跨河橋梁對(duì)河道行洪的影響分析

安瑞瑞

（中路黃河（山西）交通科技集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006）

跨河橋梁建設(shè)會(huì)改變河道水流形態(tài)、影響局部沖淤平衡，對(duì)河道的行洪能力產(chǎn)生一定的影響。對(duì)跨河橋梁進(jìn)行防洪評(píng)價(jià)，是保證河道滿足一定行洪標(biāo)準(zhǔn)的必要環(huán)節(jié)。

1 工程概況

擬建沁河大橋位于陽(yáng)城縣潤(rùn)城鎮(zhèn)王家莊村附近的沁河主河道河段，為高速公路跨河大橋，地處太行山峽谷地帶。橋梁全長(zhǎng)578 m，橋面凈寬25 m，全橋3聯(lián)。上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土（后張）連續(xù)箱梁，預(yù)應(yīng)力混凝土（后張）簡(jiǎn)支變連續(xù)T梁；下部結(jié)構(gòu)，橋墩采用墻式墩、柱式墩，橋臺(tái)采用樁柱式橋臺(tái)；采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。主河床橋墩尺寸7 m×5 m，墩高約72 m。墩臺(tái)采用樁基礎(chǔ)，橋梁下部結(jié)構(gòu)中，主河床承臺(tái)埋深約2 m，樁基礎(chǔ)埋設(shè)在沖止標(biāo)高以下。

橋梁垂直沁河主線方向鋪設(shè)，橋墩軸向平行主槽水流方向。大橋設(shè)計(jì)高程為548.326~559.271 m，梁底板最低高程為546.397 m，河床高程為475.62 m。

2 防洪評(píng)價(jià)計(jì)算

依據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50201-2014），沁河大橋防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，沁河河道防洪標(biāo)準(zhǔn)采用20年一遇。

2.1 水文分析計(jì)算

張峰水庫(kù)位于擬建大橋斷面上游69.6 km處，是一座大（二）型水庫(kù)。因此分析計(jì)算大橋斷面洪水，就需要考慮水庫(kù)下泄洪水和水庫(kù)至計(jì)算斷面區(qū)間洪水的遭遇和組合，計(jì)算斷面洪水需采用地區(qū)洪水組成法。經(jīng)過(guò)張峰水庫(kù)的調(diào)洪演算，得P=1%的最大下泄流量為2 518 m3/s，P=5%的最大下泄流量為699 m3/s。對(duì)于區(qū)間洪水，因無(wú)參證水文站，故按無(wú)資料地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式法進(jìn)行計(jì)算，得P=1%的區(qū)間洪峰流量為2 380.4 m3/s，P=5%的區(qū)間洪峰流量為1 664.2 m3/s。綜上可得100年一遇設(shè)計(jì)洪水洪峰流量為4 898.4 m3/s，20年一遇設(shè)計(jì)洪水洪峰流量為2 363.2 m3/s。

通過(guò)水面線計(jì)算公式，利用河道水力計(jì)算HECRAS軟件，輸入實(shí)測(cè)河道橫斷面，設(shè)置起推斷面，沁河河道水面線起推斷面以潤(rùn)城水文站為起推斷面，起推水位為481.52 m。根據(jù)圖1潤(rùn)城站水位-流量關(guān)系曲線確定水面線起推初始水位。

圖1 潤(rùn)城水文站水位-流量關(guān)系曲線

其他上、下游無(wú)水文站河道，水面線下游起推斷面以臨界水位作為起推斷面。采用逐段試算法從下游往上游開始推算，水面線推算采用能量守恒方程公式：

式中：Z1、Z2——上、下游斷面的水位，m；

V1、V2——上、下平均流速，m/s；

α1、α2——上、下游斷面的動(dòng)能修正系數(shù)（均取1）；

g——重力加速度，m/s2；

Q——河段的平均流量，m3/s；

△L——斷面的間距，m；

ξ——局部水頭損失系數(shù)；

河段上游斷面和下游斷面流量模數(shù)平均值計(jì)算公式：

本次計(jì)算，沁河100年一遇洪峰4898.4m3/s情況下，潤(rùn)城水文站斷面洪水位是481.25 m，計(jì)算結(jié)果與潤(rùn)城水文站水位流量關(guān)系計(jì)算的481.52 m相近；本次計(jì)算沁河20年一遇洪峰流量2 363.2 m3/s情況下，潤(rùn)城水文站水位標(biāo)高為480.01 m，與潤(rùn)城水文站1982年洪峰流量2 710 m3/s情況下實(shí)測(cè)最高水位為479.95 m相近。綜合上述水位比較，本次水位計(jì)算結(jié)果較為合理，最終計(jì)算得沁河大橋橋位100年一遇洪水位為485.95 m。

