大連莊河建設(shè)大橋防洪影響評價研究

(莊河市林業(yè)水利服務(wù)中心，遼寧 莊河 116400)

河道水文情勢勢必會受到建筑工程的影響，主要體現(xiàn)在橋墩上游和下游區(qū)域，可形成圓形的局部壅水和帶狀的減速區(qū)域，因此橋墩處會因較高的水流速度而產(chǎn)生挑流作用，從而增加了橋墩下游兩岸的流速[1]?？绾！⒖绾?、跨高山河谷等一大批橋梁工程隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，在全國各地得到規(guī)劃興建并已成為保證經(jīng)濟增長的基礎(chǔ)性設(shè)施，為了保障河道與橋梁的長期安全運營，有必要對其防洪影響開展深入研究[2-3]?？绾訕蛄悍篮樵u價經(jīng)過長期的研究發(fā)展，已逐漸形成了較為系統(tǒng)完善的防治措施和評價體系，通常情況下可根據(jù)合理的防洪標(biāo)準(zhǔn)和水文數(shù)據(jù)資料，計算分析橋梁的沖淤和壅水，從而確定防洪影響程度[4-6]。經(jīng)驗公式算法通常是河道橋梁防洪影響分析的常用方法，而物理模型試驗或數(shù)學(xué)模型法往往是計算河道防洪影響較大的壅水范圍與高度的方法。物理模型是一種投入資金大、模擬周期長較為直觀的方法，在實際工程應(yīng)用中具有一定的局限性。數(shù)學(xué)模型法隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展逐漸引起人們的關(guān)注，并在橋梁防洪影響分析中得到廣泛的應(yīng)用。

據(jù)此，本文深入探討了防洪影響評價內(nèi)容、指標(biāo)以及計算方法，并在此基礎(chǔ)上以大連莊河建設(shè)大橋為例，驗證了評價體系與計算方法的合理性與實用性[4]，以期為促進跨河橋梁建設(shè)管理提供一定參考依據(jù)。

1 確定防洪影響評價指標(biāo)

1.1 評價內(nèi)容

部分河道被臨時工程與橋梁橋墩的修建侵占，可使得河道過水?dāng)嗝媸照?，水流受到橋孔的擠壓作用提升了橋梁上游區(qū)域的壅水高度，并改變了河流的水位與洪水特征。在發(fā)生洪水時，河道過水?dāng)嗝娴目s窄可加大河道流速，橋孔上下游床面的泥沙被經(jīng)過橋孔的水流沖走，從而對床面產(chǎn)生沖刷作用并使得橋墩、橋臺前緣附近出現(xiàn)繞流現(xiàn)象，顯著改變了水流的流向與速度，引起較大的床面切力與折沖水流和渦旋[5]。長期的沖刷作用會在局部產(chǎn)生沖刷坑，對橋梁的穩(wěn)定與安全構(gòu)成潛在的威脅。因此，對跨河橋梁的防洪影響評價主要包括河道水流對橋梁安全以及橋梁建設(shè)本身對河道行洪兩個方面的影響作用。

1.2 評價指標(biāo)

根據(jù)已有研究與防洪影響具體內(nèi)容，可分別從以下幾個方面選擇評價指標(biāo)：以相關(guān)規(guī)范規(guī)定和規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，判定橋梁設(shè)計洪水是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；對橋墩布置、橋梁長度與河道水文情勢的合理性進行判斷[6]；判斷梁底高程是否滿足允許最低要求，按照規(guī)范超高與行洪要求計算壅水曲線長度與高度；橋梁修建是否引起橋墩與堤岸的沖刷，能否改變河道行洪方向與局部流速狀況；其他指標(biāo)，如跨河橋梁防護措施是否科學(xué)，建設(shè)施工與工期對防汛搶險工作是否造成影響等。

