跨河橋梁防洪評(píng)價(jià)分析

秦 麗, 胡凱旋

(1.安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,安徽 合肥 231603;2.安徽省交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司,安徽 合肥 230011)

跨河橋梁建設(shè)一般需要在河道管理范圍內(nèi)設(shè)置橋墩,這會(huì)改變河道水流的形態(tài),影響局部沖淤平衡,對(duì)河道的行洪能力將產(chǎn)生一定的影響,甚至對(duì)后期水利工程管理和防汛搶險(xiǎn)都有著較大影響。因此,為了保證河道滿足一定行洪標(biāo)準(zhǔn),保障水利工程安全,對(duì)跨河橋梁進(jìn)行防洪評(píng)價(jià)是十分有必要的。

1 工程概況

擬建新汴河特大橋工程位于宿州市埇橋區(qū)劉廟村村北,地處新汴河河道順直,兩岸堤防距約600 m,主河槽寬約130 m,河底最小高程約為17.5 m。河道灘地較寬,兩岸灘地寬度約200 m,高程范圍24.10 m～25.0 m之間。堤后為農(nóng)田和村莊,地面高程約為24.0 m。

本次評(píng)價(jià)分析范圍橫向?yàn)樾裸旰幼蟮瘫乘畟?cè)堤腳外20 m至右堤背水側(cè)堤腳外20 m,縱向?yàn)樯嫌?.0 km到下游6.0 km。該橋橋梁全長(zhǎng)1 064.4 m,橋梁按兩幅橋設(shè)計(jì),單幅橋?qū)?2.7 m。本橋9號(hào)～12號(hào)墩、14號(hào)～17號(hào)墩、19號(hào)～22號(hào)墩上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土懸澆變截面連續(xù)箱梁,其他位置采用先簡(jiǎn)支后連續(xù)小箱梁;下部結(jié)構(gòu)橋臺(tái)采用肋板臺(tái),橋墩采用片墩、柱式墩,墩臺(tái)均采用樁基礎(chǔ)。河道管理范圍內(nèi)主要為8號(hào)～19號(hào)橋墩,共12個(gè)橋墩,其中9號(hào)～18號(hào)布置在兩堤之間,8號(hào)、19號(hào)布置在堤防背水側(cè)護(hù)堤地范圍內(nèi)。

2 水文分析計(jì)算

新汴河設(shè)有宿縣水文站、團(tuán)結(jié)閘水文站,均為觀測(cè)新汴河流量和水位,觀測(cè)系列年為1969年至今。另外在唐河地下涵處設(shè)有水文站,觀測(cè)唐河水位和流量及新汴河水位,觀測(cè)系列年為1972年至今;在新汴河干流上游支流沱河上設(shè)有徐樓閘水文站,1970年開始觀測(cè)沱河上段水位和流量,支流肖濉新河上設(shè)有符離集水文站,1973年開始觀測(cè)肖濉新河水位和流量。 新汴河流域及周邊雨量站點(diǎn)較多,在設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算中,新汴河流域采用了37個(gè)雨量站資料,唐河采用了5個(gè)雨量站資料。

2.1 設(shè)計(jì)水位

淮北地區(qū)除澇水文設(shè)計(jì)流量計(jì)算一般以利用設(shè)計(jì)暴雨通過產(chǎn)、匯流推算的間接法計(jì)算為主。隨著觀測(cè)資料的逐年增加、暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)、降雨徑流關(guān)系的變化和面上河道開挖后匯流條件的改變等原因,具體參數(shù)雖經(jīng)過了幾次變動(dòng),但計(jì)算方法一直未變。為了恢復(fù)新汴河排洪排澇能力,使新汴河達(dá)到設(shè)計(jì)的防洪20年一遇,排澇5年一遇標(biāo)準(zhǔn),對(duì)新汴河河道進(jìn)行疏浚,疏浚后河道主要節(jié)點(diǎn)七嶺子、濉河引河口、宿縣閘等排澇水位維持原設(shè)計(jì)不變。相應(yīng)的河道設(shè)計(jì)流量及設(shè)計(jì)水位如表1所列。

2.2 工程處設(shè)計(jì)流量及水位

擬建工程上距京滬鐵路橋約9.0 km,下距蘆灣約5.7 km。兩岸為新汴河大堤,河段防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇,除澇標(biāo)準(zhǔn)為5年一遇,最終確定工程處水位及流量如表2所列:

表2 工程處除澇、設(shè)計(jì)防洪水位及流量表

3 壅水和行洪能力分析計(jì)算

建橋后,由于橋墩占用過水?dāng)嗝婷娣e,水流流線在墩體的上游形成收縮,下游形成擴(kuò)散,加上墩體本身的阻力等因素,河道水流受橋墩的阻礙作用,橋下過水?dāng)嗝鏈p少,使河流的局部阻力增大,造成局部水頭損失,引起水流動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢(shì)能,使橋前水位抬高,形成一定的壅水,這將會(huì)對(duì)橋位處河道的過流能力、灘槽分流比、水流速度等造成一定的影響。從防洪安全以及橋梁自身安全角度出發(fā),本文壅水分析采用《橋渡水文》推薦的經(jīng)驗(yàn)公式,分析計(jì)算河道設(shè)計(jì)洪水條件下的壅水。

3.1 壅水高度計(jì)算

根據(jù)《橋渡水文》,橋前壅水高度計(jì)算公式為:

(1)

3.2 壅水曲線長(zhǎng)度計(jì)算

壅水曲線長(zhǎng)計(jì)算公式:

(2)

