山區(qū)河道斜交橋梁的防洪計(jì)算分析

趙忠偉　馬亮　袁帥

摘要：山區(qū)河道彎曲狹長，洪水期峰高流急，而受地形和線位制約，很多橋梁不得不采用斜交方式跨河，進(jìn)一步增加了阻水面積，給河道防洪造成很大壓力。以擬建蘭江特大橋?yàn)槔ㄟ^二維數(shù)值模型計(jì)算分析斜交橋梁扭轉(zhuǎn)橋墩和增大橋跨兩種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案對山區(qū)河道防洪和河床沖刷的影響效果。結(jié)果表明：扭轉(zhuǎn)橋墩軸線與水流方向平行可以減小斜交橋梁對河流的阻水效應(yīng)，并且可以改善橋墩的挑流作用，減小河道沖刷;增大橋跨（減少橋墩阻水面積）也是減輕橋梁阻水的有效措施，再結(jié)合扭墩對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，可以顯著減輕橋梁阻水作用，改善橋墩的挑流作用，并且減輕對河道的沖刷。

關(guān)鍵詞：山區(qū)河道;斜交橋梁;數(shù)值模型;防洪安全;河道沖刷

中圖分類號：TV214

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2019.04.004

隨著我國公路和鐵路交通建設(shè)的蓬勃發(fā)展，大量跨河橋梁的建設(shè)加大了河流的防洪壓力，尤其對于山區(qū)河流，河道彎曲狹長，洪水期峰高流急，防洪安全問題尤為突出[1]。受地形和橋梁線位等條件因素制約，很多山區(qū)橋梁不得不選擇斜交方式跨河，增大了河道內(nèi)橋墩的阻水面積，進(jìn)一步增加了防洪壓力，而且橋墩軸線與水流存在夾角，容易引起流向偏轉(zhuǎn)，對河床和堤岸造成挑流沖刷[2]。為避免橋墩對水流的控導(dǎo)作用，減緩墩柱束水和挑流作用對河床和堤岸的沖刷，很多工程采取加大橋跨和偏轉(zhuǎn)橋墩的方式減輕河道防洪壓力[3]。

山區(qū)斜交橋梁壅水計(jì)算已有經(jīng)驗(yàn)公式可供參考[4-5]，然而斜交橋梁的壅水特性和流場分布規(guī)律還需要結(jié)合數(shù)值模型和物理模型試驗(yàn)來分析[6].目前針對此類問題的研究仍較少[7]。本文以擬建蘭江特大橋?yàn)檠芯繉ο?，結(jié)合二維數(shù)值模型分析扭轉(zhuǎn)橋墩軸線方向和增大橋跨方案對河道壅水、流速改變和河床沖刷的影響，為該河段防洪影響評價(jià)提供參考依據(jù)。

1 工程概況

蘭江位于浙江中西部錢塘江水系上游，起自金華蘭溪城區(qū)三江（金華江、衢江和蘭江）口，經(jīng)女埠、洲上、下埠頭至將軍巖往北人建德市境內(nèi)，流經(jīng)三河、麻車、大洋至建德梅城“三江口”（蘭江、新安江和富春江），貫穿蘭溪和建德兩市。蘭江屬于典型山區(qū)河道，河槽狹窄，坡陡流急，沿程有多個(gè)彎道和險(xiǎn)灘，洪峰過流期間水位暴漲暴落。蘭江原來是砂礫石河床，局部有基巖出露。富春江水庫建成后，下游水面比降變緩，流速降低，河床有懸移質(zhì)泥沙沉積。工程位置河床仍以砂礫石為主，中值粒徑21.5 mm，屬卵石范疇。

擬建蘭江特大橋位于女埠鎮(zhèn)下游約4 km處（見圖1），為新建金華至建德高速鐵路斜跨蘭江的一座大型橋梁，長約1 160 m。工程主跨橋梁長度200 m，采用鋼筋混凝土系桿拱橋結(jié)構(gòu)，主橋墩采用橢圓墩柱結(jié)構(gòu)，為減小橋墩阻水作用，擬采用扭轉(zhuǎn)橋墩或增大引橋橋跨兩種方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。不考慮結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，橋墩軸線和橋梁軸線垂直，共有11個(gè)墩（簡稱11墩原方案）。第一種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，不改變橋墩數(shù)量，扭轉(zhuǎn)橋墩使橋墩軸線方向與水流方向接近平行（簡稱11墩扭墩方案）。第二種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，增大引橋橋跨，減少橋墩數(shù)量至9個(gè)，同時(shí)扭轉(zhuǎn)橋墩軸線與水流方向接近平行（簡稱9墩方案）。本研究的目的是對比分析不同方案下橋墩阻水、流場變化和河床沖刷演變情況。

