跨河橋梁對(duì)河道防洪的影響分析

王金海，徐志國(guó)，于會(huì)玲

（1.興安盟水利事業(yè)發(fā)展中心，內(nèi)蒙古 烏蘭浩特 137400；2.水利部松遼水利委員會(huì)，吉林 長(zhǎng)春 130021；3.吉林市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，吉林 吉林市 132013）

1 工程概況

紅旗大橋位于吉林市豐滿(mǎn)區(qū)江城大橋上游1.20 km 處，橋梁總長(zhǎng)1 600.64 m，采用中承式鋼拱橋和上承式鋼筋混凝土拱橋的形式，全橋跨越主河槽及兩岸堤防，橋梁軸線(xiàn)與中、高洪水時(shí)主流方向夾角約為90°，橋墩垂直于橋梁軸線(xiàn)布置。橋跨布置自北向南為1.82 m 橋臺(tái)+（3×30.00 m+3×35.00 m+2×30.00 m）預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁+（21.00+21.00+16.50）m 鋼筋混凝土連續(xù)箱梁+（36.50+48.00+33.00）m 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁+3×35.00 m 鋼筋混凝土拱橋+2×100.00 m 鋼拱橋+3×35.00 m 鋼筋混凝土拱橋+2×35.00 m 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁+54.00 m 鋼箱梁+［4×30.00 m+3×30.00 m+（35.00+55.00+35.00）m+4×30.00 m+（25.00+27.00+35.00+30.00）m+2×30.00 m］預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁+1.82 m橋臺(tái)。主橋長(zhǎng)410.00 m，橋面寬度為34.00～48.50 m；左側(cè)引橋長(zhǎng)108.80 m，右側(cè)引橋長(zhǎng)77.80 m，引橋橋面寬度為17.00～51.50 m。

橋梁跨越右岸堤防處梁底板最低點(diǎn)高程為200.69 m，橋梁底板與堤頂之間最小凈空高度為4.69 m，近堤13 號(hào)、12 號(hào)橋墩邊緣與迎、背水側(cè)堤腳的距離分別為8.00，3.20 m；橋梁跨越左岸規(guī)劃堤防處梁底板最低點(diǎn)高程為200.07 m，橋梁底板與堤頂之間最小凈空高度為5.59 m，近堤24 號(hào)、25號(hào)橋墩邊緣與迎、背水側(cè)堤腳的距離分別為12.00，15.20 m。橋墩采用柱式結(jié)構(gòu)，承臺(tái)采用矩形結(jié)構(gòu)，13～24號(hào)樁基埋深為24.55～34.30 m，承臺(tái)最小埋深為0.30 m，橋墩承臺(tái)采用格賓石籠防護(hù)。全橋設(shè)置橋面雨水收集系統(tǒng)，雨水收集池位于河道管理范圍外，分段收集橋面雨水并統(tǒng)一處理。

2 河道基本情況

橋梁跨越的第二松花江發(fā)源于長(zhǎng)白山的白頭山天池，全長(zhǎng)825.40 km，流域面積為73 834 km2，占吉林省全部土地面積的42.00%，最低氣溫為-45 ℃，最大凍土厚1.60～2.00 m，多年平均蒸發(fā)量為7.00～10.00 m，年平均風(fēng)速為3.90 m/s，最大風(fēng)速達(dá)30.00 m/s。橋梁所在江段河道的平均比降為1.50%，兩堤之間堤間距為450.00～500.00 m，最大凍深為1.90 m。橋梁所處位置上游的豐滿(mǎn)水電站集水面積為42 500 km2、吉林水文站集水面積為44 060 km2。橋梁所在河段右岸防洪標(biāo)準(zhǔn)為100 年一遇，堤防斷面采用復(fù)式結(jié)構(gòu)，馬道寬4.00 m，馬道以上邊坡坡比為1∶2.75，堤頂寬8.00 m，馬道臨江側(cè)設(shè)漿砌石擋土墻，擋土墻前為寬10.00 m 的護(hù)堤地。左岸規(guī)劃堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 年一遇，堤頂寬8.00 m，迎水坡坡比為1∶2.75，背水坡坡比為1∶2.0，馬道寬4.00 m，馬道以上采用草皮護(hù)坡，馬道外緣為漿砌石重力式擋土墻。

