探討橋梁工程對河道行洪安全的影響

呂美云，陳穎歡

（廣西壯族自治區(qū)柳州水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院，廣西 柳州 545000）

1 橋梁工程概況

某工程6 號路橋跨越竹鵝溪，橋址下游135m 有一座滾水壩，下游320m、435m、535m，上游280m 處各有一座橋梁。

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，6 號路橋設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50 年一遇，橋梁的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100 年，設(shè)計(jì)使用年限為50年。橋梁全長47.04m，橋梁寬度為24m，雙向12m，單向3m 人行道，2m 分隔帶，7m 行車道。

橋梁設(shè)置1 組橋墩、2 組橋臺，橋臺采用樁柱式，帽梁高1.3m，寬1.8m，基礎(chǔ)形式采用樁基礎(chǔ)，樁徑為1.5m；橋墩采用蓋梁柱式墩，蓋梁高1.3m，寬1.6m，墩柱直徑1.3m。橋墩承臺均埋于河床或地面以下[1]。

2 橋墩阻水分析計(jì)算

根據(jù)工程斷面處的設(shè)計(jì)洪水位、斷面資料及6 號路橋橋墩設(shè)計(jì)方案，采用投影法計(jì)算各頻率設(shè)計(jì)水位下橋墩的阻水面積比，如表1 所示。

表1 建設(shè)項(xiàng)目阻水面積

由表1 可見，6 號路橋50 年、20 年、10 年、5 年一遇的阻水面積分別為4.46m2、4.15m2、3.89m2、3.62m2，阻水比分別5.24%、5.37%、5.49%、5.63%。

3 壅水和行洪能力分析計(jì)算

本次水面線計(jì)算采用HECˉRAS 建立河網(wǎng)模型進(jìn)行計(jì)算。HECˉRAS 適用于河道穩(wěn)定和非穩(wěn)定流一維水力計(jì)算，可進(jìn)行各種涉水建筑物（如橋梁、涵洞、防洪堤、堰、水庫、塊狀阻水建筑物等）的水面線分析計(jì)算，同時(shí)可生成橫斷面形態(tài)圖、流量及水位過程曲線、復(fù)式河道三維斷面圖等各種分新圖表，本次計(jì)算范圍內(nèi)涉及的水陂（堰）及橋梁均通過特征參數(shù)輸入模型當(dāng)中由軟件計(jì)算其壅水影響[2]。

3.1 基礎(chǔ)資料

3.1.1 洪峰流量

設(shè)計(jì)暴雨采用某水文站年最大1h、6h、24h 暴雨成果，利用《廣西壯族自治區(qū)暴雨徑流查算圖表》中的瞬時(shí)單位線法與推理公式法進(jìn)行計(jì)算[3]。橋址斷面處不同頻率下的設(shè)計(jì)洪峰流量如表2 所示。

表2 6 號路橋斷面洪水流量

3.1.2 斷面

斷面資料為實(shí)測1:1000 河道地形圖以及1:10000實(shí)測地形圖，充分考慮河道斷面形狀、平面形態(tài)變化和跨河建筑物的分布及回水影響范圍，本次共選取斷面10 個(gè)。

3.1.3 糙率

竹鵝溪流域已進(jìn)行相應(yīng)整治，經(jīng)過多次擬合試算，主槽糙率n 取0.037，灘地糙率取值為0.052。3.1.4 起推水位

6 號路橋梁下游135m 處有一座滾水壩，橋梁水位受滾水壩控制，故本次計(jì)算以滾水壩作為控制斷面，采用滾水壩的水位流量關(guān)系曲線推算水位。滾水壩中間有3 個(gè)寬0.6m 的缺口，缺口底高程為94.350m，壩頂高程為97.35m；根據(jù)《水力計(jì)算手冊》中的實(shí)用堰公式：

式中：Q——流量（m3/s）；m——流量系數(shù)；ε——側(cè)收縮系數(shù)，ε=1-0.2[K+（n-1）K0]H0/（nb），其中H0為堰前水頭，；B——總凈寬，m；H0——包括行近流速水頭的堰前水頭，即