2 蘭江特大橋二維數(shù)值模型

結(jié)合二維數(shù)值模型，對比橋墩與橋梁軸線垂直、橋墩與流線平行和增大橋跨3種情況下橋墩的阻水作用，分析流場的分布情況以及對河床沖刷的影響?？紤]到該橋位附近河道彎曲狹長、河床地形條件復(fù)雜，模型上游截取至蘭溪水文站，下游截取至三河水位站，總長度約20.5 km。

2.1 計(jì)算原理

二維水流連續(xù)性方程如下：

2.2 計(jì)算模型和工況

模型采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸在橋墩處減小至2-3 m，橋墩外圍網(wǎng)格尺寸漸變至30 m（上、下游邊界處）。為削弱網(wǎng)格尺寸對建橋前、后計(jì)算結(jié)果的影響，建橋前、后采用同一套網(wǎng)格計(jì)算分析，建橋前橋墩部分過水，而建橋后剔除橋墩內(nèi)部計(jì)算網(wǎng)格（即橋墩內(nèi)部不參與計(jì)算）。根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，共建立6套網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算分析。

模型上游取蘭溪水文站設(shè)計(jì)洪水流量過程，模型下游取三河水位站設(shè)計(jì)水位過程，梅溪和甘溪兩大支流取設(shè)計(jì)洪水流量過程，其他邊界設(shè)定為無流量邊界。橋墩內(nèi)部不過水時(shí)，將橋墩周圍網(wǎng)格邊界設(shè)定為無流量邊界。經(jīng)模型率定后，該河段河槽糙率采用0.015 -0.021.邊灘糙率采用0.022 - 0.030。

因?yàn)樵摵佣稳狈ο鄳?yīng)水文資料，所以本次模擬計(jì)算先建立富春江庫區(qū)一維模型，通過中間三河水位站水位變化率定一維模型，率定合理后再利用工程區(qū)一維模型水位數(shù)據(jù)率定二維模型。模型率定采用“20110612”洪水，從計(jì)算結(jié)果（見圖2）可以看出，三河水位站計(jì)算結(jié)果和實(shí)測結(jié)果較為吻合，說明富春江庫區(qū)一維模型可以較好地模擬該區(qū)域水位變化情況。同時(shí)，二維模型計(jì)算結(jié)果與一維模型計(jì)算結(jié)果較為一致（見圖2），因此該二維模型計(jì)算結(jié)果較為合理。

根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（ GB 50201-2014），準(zhǔn)高速鐵路橋梁采用100 a-遇防洪標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，由于工程區(qū)堤防按20 a一遇洪水設(shè)防，因此本研究同時(shí)對20 a一遇洪水進(jìn)行模擬計(jì)算，為蘭江大橋防洪評價(jià)提供借鑒。各工況下蘭溪水文站、甘溪、梅溪設(shè)計(jì)洪峰流量見表1。邊界洪水流量及水位過程根據(jù)蘭溪水文站典型洪水過程“19550618”洪水（見圖3）采用“峰比”放大獲得。由于洪水期三河水位站處于富春江庫區(qū)回水范圍內(nèi)，因此三河水位站設(shè)計(jì)洪水位需要結(jié)合一維數(shù)值模型計(jì)算獲取，計(jì)算結(jié)果見表1。

3 計(jì)算結(jié)果分析

橋梁建成后，橋墩占用行洪面積，產(chǎn)生阻水和束水效應(yīng)，在防洪影響評價(jià)時(shí)，通常會(huì)考慮水位壅高對橋梁和堤防的影響，以及水流變化導(dǎo)致的河床和堤防沖刷。本文從阻水比、壅水、流速改變和河床沖刷等方面對蘭江特大橋不同橋墩布置方案進(jìn)行對比分析。