2 計算分析

2.1 設(shè)計洪水計算

對設(shè)計洪水的計算應(yīng)充分利用歷史洪水調(diào)查資料與實測流量數(shù)據(jù)，通常采用的方法有當(dāng)?shù)亍端氖謨浴方?jīng)驗公式法以及頻率分析法等。如果沒有河道治理規(guī)劃的河段設(shè)計洪水，可根據(jù)相關(guān)河道實測斷面狀況、土壤類型、地形特征、流域狀況以及植被生長等狀況，利用最新的水文資料進行不同設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)洪水的推導(dǎo)[7]。

2.2 河道水力計算

為滿足天然河道行洪條件，非均勻更定水流法通過將行洪灘地與主河槽相結(jié)合，系統(tǒng)反映灘地與主河槽的分流情況，推求水面線法為較為常用的水力計算方法。能量守恒理論為水面曲線法的主要依據(jù)，在天然河道中其表達式為

(1)

式中v上、Z上——上游斷面流速與水位,m；

v下、Z下——下游斷面流速與水位,m/s、m；

Q、ΔS——設(shè)計流量與斷面流段長度,m3/s、m；

K、α、ξ——流量模數(shù)、動能修正系數(shù)與局部損失系數(shù)。

度量河道水流阻力的重要參數(shù)為河道糙率，該參數(shù)是影響河道泄洪能力預(yù)測、水庫回水末端位置和蓄水高度模擬、各種泥沙沖淤和水力計算等方面的關(guān)鍵參數(shù)[8]。選擇最下游水位作為起始水位推求河段斷面的設(shè)計流量并選取灘地與河槽的計算糙率，然后利用逐斷面試算法根據(jù)河槽類型、水位等資料向上游進行逐斷面推算。

2.3 壅水與沖刷計算

壅水高度可根據(jù)《公路橋涵設(shè)計手冊》推薦的經(jīng)驗公式以及河道邊界條件計算，計算公式為

(2)

式中 Δz——最大壅水高度,m;

η——根據(jù)阻斷流量確定的計算系數(shù)(一般為0.05～0.15)；

已有研究和相關(guān)資料給出了多個河道一般沖刷深度計算方法，本文綜合考慮橋梁建設(shè)實際狀況和有關(guān)規(guī)范，采用設(shè)計規(guī)范推薦使用的局部沖刷與一般沖刷計算公式[9]，具體如下：

(3)

(4)

(5)

式中Q2、Bcj——通過橋下河槽部分的設(shè)計流量與河槽寬度，m3/s、m；

μ、E——側(cè)向壓縮系數(shù)和含沙量相關(guān)系數(shù)；

hcm、hcq——河槽最大水深與平均水深，m；

hb、Kξ——橋墩局部沖刷深度與墩形系數(shù)；

B1、hp——橋墩計算寬度與一般沖刷最大水深，m；

Kη2、n2——河床顆粒影響系數(shù)與相關(guān)指數(shù)；

2.4 允許最低梁底高程

河道的橋梁防洪評價不僅僅是沖刷、壅水計算，更重要的是對橋梁梁底最小高程和河道水位進行對比分析。一般情況下，大多數(shù)河道沒有航運通行的要求，對梁底最低允許高程可根據(jù)水利相關(guān)規(guī)定與公路工程設(shè)計規(guī)范確定，綜合考慮河道下游具體情況以及河道兩岸現(xiàn)狀確定山區(qū)河道的最低允許梁底高程，不考慮通航要求的梁底高程按下式確定：

Hmin=Hp+∑Δh+Δhj

(6)