3 河道演變

3.1 來(lái)水來(lái)沙特征

吉林站多年平均輸沙量為66.90×104t，中值粒徑d50為2.00 mm。河道主槽糙率為0.025～0.030，灘地糙率為0.060～0.070。

3.2 河道特征分析

河道特征分析主要包括河相關(guān)系系數(shù)、河床縱向穩(wěn)定系數(shù)和河床橫向穩(wěn)定系數(shù)。其中，河道的河相關(guān)系系數(shù)ζ=4.5，表明該河段屬于蜿蜒型河道；河道水面比降i=1.50%，河床縱向穩(wěn)定系數(shù)φh=0.35，橫向穩(wěn)定系數(shù)φb=0.89，表明該河段縱向、橫向較為穩(wěn)定。

3.3 河道近期演變分析

通過(guò)1980，1991，2013，2021 年吉林站河道實(shí)測(cè)大斷面，分析河道近期橫向變化，多年來(lái)河床沖淤幅度不大，基本屬于大洪水沖刷，汛后回淤，河床整體比較穩(wěn)定。

3.4 河道演變趨勢(shì)預(yù)測(cè)

橋梁所在河段上游的豐滿(mǎn)水庫(kù)水量下泄使河道有一定下切，河道右岸修建了堤防，左岸為高邊坡，在左岸高邊坡和右岸堤防的共同約束下，河道河勢(shì)基本穩(wěn)定。橋梁建成后對(duì)該河段河道演變影響較小。

4 防洪評(píng)價(jià)分析計(jì)算

4.1 設(shè)計(jì)洪水

水文分析計(jì)算采用《松花江流域防洪規(guī)劃報(bào)告》[1]成果，50 年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為4 000 m3/s，100 年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為5 500 m3/s。評(píng)價(jià)長(zhǎng)度范圍為擬建工程上游3.25 km、下游1.80 km，橫向以左岸規(guī)劃堤防背水側(cè)坡腳以外30.00 m、右岸現(xiàn)狀堤防背水側(cè)護(hù)堤地邊線(xiàn)為界，評(píng)價(jià)河段河寬約為480.00 m。

4.2 壅水和行洪能力分析計(jì)算

采用大連理工大學(xué)編制的HYDROINFO 二維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行壅水和行洪能力分析計(jì)算，采用2021 年實(shí)測(cè)河道進(jìn)行1∶2 000 地形建模。根據(jù)2013 年8 月14 日實(shí)測(cè)洪水水面線(xiàn)進(jìn)行糙率的率定，率定結(jié)果見(jiàn)表1。

按照上游進(jìn)口流量為1.00%，2.00%和10.00%共3 級(jí)頻率洪水，進(jìn)行流量計(jì)算和確定起始斷面水位，下游尾水位于江城大橋下游（樁號(hào)1+715）處，設(shè)計(jì)頻率洪水及相應(yīng)下游水位見(jiàn)表2。

表2 設(shè)計(jì)頻率洪水及相應(yīng)下游水位

通過(guò)模型計(jì)算，工程修建后，在P=1.00%的頻率洪水下，阻水比為3.96%，橋前最大壅水為0.02 m，最大回水為700.00 m；在P=2.00%的頻率洪水下，阻水比為3.95%，橋位處壅水為0.02 m，回水范圍為500.00 m。