2.2 河床沖刷計(jì)算

橋梁墩臺(tái)的沖刷深度，包括河床自然演變的沖刷深度、一般沖刷深度及局部沖刷深度三部分?；谇吆雍拥赖臍v史及近期演變，分析河道演變趨勢(shì)，總體河床穩(wěn)定性較好，可以不考慮自然演變沖刷。

河槽一般沖刷根據(jù)《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG C30—2015）推薦的非粘性土河床有關(guān)公式和方法計(jì)算。

2.2.1 一般河槽部分沖刷計(jì)算公式

式中：hp——一般沖刷后的最大水深，m；

Ad——單寬流量集中系數(shù)，取1.03；

Q2——設(shè)計(jì)流量，m3/s；

μ——側(cè)向壓縮系數(shù)；單孔凈跨徑為40 m，流速≥4.0，取0.96；

Bcj——河槽寬度，m；

hcm——河槽最大水深，m；

hcq——河槽平均水深，m；

E——與汛期含沙量有關(guān)的系數(shù)，經(jīng)分析取0.66。

2.2.2 橋墩局部沖刷

非粘性土河床橋墩局部沖刷計(jì)算：

①當(dāng)v≤v0時(shí)：

式中：hb——橋墩的局部沖刷深度，m；

Kξ——墩形系數(shù)，取1.2；

Kη1、Kη2——河床顆粒影響系數(shù)；

B1——橋墩計(jì)算寬度，3.5 m；

hp——一般沖刷后的最大水深，m；

v——一般沖刷后墩前行近流速，m/s；

v0——河床泥沙起動(dòng)流速，m/s；

v0′——墩前泥沙起沖流速，m/s；

n1——指數(shù)。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，P=1%時(shí)，一般沖刷水深為10.11 m，局部沖刷為3.28 m；P=5%時(shí)，一般沖刷水深為4.79 m，局部沖刷為2.79 m。

2.3 壅水、回水分析計(jì)算

擬建沁河大橋下游1.5 km處有潤(rùn)城水文站，以潤(rùn)城水文站為起始斷面，利用HEC-RAS軟件推求水面線。根據(jù)水面線計(jì)算成果可得擬建沁河大橋P=1%最大壅水高度為0.11 m，壅水回水長(zhǎng)度為1 500 m；P=5%最大壅水高度為0.07 m，壅水回水長(zhǎng)度為1 400 m。

2.4 橋梁過(guò)流能力復(fù)核

橋梁底部高程為設(shè)計(jì)洪水位、壅水高度、波浪壅高、風(fēng)壅增水高度和橋下凈空安全值之和。根據(jù)規(guī)范，P=1%時(shí)梁底高程計(jì)算值：hmin為486.820 m。故設(shè)計(jì)值546.397 m滿足100年一遇的安全超高要求。

3 橋梁對(duì)河道的行洪影響分析

3.1 對(duì)防洪標(biāo)準(zhǔn)、水利規(guī)劃適應(yīng)性分析

根據(jù)《臨汾、晉城市境內(nèi)沁河河道（長(zhǎng)263 km）治導(dǎo)線規(guī)劃報(bào)告》（以下簡(jiǎn)稱《治導(dǎo)線規(guī)劃》），沁河大橋跨越河道樁號(hào)為K 299+000，治導(dǎo)線寬度為243.51 m，沁河大橋設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為578 m，所以橋梁長(zhǎng)度符合治導(dǎo)線寬度要求，其中沁河大橋4—7號(hào)墩位于沁河治導(dǎo)線規(guī)劃范圍內(nèi)，邊墩位于河道指導(dǎo)線范圍以外。

3.2 對(duì)行洪安全、河勢(shì)穩(wěn)定的影響分析

橋墩的布置減小了有效行洪斷面面積，但建橋前后河道過(guò)流面積變幅較小。橋前水位最大壅高值0.11m，相對(duì)于該河段洪水位陡漲陡落的自然變幅較小；最大水位回水長(zhǎng)度1 500 m，壅水影響范圍較小。橋墩的阻水導(dǎo)致橋墩上下游流速有所減小，但流速變化小，擾流作用影響弱，整體阻水程度不大，對(duì)河槽和岸線影響較小。橋墩處壓縮水流造成的沖刷深度較小，河道平面型態(tài)無(wú)明顯改變；橋下河槽沖刷有利于淤積型河道行洪斷面的恢復(fù)。橋梁對(duì)行洪能力和整體河勢(shì)影響不大，對(duì)于橋底天然河道可增設(shè)堤防保護(hù)。