式中Hmin、Hp——梁底最低高程與設(shè)計水位；

Δhj、∑Δh——橋下凈空高度安全值與綜合考慮浪高、壅水、漂浮物高度、床面淤高、河彎超高水拱等河流具體情況總和之值，m。

2.5 堤防抗滑穩(wěn)定分析

對于2級堤防抗滑移系數(shù)根據(jù)《堤防工程設(shè)計規(guī)范》要求不得小于1.25，特殊情況下不得小于1.15；對于4級堤防不得小于1.15，非常情況下不得小于1.05。在100年一遇洪水設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)下，對堤防抗滑移穩(wěn)定性安全系數(shù)利用不同模型進行計算，如圖1所示。由圖1可知，堤防抗滑移安全系數(shù)在三種模型下的計算結(jié)果均不小于1.4，遠遠高于規(guī)范設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)值，并且各模型計算結(jié)果相差不大，由此表明在安全可靠方面該堤防工程具有較高的可行性與科學(xué)性。

圖1 不同模型的堤防抗滑移安全系數(shù)

3 實例應(yīng)用

3.1 工程概況

大連莊河建設(shè)大橋是莊河市重要的城市主干道，采取雙向4車道機動車道，道路主干路為1級，橋梁中央分隔帶4.50m，兩端分別為2.25m人行道+8.50m機動車道+1.30m索區(qū)，總寬28.60m。橋梁軸線與橋臺夾角為56°，全長260m，其中跨經(jīng)38.40m+183.20m+38.40m。橋梁體系為半漂浮式，跨中采用的自錨體系可顯著縮短工期和降低工程投入。自錨式斜拉懸索協(xié)作體系為大橋結(jié)構(gòu)設(shè)計體系，其中主梁設(shè)計為1.50%雙向橫坡，梁寬28.60m。依據(jù)橋梁實際狀況，對大連莊河建設(shè)大橋防洪影響，利用上述評價體系與計算方法進行綜合評價[10]。

3.2 橋梁防洪影響計算

由于規(guī)劃治理標(biāo)準(zhǔn)沒有對大連莊河提出具體要求，因此對設(shè)計供水計算可按照橋梁設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核，利用當(dāng)?shù)亍端氖謨浴方?jīng)驗公式對橋梁上游一定范圍內(nèi)100年一遇洪峰流量進行計算，結(jié)果為752m3/s，從而確定河流過橋流量。根據(jù)文中式(1)和水面線推求方法，計算出大連莊河建設(shè)大橋橋址處水位在100年一遇洪峰流量752m3/s時為92.46m。然后根據(jù)式(2)與河道過水?dāng)嗝婷娣e在建設(shè)大橋前后的變化，確定水位壅水高度為0.88m，進而確定壅水長度為93m。依據(jù)設(shè)計院提供的地質(zhì)勘探資料，確定橋址處河道地質(zhì)狀況，河道平均流速在大橋建設(shè)前后改變了1.35m/s，由此可利用上述公式確定沖刷坑深度為3.86m；根據(jù)河道水流實際狀況和上述計算結(jié)果選擇0.50m為橋梁安全超高，然后利用式(5)可得到梁底允許最低高程為93.87m。通過計算成果分析，設(shè)計的橋梁梁底高程高于對應(yīng)橋位的100年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)要求的橋梁梁底高程，也就是說該橋梁的100年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計橋梁高程滿足河道行洪要求[11-12]。

3.3 結(jié)果分析

根據(jù)莊河建設(shè)大橋橋型與路線布置圖，河道水流方向與大連莊河建設(shè)大橋布置走向成56°夾角，為減少橋梁建設(shè)對行洪的影響范圍可采用與水流方向相平行的橋墩布置方式，不僅保證了橋梁程度滿足河道行洪要求，而且不會對河流水勢整體產(chǎn)生較大的影響[13]。