3.1 橋墩阻水比和壅水計(jì)算

橋墩阻水比反映了橋墩占用行洪面積的比例，是檢驗(yàn)橋梁阻水程度的重要指標(biāo)。從不同工況阻水比變化（見表2）來看，蘭江特大橋11墩原方案過水面積減幅超過9%，顯著大于文獻(xiàn)[8]建議的7%，可能導(dǎo)致墩前壅水作用顯著增強(qiáng)。從11墩扭墩方案來看，扭轉(zhuǎn)后橋墩在過水?dāng)嗝嫔贤队懊娣e顯著減小，降低了橋墩的阻水作用。由此可見，與河道斜交橋梁扭轉(zhuǎn)橋墩軸線方向與水流方向平行，對降低橋墩阻水作用效果明顯，是減小斜交橋梁河段防洪壓力的有效方法。橋墩扭轉(zhuǎn)后如果阻水比仍然不滿足規(guī)范要求，可采用增大橋跨的方法進(jìn)一步降低橋墩占過水面積的比率，以滿足河道行洪需求。

受橋墩阻水作用影響，橋梁上游水位壅高，對堤防防洪安全造成一定影響。壅水范圍和壅水高度是河道防洪和涉水建筑物規(guī)劃設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，其中壅水長度是水利部門水域補(bǔ)償計(jì)算的重要依據(jù)，墩前水位壅高是橋梁底高程設(shè)計(jì)的重要參考數(shù)據(jù)。對比蘭江特大橋3種方案的壅水長度計(jì)算結(jié)果（見圖4，其坐標(biāo)為北京54坐標(biāo)系，下同）可以看出，100 a 一遇洪水經(jīng)過時(shí)，11墩原方案和11墩扭墩方案橋墩壅水高度0.01 m的范圍已經(jīng)超過蘭溪水文站。采用這兩種方案建橋，壅水長度計(jì)算需要進(jìn)一步延長模型范圍，同時(shí)需要考慮模型上游邊界效應(yīng)影響。100 a一遇洪水下，9墩方案橋墩壅水高度0.01 m的范圍達(dá)到女埠鎮(zhèn)下游，壅水長度接近4 km，壅水范圍明顯小于11墩原方案和11墩扭墩方案。

從現(xiàn)狀堤防防洪條件（20 a一遇洪水）來看（見圖5），11墩原方案橋墩壅水范圍超過7.5 km，到達(dá)黃湓大橋附近，11墩扭墩方案壅水范圍僅為4.0 km左右，較原方案縮短3.5 km.而9墩方案壅水長度不足1 km。由此可見，扭轉(zhuǎn)橋墩可以顯著降低阻水比，縮小壅水范圍.在此基礎(chǔ)上增大橋跨可以進(jìn)一步縮小壅水范圍。

從不同洪水重現(xiàn)期3種方案墩前壅水高度計(jì)算結(jié)果來看，100 a一遇洪峰經(jīng)過時(shí)，11墩原方案左岸主墩墩前壅水高度超過0.06 m，而橋墩扭轉(zhuǎn)后（11墩扭墩方案）左岸主墩墩前壅水高度有所降低，主跨右岸臨近的4個(gè)橋墩墩前壅水高度也有所降低（見圖6）。相比而言，20 a一遇洪水時(shí)，扭轉(zhuǎn)橋墩對降低墩前壅水高度的作用不再顯著（見圖7）。由此可見，扭轉(zhuǎn)橋墩方向有利于改善局部水流條件，減小墩前壅水高度，尤其在發(fā)生較大洪水時(shí)效果更為明顯。從整體效果來看，蘭江特大橋9墩方案墩前壅水高度相對較低，對改善局部水流條件更為有利。忽略水流的三維特征，通過二維模型計(jì)算橋墩墩前壅水高度有一定的局限性，準(zhǔn)確描述橋墩周圍局部水流條件，還需要借助三維數(shù)值模型和物理模型試驗(yàn)。

3.2 流速變化及其對河床沖刷的影響

橋墩阻水和束水效應(yīng)還表現(xiàn)在對橋位附近水流流速的改變，從而影響附近泥沙運(yùn)動(dòng)。一方面，受墩前壅水和墩后尾水作用，流速降低，泥沙落淤;另一方面，橋墩擠占行洪斷面，增大橋墩兩側(cè)水流紊動(dòng)作用，造成河道斷面沖刷，影響橋梁和堤防結(jié)構(gòu)安全。從流速計(jì)算結(jié)果來看，建橋前100 a一遇洪峰經(jīng)過橋位附近時(shí)最大流速僅為1.8 m/s，而建橋后受橋墩束水作用影響，墩間行近流速接近1.9 m/s.主墩墩頭背水側(cè)環(huán)流流速最大達(dá)到2.25 m/s。受此影響，橋墩之間河床可能存在一定沖刷作用，墩頭背水側(cè)局部沖刷作用較強(qiáng)。