根據(jù)式（2），可算出滾水壩的泄流曲線。結(jié)合橋址斷面處不同頻率下的設(shè)計(jì)洪峰流量，查滾水壩泄流曲線，可得出滾水壩不同頻率（2%、5%、10%、20%、50%）設(shè)計(jì)洪水的設(shè)計(jì)水位，如表3 所示。

表3 滾水壩各頻率水位與流量的關(guān)系

3.2 計(jì)算方法

河流水面線采用現(xiàn)狀河道一維恒定非均勻流數(shù)學(xué)模型（水流能量平衡方程）進(jìn)行計(jì)算，以控制斷面由下游往上游推算。水面線計(jì)算原理采用伯努里方程：

式中：Z1、Z2——河道水位，m；Y1、Y2——斷面水深，m；V1、V2——斷面 平 均 流速，m/s；α1、α2——?jiǎng)幽苄拚?系數(shù)，一般在紊流時(shí)取α=1，層流時(shí)取α=2；g——重力加速度；hw——能量損失。

3.3 水面線計(jì)算成果

把6 號路建橋前后斷面參數(shù)輸入HECˉRAS 建立的河網(wǎng)模型后，可得其水位變化值，如表4 所示。發(fā)生50 年、20 年、10 年、5 年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)，橋梁較天然河道產(chǎn)生的壅水分別為0.063m、0.056m、0.042m、0.037m，壅水影響范圍約為橋梁上游400m。建橋之后，橋址處50 年一遇設(shè)計(jì)洪水位為99.284m，橋梁底板高程為99.93m，橋梁底板高程高于設(shè)計(jì)洪水位0.646m。由此可見，橋梁工程實(shí)施后對河道會產(chǎn)生一定的壅水影響，但壅水影響的范圍較小[4]。

表4 6 號路橋壅水計(jì)算成果

4 沖刷淤積計(jì)算

4.1 橋下河槽一般沖刷

根據(jù)工程區(qū)地質(zhì)勘查資料顯示，橋址處為非粘性土。根據(jù)《公路工程水文勘測設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG C30—2015）中非粘性土河床的橋下河槽沖刷公式進(jìn)行計(jì)算[5]，計(jì)算公式為：

經(jīng)計(jì)算，6 號路橋河槽最大沖刷值為0.662m（50 年一遇），橋墩埋深在白云巖地層，不易被沖刷。

4.2 橋墩局部沖刷

本次采用無粘性土河床的沖刷深度公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算使用《公路工程水文勘測設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG C30—2015）中的公式：

根據(jù)設(shè)計(jì)橋墩方案查表Kξ為1.0，橋墩設(shè)計(jì)寬度B1為1.3m。經(jīng)計(jì)算，50 年一遇設(shè)計(jì)頻率洪水條件下橋墩局部沖刷深度為0.505m。

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，橋墩埋深0.95m。50 年一遇設(shè)計(jì)頻率洪水條件下橋下河槽一般沖刷為0.662m，橋墩局部沖刷深度為0.505m。橋墩埋深在白云巖地層，不易被沖刷。總體而言，河道沖刷對橋墩影響不大。

4.3 數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建

本項(xiàng)目利用MIKE21 建立二維模型，構(gòu)建二維水動力模型需要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括：①地形數(shù)據(jù)，計(jì)算范圍內(nèi)河道地形數(shù)據(jù)；②水文數(shù)據(jù)，河道上下游邊界數(shù)據(jù)，流量、水位；③糙率。

4.3.1 建模地形資料

二維模型河道地形資料主要采用工程河段實(shí)測1:1000 河道地形圖及1:500 橫斷面圖、區(qū)域1/10000 航測圖等資料進(jìn)行拼合。

4.3.2 邊界條件及計(jì)算步長

模型左、右岸邊的邊界為實(shí)際地形等高線。上游模型進(jìn)口邊界：給出一種頻率洪水下的相應(yīng)流量；下游模型出口邊界：給出一種頻率洪水下的相應(yīng)水位；固體邊界：法向流速為零，水流邊界的切向流速不為零；初始條件：給出計(jì)算區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)初始時(shí)刻的水深、流速等物理量的初始值。計(jì)算最大時(shí)間步長為30s。