結(jié)合梁底最低允許高程與河道水力計算結(jié)果，大連莊河建設(shè)大橋橋址處水位在100年一遇洪峰流量752m3/s時為92.46m，低于梁底允許最大高程的93.87m，根據(jù)橋梁設(shè)計資料和工程驗收資料橋梁底高程為100.20m，梁底超高為6.33m。由此表明，橋梁的高程與布設(shè)雖然受到地形條件與河道水勢的影響，但是在100年一遇洪峰流量下梁底高程仍大于最低允許值并滿足河道行洪要求。對橋墩間的水流流態(tài)特征可根據(jù)計算流場分析，結(jié)果顯示橫向水流速度在橋墩上游局部區(qū)域發(fā)生了顯著的改變，橋梁工程的修建增大了橋墩間區(qū)域的水流速度；橋墩具有一定的阻流作用，從而形成水流的繞流運動，但是在主槽區(qū)擾流作用很快消失并與以往形式保持不變，水流在橋墩的阻流作用下更加平緩，由此可說明河道主槽區(qū)流速受橋梁修建工程的影響較低。整體來看，相對于河道橋墩具有較小的尺寸，河道主流并未因設(shè)計流量出現(xiàn)大范圍的不良流態(tài)，且未改變水流的主方向，由此可認(rèn)為橋梁工程的修建對河道的影響僅僅是局部性的小范圍影響。

平行于河道水流方向的橋墩布置方式使得大連莊河建設(shè)大橋不會對河道流勢產(chǎn)生較大的影響作用。根據(jù)沖刷計算結(jié)果，橋下水流速度由于橋墩收窄過水?dāng)嗝娑龃?，使得建設(shè)大橋后流速增大1.35m/s，相應(yīng)的沖刷坑深度可達到3.86m，因此該工程建設(shè)對河床沖刷產(chǎn)生的影響較為明顯，為保證兩岸防洪安全應(yīng)加強對河床的保護。

3.4 防治補救措施

根據(jù)以上計算分析與評價，大連莊河建設(shè)大橋梁底高程滿足最低允許值要求，并且橋梁布置形式較為合理，能夠滿足河道要求，河道防洪受橋梁建設(shè)的影響作用較低?？绾訕蛄航ㄔO(shè)在一定程度上加大了斷面水流速度，并且河道兩岸受行洪河道沖刷作用增大。為保證河道兩岸村莊安全以及公路橋梁的安全運行，相關(guān)部門應(yīng)采取有效措施防護橋址處河岸，加強橋位上游河岸的防護和橋梁引道工程建設(shè)[14]。

充分利用汛情預(yù)報系統(tǒng)以及水文資料，并綜合考慮汛期施工實際狀況，盡可能降低工程建設(shè)對正常行洪的影響作用，同時避免因不當(dāng)?shù)氖┕ぐ才旁斐傻氖┕ぴO(shè)備與項目建設(shè)的不必要損失。跨河橋梁建設(shè)完成后，應(yīng)及時清除臨時建筑物并拆除擋水圍堰，對灘地斷面以及原河床造成破壞與影響的區(qū)域，采取相應(yīng)的修復(fù)措施，保證全部施工棄料的清除以防止影響河道的通暢。

4 結(jié) 論

本文深入探討了防洪影響評價內(nèi)容、指標(biāo)以及計算方法，并在此基礎(chǔ)上以大連莊河建設(shè)大橋為例，分別從設(shè)計洪水、河道水力、壅水高度、河床沖刷以及梁底最低允許高度等方面綜合評價了防洪影響，得出如下結(jié)論：水流方向與大連莊河建設(shè)大橋布置走向成56°夾角，為減少橋梁建設(shè)對行洪的影響范圍可采用平行的橋墩布置方式，不僅保證了橋梁程度滿足河道行洪要求，而且不會對河流水勢整體產(chǎn)生較大的影響；大連莊河建設(shè)大橋橋址處水位在100年一遇洪峰流量752m3/s時為92.46m，低于梁底允許最大高程的93.87m，橋梁的高程與布設(shè)雖然受到地形條件與河道水勢的影響，但是在100年一遇洪峰流量下梁底高程仍大于最低允許值并滿足河道行洪要求；為保證河道兩岸村莊安全以及公路橋梁的安全運行，相關(guān)部門應(yīng)采取有效措施防護橋址處河岸，加強橋位上游河岸的防護和橋梁引道工程建設(shè)。