跨河橋梁工程防洪評價關(guān)鍵技術(shù)框架與應(yīng)用研究

摘要：跨河橋梁工程作為公路工程的重要構(gòu)成部分，受到社會各界的重點關(guān)注。為了有效降低橋梁工程對河道防洪工作產(chǎn)生的不良影響，進一步保證構(gòu)筑物的安全性，管理部門必須加強對跨河橋梁防洪評價的重視程度，在充分結(jié)合實際情況的基礎(chǔ)上，建立能夠滿足跨河橋梁防洪評價基本需求的結(jié)構(gòu)框架，還應(yīng)在防洪標準等方面提出相應(yīng)的評價指標與評價內(nèi)容，確保其在實際跨河橋梁工程項目中得到合理應(yīng)用。本文首先明確跨河橋梁工程對防洪安全產(chǎn)生的影響，其次對跨河橋梁工程防洪評價的關(guān)鍵技術(shù)框架展開深入分析，最后在此基礎(chǔ)上，明確防洪評價關(guān)鍵技術(shù)的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；防洪評價；關(guān)鍵技術(shù)

一、跨河橋梁的基本結(jié)構(gòu)形式

橋梁按照其基本結(jié)構(gòu)形式的不同，可劃分為拱橋、索橋，以及梁式橋等類型；按照結(jié)構(gòu)構(gòu)造的不同，可劃分為上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)兩部分，其中，上部結(jié)構(gòu)主要由橋跨和橋面兩部分構(gòu)成，下部結(jié)構(gòu)由橋墩和橋臺兩部分構(gòu)成。從實際勘查情況的角度分析，在跨度較小的情況下，施工單位主要采用鋼筋混凝土梁板式橋及拱橋兩種形式。根據(jù)橋跨徑的不同，在橋跨徑較小的橋梁工程中所采用的橋墩形式主要是樁柱。

在跨度較大的情況下，施工單位多采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)橋梁或者鋼結(jié)構(gòu)橋梁，還涉及部分混合結(jié)構(gòu)橋梁。

二、跨河橋梁工程對防洪安全所產(chǎn)生的影響

在社會經(jīng)濟高速發(fā)展的背景下，越來越多的非防洪建設(shè)項目建設(shè)在河道管理線范圍內(nèi)，特別是跨河橋梁橋墩布設(shè)于河道管理線范圍內(nèi)的問題，容易導(dǎo)致行洪斷面被壓縮，流態(tài)出現(xiàn)變化。這樣不僅會對工程項目的安全性產(chǎn)生不良影響，還會對以往河道管理線范圍內(nèi)已經(jīng)存在的防洪工程體系產(chǎn)生影響，與洪水管理的基本理念背道而馳。為了有效降低各類基礎(chǔ)建設(shè)項目對防洪所產(chǎn)生的影響，管理部門必須針對河道管理線范圍內(nèi)中各類涉水工程重點關(guān)注，并對防洪評價報告的編制工作加以規(guī)范，通過完善的防洪評價制度，針對橋梁建設(shè)對于河道行洪產(chǎn)生的影響進行深入的研究。這樣可以在規(guī)避不利影響因素的同時采取有針對性的補救措施，從根本上為跨河橋梁工程項目的審批提供決策依據(jù)。

如果在規(guī)定防洪標準下的洪峰流量來臨時有涉水橋墩，就會對河道防洪安全產(chǎn)生一定程度的影響。影響主要體現(xiàn)在以下四個方面：一是在河道斷面上布置橋墩，很可能會產(chǎn)生全新的滲流通道，這樣會對河道滲流的安全性與穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響。二是在河道中布置的承臺與支墩，占用河道有效的行洪面積及洪水來臨時的過流面積，容易導(dǎo)致工程項目所處水道和相鄰河道在水位、流量以及流態(tài)等方面出現(xiàn)顯著變化，這會對河道的行洪安全、河勢穩(wěn)定性等方面產(chǎn)生不良影響。三是如果橋墩與河道之間呈現(xiàn)出相交的狀態(tài)，例如，橋梁與河道的凈空不足，或者工程項目占用原本的防汛通道，會對河道日常防護工作及檢查工作的開展產(chǎn)生較為嚴重的影響。四是在跨河橋梁工程中涉及的施工圍堰及施工棧橋等臨時性的建筑物，占據(jù)的河道行洪過流面積較大。如果在汛期時實施施工建設(shè)，必然會對工程項目的順利開展產(chǎn)生更加嚴重的影響。在實際施工階段中，那些臨近河道的橋梁基礎(chǔ)，所采用的施工方式及運輸設(shè)備都會對河道的安全性產(chǎn)生不良影響。如果將施工的廢水、廢渣傾倒在河道中，就會對河道產(chǎn)生較為嚴重的污染。

