧國市人民政府及各部門充分認(rèn)識(shí)到防洪治理的重要性和緊迫性，有強(qiáng)烈愿望系統(tǒng)治理東津河。在此背景下，為進(jìn)一步降低河瀝溪橋壅水影響，本文提出河瀝溪橋擴(kuò)孔方案。

4.1 河瀝溪橋擴(kuò)孔方案

本次共布置2個(gè)方案，方案一在河瀝溪橋左岸新建1孔凈寬30m的橋孔，橋梁上、下游河道左岸岸線相應(yīng)后退約33m；方案二在河瀝溪橋左岸新建2孔凈寬25m的橋孔，橋梁上、下游河道左岸岸線相應(yīng)后退約56m。

4.2 模型分析成果

河瀝溪橋擴(kuò)孔之后，方案一降低烏龜殼斷面洪水位約0.5m，方案二降低烏龜殼斷面洪水位約0.7m，見表6。

表6 河瀝溪橋擴(kuò)孔前后，烏龜殼斷面水位統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)論

(1)使用HEC-RAS二維水流模型模擬了“利奇馬”臺(tái)風(fēng)暴雨洪水條件下河瀝溪橋上、下游觀測點(diǎn)水位，與實(shí)測資料和洪水調(diào)查成果較為吻合，充分驗(yàn)證了HEC-RAS二維水流模型在模擬橋梁阻水效應(yīng)方面的可靠性。

(2)當(dāng)河道岸線存在退建可能性時(shí)，通過橋梁擴(kuò)孔可較好地兼顧文物保護(hù)與河道治理的需要，是厚墩連拱古橋治理的可行措施[12]。但部分古橋由于阻水嚴(yán)重，擴(kuò)孔后，橋址處設(shè)計(jì)洪水位與橋梁拱頂?shù)酌嬷g的關(guān)系可能還是不滿足規(guī)范要求，橋梁自身行洪安全能力依然不足。建議下一步可從流域系統(tǒng)治理角度研究城市防洪問題。