不同橋型方案對郁江河道行洪的影響分析

摘 要：文章為研究某擬建特大橋拱橋、斜拉橋兩種方案對郁江河道行洪的影響，通過二維水文計(jì)算模型進(jìn)行數(shù)值模擬，對比分析兩種方案在不同工況下對水位、流速、流向的影響及影響的范圍。結(jié)果表明，兩種方案對郁江行洪產(chǎn)生的影響及影響范圍都比較有限。經(jīng)過對比認(rèn)為，斜拉橋方案對于郁江河道的影響更小，對于行洪更加有利。

關(guān)鍵詞：水文分析；二維水文數(shù)值模擬；行洪影響；涉河橋梁

中圖分類號：U442.3+3A531846

0 引言

郁江是珠江流域西江的主要支流，流經(jīng)南寧、橫縣、貴港，自桂平匯入西江干流潯江［1］，其中，南寧是郁江防洪規(guī)劃的重點(diǎn)防護(hù)對象［2］。南寧市為建設(shè)“一帶一路”有機(jī)銜接的重要門戶城市和中國面向東盟開放合作的區(qū)域性國際城市，以郁江為軸線，西建東擴(kuò)，完善江北，提升江南，重點(diǎn)向南，各項(xiàng)重大交通基礎(chǔ)設(shè)施正在加快建設(shè)，部分公路需修建橋梁跨越郁江?？绾訕蛄旱男藿▽⒄紦?jù)天然河道的部分行洪斷面，導(dǎo)致橋址斷面上游河道水位產(chǎn)生一定的雍高，局部水流流態(tài)發(fā)生變化，對河道行洪具有一定的不利影響［3］，因此，有必要對跨郁江橋梁進(jìn)行行洪影響分析。

某公路工程為南寧市規(guī)劃重點(diǎn)公路項(xiàng)目，該公路建成后既可以優(yōu)化國省道布局，有效緩解南寧市道路過境交通壓力，又可連接沿線工業(yè)園區(qū)及港口作業(yè)區(qū)，帶動(dòng)沿線區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展。該公路于樁號K17+047.000～K18+102.500處，擬修建橋梁跨越郁江。該公路設(shè)計(jì)單位出于功能、結(jié)構(gòu)、行洪、成本、美觀等多方面考慮，給出了多種橋型設(shè)計(jì)方案，其中主要的備選方案為拱橋方案和斜拉橋方案。本文在滿足工程實(shí)際需求的前提下，通過對擬建跨郁江橋梁所在河段進(jìn)行二維水文數(shù)值模擬，將擬建橋梁不同方案、不同工況的行洪影響進(jìn)行對比分析，進(jìn)而得出結(jié)論，為工程的建設(shè)提供科學(xué)合理的依據(jù)。

1 模型計(jì)算區(qū)域概化

根據(jù)擬建跨郁江特大橋所在河段特點(diǎn)，選擇模型計(jì)算區(qū)域河道長度約4 200 m，上邊界位于擬建橋梁上游2 600 m，下邊界位于擬建橋梁下游1 600 m。左右岸邊界參考河道管理范圍的同時(shí)，考慮模型的連續(xù)性，平均寬度為1 100 m。

模型采用建模網(wǎng)格更加平滑、美觀的SMS軟件進(jìn)行建模［4］，以三角形網(wǎng)格進(jìn)行剖分，并針對橋墩所在河段進(jìn)行了加密，拱橋方案模型共有節(jié)點(diǎn)57 495個(gè)，斜拉橋方案建模共有節(jié)點(diǎn)62 786個(gè)。雖然擬建郁江特大橋的各橋型方案位置相同，但兩個(gè)方案都有獨(dú)立的建橋前河道模型，這樣做是為了使得模型中的橋墩與實(shí)際大小、位置相符合，進(jìn)而得出更符合工程實(shí)際的結(jié)果。兩種不同方案的二維模型網(wǎng)格剖分圖，如圖1～2所示。

模型高程數(shù)據(jù)為2023年7～9月實(shí)測河道地形，河道內(nèi)各斷面間距40 m，斷面內(nèi)地形點(diǎn)間距20 m，網(wǎng)格高程采用四象限各選取最近的4個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)加權(quán)平均進(jìn)行插值。針對橋型方案的建模結(jié)果如圖3～4所示。模型的河道地形與實(shí)測地形結(jié)果相符合，兩方案的建模結(jié)果也幾乎相同，可以反映出擬建橋梁所在河段上游較窄、中下游寬、左岸地勢較高、右岸地勢較低，中下游右岸有較大漫灘的特點(diǎn)。

2 模型計(jì)算工況及邊界條件

2.1 設(shè)計(jì)洪水推求

擬建郁江特大橋沿河道上游100 km內(nèi)有南寧三水文站，在南寧水文站、擬建郁江特大橋之間，有八尺江匯河口、邕寧樞紐以及其他支流匯河口。邕寧樞紐在初步設(shè)計(jì)階段，通過對比長塘專用站（2011年4月—2012年3月設(shè)站）的實(shí)測資料，論證了八尺江與郁江不會(huì)產(chǎn)生同頻率洪水，進(jìn)而采用南寧水文站成果作為設(shè)計(jì)洪水。對于本次工程擬建的郁江特大橋，由于長塘專用站位于其他各支流匯河口上游，無法論證這些支流與郁江不會(huì)產(chǎn)生同頻率洪水，出于防洪安全考慮及邕寧樞紐不具備調(diào)洪能力的工程特性，采用水文比擬法［5］推求擬建橋梁設(shè)計(jì)洪水。水文比擬法公式如下：