三、跨河橋梁工程防洪評價的關(guān)鍵技術(shù)框架

為了對跨河橋梁工程防洪評價的關(guān)鍵技術(shù)框架進行定型處理，可以從以下三個方面明確重點的評價內(nèi)容，從而建立完整的技術(shù)框架。

（一）防洪標準與水文成果

1.防洪標準

防洪標準涉及的評價指標，主要包括橋梁的防洪標準、河道防洪標準，以及現(xiàn)有堤壩設(shè)備的防洪標準。在這部分標準內(nèi)容中，應(yīng)當(dāng)與區(qū)域內(nèi)部現(xiàn)有的規(guī)劃內(nèi)容銜接，保證其與相關(guān)的技術(shù)管理要求互相適應(yīng)，并針對不同區(qū)域在防洪標準方面存在的差異進行綜合考慮，這樣可以確保河道堤壩的行洪安全不受影響，保護橋梁安全。而在評價防洪標準實際過程中所采用的主要為橫向?qū)Ρ确ɑ蛘叨嘁蛩乜剂空撟C法等方式。

2.水文成果

水文成果中的評價指標包括設(shè)計洪水位及水位的流量關(guān)系等內(nèi)容，通過水文觀察、洪水觀測，以及洪水調(diào)查等方式，能夠客觀復(fù)核水文設(shè)計的具體成果。這樣可以對河道的斷面、縱坡等多種參數(shù)率進行修正，通過多種方式的應(yīng)用對洪水以及洪水位的可靠性進行交叉論證，在后續(xù)的評價階段中所采用的評價指標主要是水文資料復(fù)核和水文斷面勘測驗證等內(nèi)容。

（二）河勢演變與橋梁布置

1.河勢演變

河勢演變涉及的評價指標主要包括造床流量、穩(wěn)定河寬、岸線變化、沖淤變化有關(guān)繪圖及變化統(tǒng)計等內(nèi)容，而在橋址河道中的橫向斷面形態(tài)較穩(wěn)定，縱向沖淤處在較平衡的狀態(tài)中。如果沒有充分滿足河勢方面的穩(wěn)定要求，就必須針對橋梁的布置情況及河道的整治情況提出消除影響或者減輕影響的措施。

河勢演變中的評價方式主要是二維水流數(shù)學(xué)模型、遙感技術(shù)，以及地理數(shù)據(jù)信息技術(shù)測繪等。

2.橋梁布置

橋梁布置的評價指標包括橋梁的跨度、孔跨，以及與河道水流方向的夾角等內(nèi)容。如果橋跨高于治理河寬，或者要求跨越歷史最高洪水位，就可以安全通過設(shè)計的洪峰流量，而橋墩的阻水比應(yīng)穩(wěn)定控制在規(guī)定范圍內(nèi)，確?？卓绮粫a(chǎn)生河道局部淤積或者沖刷等問題，而橋墩與堤腳線應(yīng)保持在安全距離中。橋梁布置中采用的評價方式主要是工程類比法及水工模型試驗。

（三）橋梁安全及橋下沖刷

1.橋梁安全

橋梁安全的評價指標主要包括橋梁梁底最低高程及凈空高度。設(shè)計者在設(shè)計河道防洪工程時，既要保證橋梁正常行洪，又要保證橋梁安全。其主要評價方式是物理模型試驗及洪水淹沒虛擬仿真等。