其中,L為壅水曲線長(zhǎng)度,m;ΔZ為橋前最大壅水高度,m;I為橋址河段天然水面坡度,本次計(jì)算取1/10 000。

壅水高度及曲線長(zhǎng)度計(jì)算成果如表3所列。

表3 新汴河特大橋橋前壅水計(jì)算成果表

由表3可知,現(xiàn)狀斷面條件下,發(fā)生5年一遇除澇工況下,河道橋墩阻水面積占總過流斷面面積為2.47%;20年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí),河道橋墩阻水面積占總過流斷面面積為3.11%。橋梁建成后,跨河橋梁造成了橋前水位壅高,發(fā)生5年一遇除澇水位時(shí),河道壅水高度為0.001 m,壅水曲線長(zhǎng)度約25.81 m;發(fā)生20年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí),河道壅水高度為0.002 m,壅水曲線長(zhǎng)度約37.82 m。橋墩引起的壅水高度和壅水曲線長(zhǎng)度較小,橋墩阻壅作用對(duì)河道洪水位有一定的影響,但影響程度不大。

4 沖刷淤積計(jì)算與河勢(shì)影響分析

建橋后,由于水流受橋墩的阻壅作用,河道中單寬流量增加,局部水面比降變陡,水流流速加大,河床可能產(chǎn)生一般沖刷;同時(shí)由于橋墩本身的擋水,其附近引起水流流態(tài)變化,橋墩周圍出現(xiàn)局部沖刷。一般沖刷和局部沖刷的沖刷深度與過流條件、河道斷面、河床土壤特性、阻水建筑物幾何形狀等因素有關(guān)。根據(jù)《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG C30-2015)推薦的計(jì)算公式,對(duì)設(shè)計(jì)水位條件下引起的沖刷進(jìn)行分析計(jì)算。根據(jù)地質(zhì)勘查資料,橋址處河床表層主要為淤泥質(zhì)粘土和粉質(zhì)粘土,因此本次計(jì)算采用粘性土沖刷公式計(jì)算。

4.1 一般沖刷計(jì)算

(1)河槽部分。根據(jù)《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG C30-2015)推薦的計(jì)算公式來計(jì)算河槽沖刷后的水深,公式如下:

(3)

(2)河灘部分。根據(jù)《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG C30-2015)推薦的計(jì)算公式來計(jì)算河灘沖刷后的水深,公式如下:

(4)

4.2 局部沖刷計(jì)算

(5)

其中,hb為橋墩局部沖刷深度,m;hp為河槽沖刷后水深,m;Kξ為墩形系數(shù);b1為橋墩計(jì)算寬度,m;IL為沖刷坑范圍內(nèi)粘性土液性指數(shù),IL的范圍為0.16～1.19;V為一般沖刷后墩前行近流速,m/s。

在設(shè)計(jì)洪水條件下橋位處沖刷計(jì)算成果如表4所列。

表4 新汴河特大橋橋位處沖刷計(jì)算成果表

4.3 河勢(shì)影響分析

根據(jù)《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG C30-2015)的相關(guān)規(guī)定,在確定橋梁墩臺(tái)基礎(chǔ)埋置深度時(shí),應(yīng)根據(jù)橋位河段具體情況,取河床自然演變沖刷、一般沖刷和局部沖刷的不利組合,作為確定墩臺(tái)基礎(chǔ)埋深的依據(jù)。

由表4可知,橋位處河道5年一遇除澇水位,河槽一般沖刷深度為0 m,河灘局部沖刷深度為0.383 m;發(fā)生20年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí),河槽一般沖刷深度為0 m,灘地局部沖刷深度為0.446 m。由此可知,河槽及河灘不會(huì)發(fā)生一般性沖刷,僅橋墩周圍會(huì)發(fā)生局部沖刷。近堤橋墩的局部沖刷會(huì)形成沖刷坑,對(duì)堤防岸坡的整體穩(wěn)定不利,因此,為了降低大橋的建設(shè)對(duì)河勢(shì)和堤防安全穩(wěn)定的不利影響,建議根據(jù)計(jì)算沖刷深度適當(dāng)降低墩臺(tái)基底埋置深度,基底埋在墩臺(tái)局部沖刷線下的深度不應(yīng)小于《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG C30-2015)規(guī)定的安全值,同時(shí)對(duì)河岸和堤防采用一定的沖刷防護(hù)工程措施。

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)新汴河特大橋建成后,河道橋墩將占用行洪斷面,會(huì)降低河道行洪能力。為降低橋墩阻壅的影響,需對(duì)河道進(jìn)行斷面補(bǔ)償。橋梁建成后遭遇20年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí),阻水面積為59.59 m2,宜按照不小于阻水面積的1.2倍進(jìn)行補(bǔ)償,即71.51 m2。同時(shí),由于河道處兩岸較為順直,可對(duì)兩岸進(jìn)行對(duì)稱疏浚。

(2)橋梁建設(shè)及河道切灘等工程措施對(duì)岸坡安全有一定的影響,需要加強(qiáng)岸坡的防沖護(hù)砌,對(duì)橋址處上下游兩岸河槽岸坡采取防沖護(hù)砌。建橋后斷面水流流速增大,特別是近堤橋墩的局部沖刷,對(duì)堤防安全有一定的影響。為保證大橋附近上下游迎水側(cè)堤防坡面的穩(wěn)定,避免崩塌,工程建成后,需對(duì)河道左右岸堤坡進(jìn)行護(hù)砌防護(hù)。

(3)考慮到近堤橋墩基礎(chǔ)施工,會(huì)對(duì)堤基產(chǎn)生擾動(dòng),引起局部滲透變形,對(duì)堤防安全構(gòu)成威脅,應(yīng)對(duì)近堤橋墩基礎(chǔ)做局部防滲處理,同時(shí)對(duì)堤外近堤腳橋墩周邊進(jìn)行防沖守護(hù),以保證堤防防汛安全。