4.3.3 研究范圍及網(wǎng)格布置

二維數(shù)學(xué)模型的研究范圍確定為項(xiàng)目上游280m至下游140m。采用三角形網(wǎng)格進(jìn)行二維模型計(jì)算區(qū)域剖分，模型共布置網(wǎng)格1374 個(gè)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為790 個(gè)，網(wǎng)格最大面積為30m2。

4.3.4 模型的率定

選擇橋址斷面作為驗(yàn)證斷面，糙率采用0.033～0.055，模型計(jì)算橋址斷面P=2%天然洪水位為99.245m，P=2%設(shè)計(jì)水位為99.221m，兩者相差0.024m，相差不大，滿足精度要求，因此，模型可用于工程方案的數(shù)值模擬計(jì)算。

4.4 河勢影響分析

河勢影響分析主要包括河道工程附近流速、流態(tài)的變化，動力軸線變化[4]。

為了便于分析，結(jié)合橋梁所在河流的實(shí)際情況，本次在模型上下邊界、河流轉(zhuǎn)彎處、橋梁上下游30m 處共布置了10 個(gè)斷面共30 個(gè)流速。

發(fā)生50 年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)，工程斷面處取樣點(diǎn)最大流速3.65m/s，流速變化最大增加0.21m/s，最大減小0.54m/s，流向變化最大2.69°。

發(fā)生20 年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)，工程斷面處取樣點(diǎn)最大流速3.37m/s，流速變化最大增加0.20m/s，最大減小0.39m/s，流向變化最大2.56°。

發(fā)生10 年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)，工程斷面處取樣點(diǎn)最大流速3.17m/s，流速變化最大增加0.17m/s，最大減小0.30m/s，流向變化最大2.52°。

發(fā)生5 年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)，工程斷面處取樣點(diǎn)最大流速2.89m/s，流速變化最大增加0.15m/s，最大減小0.18m/s，流向變化最大2.48°。

綜上分析，工程建設(shè)后，工程所在河段上、下游附近整體流態(tài)基本平順，工程對河段流速影響較大區(qū)域主要位于工程橋墩及下游附近，對上下游流速影響隨距離的增加也逐漸減弱，對河道整體水流動力環(huán)境影響不大。

5 建設(shè)項(xiàng)目對河道行洪安全影響評價(jià)

6 號路橋設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 年一遇，根據(jù)壅水計(jì)算成果：50 年一遇設(shè)計(jì)洪水位為99.284m，6 號路橋梁底高程為99.93m，橋梁底高程高于50 年一遇設(shè)計(jì)洪水位。

在2%～20%不同頻率條件下，6 號路橋附近洪水水位最大壅高0.063m（P=2%），壅水影響范圍為工程斷面至上游400m 之間，橋梁上游約280m 處有一座飛鵝橋，雖然在橋梁壅水范圍內(nèi)，但壅水高度較小，且距離工程越遠(yuǎn)水位壅高影響越小。

6 結(jié)語

綜上所述，6 號路橋梁工程對不同頻率洪水（P=2%、5%、10%、20%），相對于天然河道，由6 號路橋建設(shè)引起的水位壅高值最大為0.063m，50 年一遇水位壅高后為99.284m，低于兩岸岸坡高程（左、右岸現(xiàn)狀岸坡高程101.10m）。6 號路橋在各頻率設(shè)計(jì)洪水條件下，壅水影響范圍為工程上游400m，橋梁上游約280m 處有一座飛鵝橋，雖然在橋梁壅水范圍內(nèi)，但壅水高度較小，因此工程的實(shí)施引起的上游水位壅高對現(xiàn)有防洪工程措施影響不大。