跨河斜交橋梁對山區(qū)河流行洪影響試驗(yàn)研究

雷洛，郭志學(xué)，龔臻，聶駿

摘要：為探究斜交跨河橋梁對山區(qū)河流行洪的影響，以四川省某擬建斜交跨河特大橋?yàn)槔?，利用物理模型試?yàn)研究，分析了不同工況下橋梁建成前后的水流流態(tài)、流速與水位，橋梁建成后的沖刷深度，以及河勢穩(wěn)定性。結(jié)果表明：該類錯(cuò)孔布置的柱式墩斜交橋梁對河道水位、流速影響不大，對工程下游由右岸側(cè)向左斜沖水流有一定阻礙作用，使得主流略向右岸側(cè)有一定調(diào)整。橋梁所在河段仍屬于河勢穩(wěn)定河段，擬建橋梁對河流行洪影響較小。

關(guān)鍵詞：斜交橋梁； 山區(qū)河流； 河勢影響； 水工模型試驗(yàn)

中圖法分類號：TV131.61? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? ? ??DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.03.011

文章編號：1006-0081（2024）03-0068-05

0引言

河道與公路都呈線性，在布線中公路與河道相交的情況非常多。探究公路橋梁建設(shè)對河流水文的影響可為河道行洪安全以及河堤保護(hù)提供參考。目前，關(guān)于橋梁對河道水文和河勢穩(wěn)定的影響已經(jīng)通過理論模型、數(shù)值模型等方法做了大量的研究，而針對斜交橋梁的研究相對較少。受地形、地質(zhì)、既有建筑物位置及城市規(guī)劃等因素影響，有時(shí)在山區(qū)道路交通的布線中必須采用斜交橋梁跨越河道的方式。已有研究表明，跨河斜交的橋梁對河道的行洪安全和河堤的穩(wěn)定都存在一定的影響，尤其是當(dāng)河谷的阻水率大于5%時(shí)，橋梁的跨越方式影響明顯［1-4］?？绾有苯粯蛄鹤杷婕岸招?、布置形式、河床邊界等諸多因素，水流條件復(fù)雜，其對河勢的影響更難以通過已有的理論公式進(jìn)行判定。近年來，工程師及學(xué)者更青睞于采用水工模型試驗(yàn)或者數(shù)值模擬的方式展開斜交橋梁相關(guān)的研究［5-8］。本文以四川省龍門山山區(qū)河道上一擬建斜交特大橋?yàn)槔?，采用物理模型試?yàn)開展了跨河斜交橋梁對山區(qū)河流行洪的影響分析研究，旨在為類似工程提供參考。

1試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆蛄喝L1 442 m，河道范圍內(nèi)長度約320 m，橋梁上部結(jié)構(gòu)采用40 m跨徑預(yù)應(yīng)力T梁。該橋橋型布置如圖1所示。該橋在10～18號橋墩處跨越河道，跨越河道段落上部結(jié)構(gòu)采用40 m預(yù)應(yīng)力T梁，墩柱間距9.5 m，墩徑為2.0 m，雙墩交錯(cuò)布置，橋梁軸線與水流方向夾角為15°。模型范圍順河方向上起橋梁上游約1.2 km，下至橋位下游0.6 km，總長約1.8 km；橫河方向約300 m。在研究河段范圍內(nèi)，已建成的水泥廠跨河架空輸送帶的橋墩與既有公路橋梁的橋墩位于橋梁上游河道。

泥沙中值粒徑的大小對河道泥沙的起動(dòng)及河床沖淤起到了關(guān)鍵作用。結(jié)合沙莫夫泥沙起動(dòng)流速公式及幾何比尺，得到模型試驗(yàn)的泥沙比尺［9］。根據(jù)地勘資料，河道表層床沙中值粒徑為20 mm。經(jīng)驗(yàn)表明，在缺少天然沙級配的情況下，用均值粒徑符合比例關(guān)系的天然沙，可較好模擬河床的抗沖性。由于缺少級配資料，本次模型試驗(yàn)按照對應(yīng)的比尺關(guān)系選擇中值粒徑為2.8 mm的天然河沙。根據(jù)模型設(shè)計(jì)的要求，結(jié)合試驗(yàn)場地情況及模型沙性能確定正態(tài)模型比尺為1∶70。模型占地長約30 m，寬約5 m。經(jīng)過反復(fù)校對和修改主要控制點(diǎn)，模型滿足幾何相似和水流相似。河道邊界采用水泥砂漿抹面，模型糙率約為0.19，換算成原型值約為0.038 6。模型試驗(yàn)布置見圖2。