2.橋下沖刷

橋下沖刷的指標較多，主要包括自然沖刷深度、一般沖刷深度，以及局部沖刷深度等。如果沖刷深度沒有被穩(wěn)定控制，就會導(dǎo)致橋梁與防洪工程失效，保證橋墩底系梁的高程低于一般的沖刷高程，還要保證橋墩的基底埋置高程低于安全沖止高程。一般采用數(shù)值模擬及水沙數(shù)學(xué)模型等評價方式。

四、跨河橋梁工程防洪評價關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用

跨河橋梁作為交通基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域的重要節(jié)點工程，也是河道管理范圍內(nèi)的防洪工程，其建設(shè)必須符合國家規(guī)定的防洪標準和其他技術(shù)要求。為了保障跨越河道堤防安全，保持河勢穩(wěn)定和行洪安全，施工單位應(yīng)評價橋梁針對防洪產(chǎn)生的影響。首先，充分收集評價區(qū)域的水文、氣象、地質(zhì)、相關(guān)規(guī)劃及工程設(shè)計等方面的資料。其次，通過實測資料分析，衛(wèi)星遙感影像對比，水文水力計算，分析河道的河勢演變、河床沖淤、洪峰流量、洪水水位等情況。最后，計算建橋所引起的壅水、沖刷面積，復(fù)核橋梁高度，確定最大沖刷線高程。

（一）跨河橋梁工程防洪評價的具體內(nèi)容

跨河橋梁工程涉及架設(shè)橋墩、布設(shè)圍堰等多項工程建設(shè)內(nèi)容，而在橋墩建設(shè)完畢后，河流在經(jīng)過橋下時，能夠過洪的通道相對于建橋前的天然河道較狹窄，并且在水流經(jīng)過這一部位時，橋墩會對整體流速產(chǎn)生較為嚴重的影響，從而引發(fā)擠壓問題。在后續(xù)施工過程中，除橋墩之外，后續(xù)的各類施工行為需要對應(yīng)的場所進行承載，這樣會提升施工場所對河道所產(chǎn)生影響。在評價跨河橋梁工程對防洪影響過程中，施工單位對工程項目及臨時性工程針對河道原本防洪能力所產(chǎn)生的影響展開重點考察，從而明確河流作用在橋梁時所產(chǎn)生的各種消極影響，有利于跨橋梁工程順利開展。

（二）跨河橋梁工程防洪評價指標

針對跨河橋梁工程項目的防洪影響進行研究，施工單位應(yīng)當(dāng)將多個方面內(nèi)容所產(chǎn)生的影響當(dāng)作主要的參考內(nèi)容，將這些內(nèi)容作為工程防洪評價中的主要指標，提供更具參考價值的評價結(jié)果。

1.泄洪標準及梁底高程

在設(shè)計跨河橋梁方案時，設(shè)計者重點考慮這一河段在發(fā)生洪水時所產(chǎn)生的負面影響及沖擊作用。應(yīng)從可行性研究、初步設(shè)計及施工圖各設(shè)計階段充分體現(xiàn)對河道的保護。在評價防洪過程中，施工單位要對設(shè)計各階段中與洪水內(nèi)容相關(guān)的標準內(nèi)容加以核查，并明確相關(guān)規(guī)定中這部分標準內(nèi)容是否一致。同時，在跨河橋梁工程項目中，橋梁梁底部位的高程并不是隨意設(shè)定的，具體高程應(yīng)按照對應(yīng)的標準內(nèi)容設(shè)計，而在防洪評價階段中，施工單位要對工程項目中的相關(guān)高程加以核對，明確是否滿足相關(guān)要求。

2.壅水高度、曲線長度

跨河橋梁工程的很容易對河道的水流產(chǎn)生阻礙，導(dǎo)致水位驟然上升。水流在繞過橋墩后會出現(xiàn)繞流，這就需要保證壅水高度符合相關(guān)的標準要求，還要對曲線長度加以測定，以此來判斷其是否會對壅水范圍內(nèi)的其他工程產(chǎn)生不利影響。