Qmp=FpFcn·Qmc（1）

式中：Qmp、Qmc——工程設(shè)計(jì)洪峰流量和參證站設(shè)計(jì)洪峰流量（m3/s）；

Fp、Fc——水庫壩址以上集水面積和參證站集水面積（km2）。

根據(jù)1907—2015年實(shí)測資料及多個(gè)工程設(shè)計(jì)報(bào)告中南寧三水文站的設(shè)計(jì)成果，南寧水文站天然洪峰流量、經(jīng)百色水庫、老口水庫聯(lián)合調(diào)洪后洪峰流量、擬建郁江特大橋設(shè)計(jì)洪峰流量如表1所示。

2.2 模型計(jì)算工況及水文條件

為比較不同情況下，擬建郁江特大橋不同橋型方案對河道行洪的影響，本次模型計(jì)算分別考慮300年一遇洪水、100年一遇洪水、20年一遇洪水共3種工況。對于這3種工況，分別以兩種方案建橋前后的水位、流速流態(tài)進(jìn)行比較。

模型模擬需設(shè)置上下邊界條件，上邊界為各工況下的設(shè)計(jì)洪水流量，下邊界為各工況對應(yīng)的出口斷面洪水位，各工況的邊界條件如表2所示。

3 模型率定

模型率定主要包括率定河道糙率，河道糙率一般取值在0.025～0.045。

本次以2年一遇洪水做率定，在糙率取值上，以水利部珠江河口河岸工程技術(shù)研究中心方神光等人的研究成果為參考［6］；在水面線上，參考《郁江干流水域岸線保護(hù)與利用規(guī)劃》中的2年一遇洪水時(shí)，擬建橋梁附近河段的水位，對水位進(jìn)行一維水面線計(jì)算。

水位率定結(jié)果見表3。由率定結(jié)果可知，一維模型與各方案河道模型的計(jì)算結(jié)果偏差在0.04 m以內(nèi)。綜合這些結(jié)果，可以認(rèn)為在一定可控誤差內(nèi)，一維水面線結(jié)果與二維模擬的結(jié)果擬合較好，二維模擬的精度可以滿足洪水分析計(jì)算需求。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

本次沿河道42個(gè)斷面的深泓線布設(shè)了采樣點(diǎn)，斷面間距為100 m，如圖5所示。本次計(jì)算通過分析各斷面主河道采樣點(diǎn)的水位、流速、流向變化及的分布情況、分布范圍等，對比各個(gè)方案在不同頻率洪水下，對郁江行洪的影響。各方案300年一遇洪水、100年一遇洪水、20年一遇洪水采樣點(diǎn)計(jì)算結(jié)果如表4～9所示，本次計(jì)算內(nèi)容包括各方案對流速流態(tài)以及水位的影響，圖6～11則反映出了各方案在不同頻率洪水下，對郁江流速、流態(tài)、水位影響的分布情況及分布范圍，除此之外，也可反映出各方案下變化的極值等。

由表4～9可知，在水位方面，拱橋方案各頻率洪水下的采樣點(diǎn)水位變化幅度在-0.016～0.028 m，而斜拉橋方案在各頻率洪水下，采樣點(diǎn)水位變化幅度在-0.12～0.021 m；在流速流態(tài)方面，拱橋方案采樣點(diǎn)流速變化最大值為增加0.136 m/s，流向最大變化值為4.58°，斜拉橋方案在各頻率洪水下采樣點(diǎn)流速變化最大值為增加0.103 m，流向最大變化值為2.11°。

由圖6～11可知，在300年一遇設(shè)計(jì)洪水下，在水位方面，拱橋方案在擬建橋梁上游210 m至下游150 m之間水位變化值＞0.05 m，斜拉橋方案在擬建橋梁上游120 m至下游80 m之間水位變化值＞0.04 m；在流速方面，拱橋方案在橋墩下游980 m內(nèi)流速變化＞0.25 m/s，斜拉橋方案在橋墩下游650 m內(nèi)流速變化＞0.25 m/s。

由于河段上游窄且深、中下游寬且淺，在300年一遇洪水下，上游流速局部流速較快，下游流速則相對較緩。設(shè)計(jì)洪水下，擬建郁江特大橋處主河道流速在4.0 m/s以下，但各方案的橋墩主要布置在岸坡及漫灘上，位于右岸岸坡的主墩處流速＜3.0 m/s，左岸水下橋墩附近的流速＜2.0 m/s，漫灘處的橋墩流速則更小。

5 結(jié)語

（1）該公路目前兩種郁江特大橋的設(shè)計(jì)方案都在水中設(shè)置了橋墩，這些橋墩產(chǎn)生了阻水效應(yīng)，但各橋墩阻水面積較小，主河道內(nèi)的阻水比＜5%，不會(huì)對郁江河段行洪產(chǎn)生較大的影響。

（2）在300年一遇、100年一遇、20年一遇設(shè)計(jì)洪水的情況下，擬建橋梁兩種橋型對水位、流速、流向的影響較小，且產(chǎn)生影響的范圍比較有限。各方案雖然有橋墩在主河道內(nèi)，但布置的位置主要在岸坡一帶，橋前流速相對較小，有效地控制了行洪影響范圍。

（3）在各方案都不會(huì)對行洪產(chǎn)生較大影響的條件下，斜拉橋方案相對于拱橋方案對于水位、流速、流向值影響更小，影響范圍更有限，對擬建橋梁河段的行洪更加有利。

參考文獻(xiàn)：

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［6］方神光，張文明，張 康，等.西江中游干支流河道糙率研究［J］.泥沙研究，2016 （2）：20-5.20240425