4.3 沖刷淤積計(jì)算與河勢(shì)影響分析

橋梁基礎(chǔ)沖刷包括河床自然演變引起的一般沖刷和局部沖刷，最大沖刷深度為上述二項(xiàng)之和。

4.3.1 一般沖刷深度

一般沖刷深度的計(jì)算采用JTG C30—2015《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]的計(jì)算公式：

式中：hp為橋下一般沖刷后最大水深，m；Ad為單寬流量集中系數(shù)；Q2為橋下河槽部分通過(guò)的設(shè)計(jì)流量，m3/s；Qc為天然狀態(tài)下河槽部分設(shè)計(jì)流量，m3/s；Bc為天然狀態(tài)下河槽寬度，取Bc=480.00 m；Bcg為橋長(zhǎng)范圍內(nèi)河槽寬度，取Bcg=430.80 m；λ為Bcg寬度范圍內(nèi)的設(shè)計(jì)水位下，橋墩阻水面積與過(guò)水面積的比值，λ1%=3.96%，λ2%=3.95%；μ為橋墩水流側(cè)向壓縮系數(shù)，取μ=1.00；hcm為河槽最大水深，hcm1%=8.77 m，hcm2%=7.16 m；Bz為造床流量下河槽寬度，m；Hz為造床流量下平均水深，m。

4.3.2 局部沖刷深度

河道中設(shè)置橋墩后，周?chē)乃髑闆r會(huì)發(fā)生變化，由于橋墩阻水，因此，在橋墩上游不遠(yuǎn)處水面壅高，至橋墩前達(dá)到最高，兩側(cè)水流收縮集中，動(dòng)能增加，水面逐漸下降，在橋墩后一定范圍內(nèi)水面不穩(wěn)定。橋墩沿水深上、下相鄰兩個(gè)單位面積所受水流的沖擊壓力存在一個(gè)壓差，使水流由高壓區(qū)向低壓區(qū)流動(dòng)。壓差的作用使水流折轉(zhuǎn)向上，表層水流形成逆時(shí)針旋流，而在此水位以下的水流則折轉(zhuǎn)向下，形成橫軸反向旋流，與臨底縱向水流匯合后，產(chǎn)生圍繞橋墩卷繞的馬蹄形漩渦，漩渦是引起橋墩周?chē)植繘_刷的主要原因。

局部沖刷公式：

式中：hb為橋墩局部沖刷深度，m；Kξ為墩形系數(shù)，取Kξ=1.00；Kη2為河床粒徑影響系數(shù)；B1為橋墩計(jì)算寬度，取B1=1.80 m；v為一般沖刷后墩前行進(jìn)流速，m/s；v′0為墩前泥沙始沖流速，m/s；v0為泥沙啟動(dòng)流速，m/s；為河床泥沙平均粒徑，取=2.00 mm；n2為流速指數(shù)。

4.3.3 堤腳沖刷

為了防止河道受沖刷，河道過(guò)水?dāng)嗝娴钠骄魉賾?yīng)小于最大允許流速，而最大允許流速?zèng)Q定于河道表面的土壤或材料。該工程河床土質(zhì)多為砂礫石、粉質(zhì)輕壤土、粉質(zhì)輕壤土與粉土質(zhì)砂互層，鎮(zhèn)腳應(yīng)保護(hù)堤腳不被洪水沖刷，故其埋置深度應(yīng)滿(mǎn)足河床最大沖刷深度要求，且應(yīng)滿(mǎn)足防止凍脹破壞深度要求。河床沖刷深度按GB 50286—98《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]中的公式計(jì)算：

式中：hB為局部沖刷深度，m；h′p為沖刷處的水深，m，以近似設(shè)計(jì)水位最大深度代替；Vcp為平均流速，m/s；V允為河床面上允許不沖流速，m/s；n為與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān)的指數(shù)，取n=。