4 影響防洪評(píng)價(jià)的問(wèn)題分析

由于防洪評(píng)價(jià)是在橋梁設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，在之后的具體施工和運(yùn)行階段，可能受到某些因素的影響導(dǎo)致現(xiàn)有河道與進(jìn)行防洪評(píng)價(jià)的河道狀況有所差異，從而影響防洪評(píng)價(jià)的可靠性，因此有必要對(duì)影響防洪評(píng)價(jià)的問(wèn)題進(jìn)行分析。

4.1 橋梁設(shè)計(jì)期的問(wèn)題分析

針對(duì)橋梁的選址應(yīng)充分考慮河流的地質(zhì)情況以及河流的具體特點(diǎn)。相對(duì)于平原地區(qū)，山區(qū)的地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，水流擴(kuò)散問(wèn)題突出、平面不穩(wěn)定，河流變化較大，其地質(zhì)結(jié)構(gòu)在滲透和河流的沖擊下也會(huì)發(fā)生明顯改變，對(duì)河道防洪產(chǎn)生直接或間接作用。因此，對(duì)于特殊地區(qū)，進(jìn)行防洪評(píng)價(jià)應(yīng)按具體情況進(jìn)行分析與計(jì)算。如案例中必須考慮到上游水庫(kù)以及下游水文站等水利工程的情況。

在充分利用實(shí)測(cè)流量資料，考慮歷史洪水調(diào)查資料的基礎(chǔ)上，根據(jù)《山西省水文計(jì)算手冊(cè)》中推薦的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水計(jì)算。在此基礎(chǔ)上分析已有資料和實(shí)地情況，選取合適的評(píng)價(jià)計(jì)算方法并復(fù)核校對(duì)。如案例中也可利用擬建大橋下游1.5 km處水文站的水文資料通過(guò)水文比擬法進(jìn)行水文分析計(jì)算，但因沒(méi)有考慮張峰水庫(kù)建庫(kù)前后的資料一致性以及張峰水庫(kù)調(diào)蓄影響，所以此方法不能被采用。

4.2 橋梁施工期的問(wèn)題分析

橋梁施工要注重減小對(duì)原有河道形態(tài)產(chǎn)生人為破壞。橋梁施工往往會(huì)造成河道形態(tài)和河底形態(tài)發(fā)生變化，可能會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行期河道情況與防洪計(jì)算時(shí)的河道形態(tài)差別較大，對(duì)河道行洪產(chǎn)生不利影響，從而影響防洪影響評(píng)價(jià)的可靠性與安全性。橋梁的不合理施工以及施工后的缺陷都有可能產(chǎn)生較大的影響，因此，在施工結(jié)束后，要做好施工棄土棄渣運(yùn)至指定地點(diǎn)，禁止堆放在河道內(nèi)。特別是在汛期施工，施工設(shè)施以及附屬條件都將會(huì)對(duì)河道行洪產(chǎn)生影響，在防洪安全有保障的前提下，應(yīng)該盡量減小由于施工情況產(chǎn)生的非自然因素對(duì)河勢(shì)和河道形態(tài)的影響。

4.3 橋梁運(yùn)行期的問(wèn)題分析

橋梁運(yùn)行期的主要問(wèn)題是人類日常生產(chǎn)活動(dòng)，對(duì)跨河橋梁河道的行洪影響。主要包括對(duì)河道及周圍資源的違規(guī)開發(fā)利用、日常垃圾堆放、棄渣排放等，都會(huì)對(duì)河道的行洪能力產(chǎn)生影響。運(yùn)行期若橋梁附近有相關(guān)水利工程或者其它工程新建，對(duì)于影響到河道防洪能力的，必須進(jìn)行新條件下的防洪評(píng)價(jià)，并積極采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施。

5 結(jié)語(yǔ)

建設(shè)單位在工程建設(shè)期間，必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)方案放線施工，確保行洪安全。必須承擔(dān)占用范圍內(nèi)的防洪任務(wù)，接受當(dāng)?shù)睾拥乐鞴懿块T的日常監(jiān)督和管理，服從防汛指揮機(jī)構(gòu)的統(tǒng)一指揮，汛前應(yīng)及時(shí)編制防汛搶險(xiǎn)預(yù)案，明確防汛責(zé)任人，加強(qiáng)汛期管理。工程竣工后，必須由河道主管機(jī)關(guān)參與驗(yàn)收，驗(yàn)收不合格，工程項(xiàng)目不得投產(chǎn)使用。對(duì)于橋墩阻水所造成的沖刷，建議在橋梁中墩上下游附近做好防護(hù)工程，盡量減少水流沖刷造成的影響。