模型橋梁所在河段高程誤差在0.10 m（原型）以內(nèi)，平面誤差均在0.20 m（原型）以內(nèi)。試驗(yàn)采用旋漿流速儀測定水流速度，采用測深架來測量水位高度，采用全站儀測量動(dòng)床沖於的河床標(biāo)高，并架設(shè)多個(gè)移動(dòng)攝像頭觀察水流流態(tài)。本次擬對大橋工程上、下游約400 m河段進(jìn)行動(dòng)床沖淤試驗(yàn)。動(dòng)床鋪設(shè)的泥沙按原河床中值粒徑20 mm進(jìn)行配制，動(dòng)床最上游段局部鋪設(shè)大粒徑卵石與定床銜接。參照該橋梁所在河段推移質(zhì)沙量進(jìn)行試驗(yàn)加沙，模擬沖淤時(shí)間約16～20 h。

2試驗(yàn)工況

本次試驗(yàn)流量的確定主要根據(jù)該橋工程項(xiàng)目所在河段的防洪標(biāo)準(zhǔn)以及橋梁的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。由于橋梁所在河段左岸防洪標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇，右岸防洪標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇，該橋自身設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為300 a一遇。因此，主要以20，100及300 a一遇洪水頻率P進(jìn)行試驗(yàn)。為比較分析橋梁對山區(qū)河流行洪的影響，主要對該橋工程修建前后的流態(tài)觀測、水位及流速測量、橋位河段進(jìn)行動(dòng)床沖刷試驗(yàn)。主要試驗(yàn)工況詳見表1。

3試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1水流流態(tài)

洪水頻率為5%，0.33%時(shí)，該橋修建前后河道水流流態(tài)觀測結(jié)果見圖3～6。從觀測結(jié)果可知，河道下泄洪水時(shí)，橋梁所在河段主流左右擺動(dòng)態(tài)勢較為明顯，水面波動(dòng)較大，整體水流流態(tài)不太平穩(wěn)。不同頻率洪水下，橋梁所在河段上游關(guān)口大橋附近河段主流沿左側(cè)深槽下泄較為明顯，隨著流量的增大，主流有逐漸趨中態(tài)勢；隨后，在水泥廠傳送帶附近，主流逐漸由左側(cè)向右側(cè)調(diào)整，到達(dá)擬建橋梁所在河段時(shí)，主流略偏右側(cè)，隨后，水流向左側(cè)有一定斜沖現(xiàn)象，模型出口段主流變?yōu)樽笥覂晒上滦?。總體上看，橋梁所在河段現(xiàn)狀河道水流擺動(dòng)態(tài)勢明顯，水面波動(dòng)較大，水流斜沖現(xiàn)象較為頻繁，該橋的建設(shè)對河段由右岸側(cè)向左斜沖水流有一定阻礙作用，使得主流略向右岸側(cè)有一定調(diào)整。

3.2水位和流速

通過試驗(yàn)觀察及測量，當(dāng)洪水頻率分別為20，100，300 a一遇時(shí)，橋位段的最高壅水分別為0.22，0.24，0.56 m，其壅高范圍分別為0.16～0.22 m，0.04～0.24 m，0.07～0.56 m，橋梁處的最高水位分別為714.56，715.33，715.89 m。測量壅水影響長度，洪水頻率分別為20，100，300 a一遇時(shí)的壅水影響距離分別為80.0，81.0，81.5 m。由于擬建橋位段左岸現(xiàn)狀堤頂高程為722.77～725.40 m，右岸現(xiàn)狀堤頂高程為719.43～722.42 m?？梢娫跇蛄寒a(chǎn)生壅水情況下，現(xiàn)有堤防堤頂高程仍能滿足防洪要求。根據(jù)有關(guān)規(guī)程規(guī)范要求，對于規(guī)劃河道，大橋橋梁迎水面高程應(yīng)是設(shè)計(jì)洪水位加上安全超高，建橋前后300 a一遇橋位斷面處最高洪水位約715.89 m，該橋最低梁底高程為733.36 m，橋下凈空約17 m，橋梁設(shè)計(jì)滿足行洪安全要求。圖7為工程建設(shè)前后河道下泄20，100，300 a一遇洪水時(shí)河道流速分布情況。從現(xiàn)狀河道流速分布圖上可以看出，擬建橋位上游關(guān)口大橋河段，水流主要靠近左側(cè)深槽，主流流速6.0～7.0 m/s。在擬建橋位上游的水泥傳輸帶河段，主流出現(xiàn)由左向右偏移趨勢，主流流速6.0～7.5 m/s。水流到達(dá)擬建橋位段，主流略偏河道右側(cè)，主流流速約5.0～7.0 m/s。擬建橋位下游段，主流演化為左右兩股，主流流速可達(dá)4.5～6.0 m/s。