4.3.4 沖刷計(jì)算結(jié)果

通過(guò)分析計(jì)算，在1.00%，2.00%頻率洪水下，水深分別為8.77 和7.16 m，λ分別為3.96%和3.95%，橋位處流速分別為1.35 和1.19 m/s，工程處一般沖刷分別為3.55 和2.90 m，局部沖刷分別為1.71和1.52 m，最大沖刷深度分別為5.26和4.42 m，堤腳最大沖刷深度為0.26 m。主槽處承臺(tái)頂高程為184.00 m，橋墩發(fā)生局部沖刷后，河床高程為183.08 m 左右，承臺(tái)露出河底。為了保證樁基礎(chǔ)承載力滿(mǎn)足要求及橋梁安全，在橋墩位置進(jìn)行必要的拋石防護(hù)。

4.4 穩(wěn)定分析

因橋梁的修建不占用堤身斷面，未進(jìn)行滲流穩(wěn)定計(jì)算。根據(jù)GB 50286—98 規(guī)定，采用北京理正軟件設(shè)計(jì)研究所“巖土計(jì)算5.11 版”對(duì)橋位最不利斷面進(jìn)行堤坡穩(wěn)定分析。經(jīng)計(jì)算，上、下游堤坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿(mǎn)足規(guī)范要求，不存在堤坡滑動(dòng)失穩(wěn)問(wèn)題。

5 防洪評(píng)價(jià)

工程建成后，橋梁底板距左、右岸堤頂之間的最小凈空分別為5.59 和4.67 m，滿(mǎn)足防洪搶險(xiǎn)交通要求。

通過(guò)河道近期演變分析可知，橋梁所在河道河勢(shì)基本穩(wěn)定，橋梁建成后對(duì)該段河道演變影響較小。

通過(guò)模型計(jì)算，工程建成后，發(fā)生50，100 年一遇洪水時(shí)，橋前水位最大壅水高度均為0.02 m，阻水比分別為3.95%，3.96%，對(duì)河道壅水影響不大，對(duì)行洪安全產(chǎn)生的影響較小。

通過(guò)沖刷計(jì)算，發(fā)生100 年一遇洪水時(shí)，橋址處最大沖刷深度為5.26 m，堤腳最大沖刷深為0.26 m，在堤腳橋墩處采取防護(hù)措施，滿(mǎn)足安全穩(wěn)定要求。

6 消除與減輕影響措施

對(duì)橋梁跨越左、右岸堤防迎水坡坡腳進(jìn)行防護(hù)，防護(hù)長(zhǎng)度分別為213.00，219.00 m，左岸防護(hù)寬度為37.00 m，右岸防護(hù)寬度為23.00～46.00 m，防護(hù)形式為格賓石籠護(hù)砌，厚0.40 m，下設(shè)一層無(wú)紡布；對(duì)施工過(guò)程中破壞的堤頂景觀欄桿和坡面草皮護(hù)坡進(jìn)行恢復(fù)重建，堤頂景觀欄桿長(zhǎng)80.00 m，草皮護(hù)坡面積為600.00 m2。

7 結(jié)語(yǔ)

文中以跨河橋梁工程對(duì)河道演變、壅水和行洪能力、沖刷淤積與河勢(shì)影響進(jìn)行了科學(xué)分析，有效評(píng)估了橋梁工程對(duì)河湖的防洪影響，并對(duì)橋梁抵抗水流沖擊的能力做出客觀評(píng)價(jià)，論證了橋梁設(shè)計(jì)方案是否合理可行，在確保橋梁工程建設(shè)滿(mǎn)足防洪要求的基礎(chǔ)上，同時(shí)為河湖管理部門(mén)制定堤防保護(hù)和治理措施提供科學(xué)依據(jù)。但跨河橋梁工程對(duì)河道防洪影響是多方面的，還需進(jìn)一步結(jié)合水利規(guī)劃、防汛搶險(xiǎn)、第三方合法水事權(quán)益等進(jìn)行分析論證，建議在開(kāi)展類(lèi)似橋梁工程防洪影響評(píng)價(jià)中予以充分考慮。