（三）跨河橋梁工程防洪評價的計算

1.設(shè)計水位

在跨河橋梁工程防洪評價計算過程中，根據(jù)評價目標地點的水文成果制定相應(yīng)的規(guī)劃，按照規(guī)劃的具體內(nèi)容執(zhí)行。施工單位需要優(yōu)先對規(guī)劃水位進行科學(xué)合理的預(yù)估，然后合理布設(shè)路線縱坡，還要選擇橋梁平面布置形式，以及橋型布置等的方案內(nèi)容。目前，應(yīng)用較廣泛的計算方式是繪制水流量與水位之間具體關(guān)系曲線圖，計算得出準確的設(shè)計水位。這種曲線圖計算方式適用于水文計算斷面與橋位斷面之間所形成的形態(tài)斷面情況，主要河段是直順河道，河道底部情況處在較為均衡的狀態(tài)中。

除此之外，還可以采用試算法。試算法主要是將水力學(xué)理論作為基礎(chǔ)內(nèi)容，從而形成水面計算模式。這種方法適合應(yīng)用于那些斷面處在河流上游，或者河流下游部位存在著影響水流速度建筑物等情況。

2.壅水高度

在跨河橋梁工程施工中，橋墩對水流產(chǎn)生一定程度的阻礙作用，從而使水位發(fā)生變化，容易引發(fā)水位升高等問題。目前，大部分橋墩所采用的施工方式主要是圍堰施工，即在圍堰內(nèi)部進行橋墩施工。這種方式會導(dǎo)致橋墩對水流所產(chǎn)生的阻礙作用進一步提高，水流經(jīng)過這一區(qū)域時，不僅會使水位上升，而且整體流速也會加快，經(jīng)過斷面的水流在面積上會逐漸縮小，后續(xù)一旦發(fā)生了洪水，處在上游的水位必然會升高，從而產(chǎn)生了壅水問題。在計算壅水高度最大值時，設(shè)計者要明確基本公式，公式中的系數(shù)取值應(yīng)在充分結(jié)合河灘過水能力的基礎(chǔ)上進行確定。而這一部位的斷面水流的平均流速，是經(jīng)過設(shè)計過后的下泄水流流量與整體河道水流過水?dāng)嗝婷娣e相除后得出的值。

3.壅水曲線的長度

在計算過程中，很難針對壅水曲線的長度展開準確計算。這就需要通過數(shù)據(jù)信息及涉及的關(guān)系進行大致估算，一般采用中國鐵道科學(xué)研究院曹瑞章公式及道不松公式進行計算。中國鐵道科學(xué)研究院曹瑞章公式是將壅水的高度乘以2，然后除以計算河段天然河底比降，這樣所得出的值就是防洪評價中所需的壅水曲線長度值。

4.沖刷

沖刷是評價橋臺及橋墩基礎(chǔ)的埋置深度是否符合要求的主要指標。橋墩臺附近的河床沖刷可分為三種類型：河流的自然演變所引起的河床沖刷，建橋時擠壓水流而在橋下斷面產(chǎn)生的一般沖刷，墩、臺阻水使水流結(jié)構(gòu)變化而引起的墩臺周邊的局部沖刷。橋墩臺的總沖刷深度是指沖刷完成后設(shè)計水位下的最大水深，由河床沖刷處的天然水深、河床自然演變沖刷深度、河床一般沖刷深度及河床局部沖刷深度相加所得。

五、結(jié)論

綜上所述，防洪評價報告屬于各類項目開工建設(shè)的主要審批手續(xù)，相關(guān)建設(shè)單位必須提供河道行政主管部門出具的行政許可證，這使其成為影響河道穩(wěn)定性、橋梁安全運轉(zhuǎn)，以及行洪安全的關(guān)鍵所在。為了更好地保證跨河橋梁工程項目的防洪安全，施工單位必須準確找尋出防洪評價的技術(shù)要點，通過更加完整的結(jié)構(gòu)框架與技術(shù)要點來為跨河橋梁工程后續(xù)的科學(xué)決策提供出必要的支持。

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作者簡介：馮佩（1991），女，湖北省麻城市人，碩士，工程師，研究方向為交通運輸規(guī)劃、橋梁防洪評價等。