對比工程建設(shè)前后的斷面流速沿程分布圖，該橋的修建對河道流速影響較小，最大影響幅度約0.7 m/s。工程修建前后，河道下泄5%頻率洪水時(shí)，橋梁所在河段沿程平均流速為2.5～5.3 m/s，最大流速為5.0～6.7 m/s；河道下泄1%頻率洪水時(shí)，橋梁所在河段沿程平均流速為3.7～6.0 m/s，最大流速為5.7～7.5 m/s；河道下泄0.33%頻率洪水時(shí)，橋梁所在河段沿程平均流速為4.9～6.2 m/s，最大流速為6.0～8.2 m/s。在橋梁修建位置，由于過流斷面的束窄，使得過橋墩后局部位置出現(xiàn)流速增大的情況，洪水頻率為1%及0.33%工況下，橋墩后的平均流速分別增大了0.16 m/s和0.13 m/s。但是總體來看，流場測量結(jié)果與流態(tài)觀測相一致，橋梁所在河段現(xiàn)狀河道主流左右擺動(dòng)較為頻繁。

3.3動(dòng)床沖淤

橋梁的修建不僅會對河道的水流流態(tài)造成影響，河床沖淤及河勢發(fā)展也會受到影響。本研究進(jìn)行了各工況下的動(dòng)床模型試驗(yàn)，床面的沖淤形態(tài)及高程H等值線圖見圖8～13。

河道下泄5%頻率洪水時(shí)，從橫向上看，16號橋墩左右50 m范圍河床沖刷較為嚴(yán)重，橋墩局部沖刷最深處河床高程約703 m，沖刷深度約8 m；從縱向上看，16號橋墩上游100 m范圍沖刷嚴(yán)重，沖坑最深處河床高程達(dá)702 m，最大沖刷深度約11 m，其下游100 m范圍沖刷較為嚴(yán)重，沖深約3～6 m；15號橋墩局部沖刷約6 m，14號橋墩局部沖刷約3 m，其他橋墩未出現(xiàn)明顯沖刷。

河道下泄1%頻率洪水時(shí)，從橫向上看，16號橋墩左側(cè)100 m范圍河床沖刷較為嚴(yán)重，橋墩局部沖刷最深處河床高程約698 m，沖刷深度約13 m；從縱向上看，16號橋墩上、下游150 m范圍沖刷嚴(yán)重，上游沖坑最深處河床高程達(dá)696 m，最大沖刷深度約17 m，其下游100 m范圍沖刷較嚴(yán)重，沖深約5～10 m；15號橋墩局部沖刷約12 m，14號橋墩局部沖刷約6.5 m，其他橋墩附近無太大沖刷。

河道下泄0.33%頻率洪水時(shí)，從橫向上看，14～16號橋墩附近河床沖刷嚴(yán)重，橋墩局部最大沖坑出現(xiàn)在15號與14號橋墩之間，沖刷最深處河床高程約702 m，沖刷深度約10 m；從縱向上看，16～14號橋墩上、下游200 m范圍沖刷嚴(yán)重，上游沖坑最深處河床高程達(dá)702 m，最大沖刷深度約11 m，其下游100 m處沖坑深度約7 m；16號橋墩局部最大沖刷約5 m，15號橋墩局部最大沖刷約9 m，14號橋墩局部最大沖刷約10 m，13號橋墩局部最大沖刷約3 m，其他橋墩附近無明顯沖刷。

總體而言，不同頻率洪水下橋位段河床沖刷主要發(fā)生在13～16號橋墩附近，橋墩局部最大沖刷深度8～13 m，且隨著流量的增大，橋墩附近沖坑呈現(xiàn)由右向左偏移，沖刷位置逐漸向河道中心移動(dòng)。根據(jù)動(dòng)床試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)橋位段兩岸坡腳沖刷不明顯。

依據(jù)JTGC 30-2015《公路工程水文勘測設(shè)計(jì)規(guī)范》第8.6條規(guī)定，橋梁墩臺基礎(chǔ)埋深應(yīng)取河床自然演變沖刷、一般沖刷和局部沖刷的不利組合，且應(yīng)有一定的安全余幅。試驗(yàn)結(jié)果表明，河道分別下泄5%，1%及0.33%頻率洪水時(shí)，橋位段河床沖刷主要發(fā)生在12～16號橋墩附近，橋墩局部最大沖刷深度約8～13 m。根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)資料，橋墩基礎(chǔ)埋置深度約為32 m。因此，橋墩基底埋深滿足規(guī)范要求。

3.4河勢穩(wěn)定分析

擬建橋梁對河道有一定的導(dǎo)流作用，橋梁所在河段最大流向變化角度約為5°。因此，擬建橋梁對河勢穩(wěn)定可能有一定影響。根據(jù)河勢穩(wěn)定3個(gè)基本指標(biāo)計(jì)算成果發(fā)現(xiàn)：

（1） 橋梁所在河段的穩(wěn)定河寬約為52 m，而工程建成后河道主河槽行洪河寬在125 m以上，穩(wěn)定河寬滿足要求。

（2） 縱向穩(wěn)定安全系數(shù)Ks指標(biāo)范圍3.0～3.3。橋梁所在河段屬于3＜Ks＜5，因此，可以認(rèn)為橋梁所在河段屬于縱向較為穩(wěn)定河床。

（3） 橫向穩(wěn)定安全系數(shù)Kw=1.53。橋梁所在河段Kw＞1，屬橫向穩(wěn)定河床。

4結(jié)論

本文以某斜交橋梁為背景，開展了水工模型試驗(yàn)。通過對各工況條件下的水流流態(tài)、水位、流速分布、河床沖淤等進(jìn)行測量及分析，得到以下結(jié)論。

（1） 工程建設(shè)對工程下游水流流態(tài)有一定影響，但對河道水位、流速影響不大，水位最大壅高約0.56 m，流速變化幅度最大約0.7 m/s。

（2） 河道分別下泄5%，1%及0.33%各頻率洪水時(shí)，橋位段河床沖刷主要發(fā)生在主河道流速較快的橋墩附近。橋梁修建后，對河道水流有一定的導(dǎo)流作用，橋梁所在河段最大流向變化角度約為5°。

（3） 對于類似跨河斜交河道且阻水率在10%以下的橋梁，橋梁建設(shè)后，橋梁所在河段仍屬于河勢穩(wěn)定河段，橋梁對河勢穩(wěn)定影響較小。

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（編輯：江文）

Research and test on effect of cross-river oblique bridge on flood risk of mountainous river

LEI Luo1，GUO Zhixue2，GONG Zhen1，NIE Jun1

（1.Sichuan Provincial Highway Planning，Survey and Design Institute Ltd.，Chengdu 610041，China；2.State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering，Sichuan University，Chengdu 610052，China）

Abstract：?In order to study the effect of cross-river oblique bridge on flood risk of river course in mountainous area，we took a proposed bridge across a river at an oblique intersection in Sichuan Province as an example.We analyzed the water flow pattern，flow velocity，water level，erosion depth before and after the completion of the bridge under different working conditions，and the stability of river regime by using a physical modeling experimental study.The results showed that this type of diagonal bridge with a staggered arrangement of piers had little impact on the river water level and flow velocity，but had a certain obstruction effect on the oblique water flow from the right bank to the left downstream of the project，causing the main flow to adjust slightly towards the right bank.The research results indicated that the river section remained stable after the construction of the diagonal bridge，and the impact on river during floods by the proposed bridge project was relatively small.

Key words：?cross-river oblique bridge； mountainous river； river flow effect； hydraulic model test