從主墩附近流速放大結(jié)果來看，當(dāng)主墩軸線與橋梁軸線垂直布置時(shí)（11墩原方案），受橋墩尾部挑流作用影響，橋墩尾部迎水側(cè)流速顯著增大，對河床產(chǎn)生局部沖刷作用，影響河床和橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，而扭轉(zhuǎn)橋墩軸線與水流方向平行后（11墩扭墩方案），該挑流作用基本消失（見圖8）。左岸主墩與水流方向仍有一定夾角，橋墩尾部迎水側(cè)存在局部挑流作用，如果橋梁結(jié)構(gòu)受力允許，可以考慮將左岸主墩軸線方向進(jìn)一步微調(diào)至與水流方向平行，以減小橋墩尾部挑流對河床造成的局部沖刷。

對比11墩扭墩方案和9墩方案可知，增大橋跨（減小橋墩數(shù)量）后橋墩占用行洪面積相對較小，橋墩束水作用有所減弱，水流對河床沖刷作用也會(huì)相對減?。ㄒ妶D8）。墩后尾水影響區(qū)域內(nèi)流速迅速降低，泥沙可能在墩后落淤，而尾水區(qū)外流速較建橋前普遍增大，對河床有一定沖刷作用（見圖8）。

建橋后，橋位處除橋墩附近流速變化較大外，河道斷面左岸附近和右岸墩后局部（橙紅色區(qū)域）水流流速變化較為明顯（見圖9），容易造成河床和堤岸沖刷，應(yīng)適當(dāng)拋填碎石和進(jìn)行堤岸硬化保護(hù)。對比3種方案可知，11墩原方案建橋后左岸附近和右岸局部的流速變化最大，而9墩方案影響較小。

堤防防洪現(xiàn)狀（20 a一遇洪水）條件下，流速分布及變化規(guī)律與設(shè)計(jì)工況（100 a一遇洪水）基本一致，其主墩墩頭附近最大流速接近2.1 m/s，墩間行近流速接近1.65 m/s。盡管二維數(shù)值模型可以反映建橋后河道的流速變化以及對河床的沖刷作用變化，但是準(zhǔn)確模擬河道斷面流速的垂向分布和對河床的沖刷效果，還需要結(jié)合三維數(shù)值模型和物理模型研究。針對防洪影響評價(jià)需求，可以結(jié)合二維數(shù)值模型和經(jīng)驗(yàn)公式定量分析建橋后流速變化導(dǎo)致的河床沖刷變化。

3.3 河床沖刷計(jì)算

橋涵水文計(jì)算中，把河床的沖刷分解成自然演變沖刷、一般沖刷和局部沖刷三部分，并假定它們相繼進(jìn)行，可以分別計(jì)算后疊加，得到墩臺(tái)的最大沖刷深度。該橋位附近河段屬典型山區(qū)河流，河床泥沙組成主要為卵礫石，自然狀態(tài)下河床相對穩(wěn)定，建橋后需考慮橋位處河床一般沖刷和橋墩局部沖刷。

本次計(jì)算采用《公路工程水文勘測設(shè)計(jì)規(guī)范》（ JTG C30-2015）給出的非黏性河床河槽一般沖刷（8.3.1）和橋墩局部沖刷（8.4.1）經(jīng)驗(yàn)公式。經(jīng)計(jì)算，100 a一遇洪峰經(jīng)過時(shí).3種方案河槽一般沖刷水深分別為8.48、8.43、8.38 m，主橋墩局部沖刷水深分別為2.38、2.08、2.03 m（見表3）。對比3種方案，河床的一般沖刷水深差別不大，但1 1墩原方案主墩軸線和水流方向存在一定夾角，墩尾挑流作用會(huì)導(dǎo)致局部沖刷水深較為顯著。3種方案建橋后最大沖刷水深不超過11 m，而100 a 一遇洪峰經(jīng)過時(shí)橋位附近主槽水深為15.6 m，滿足沖刷最大水深要求，橋位處河床不會(huì)產(chǎn)生明顯沖刷。堤防現(xiàn)狀防洪條件下，3種方案建橋后橋下最大沖刷水深分別為9.25、8.85、8.81 m，而該洪水重現(xiàn)期下洪峰經(jīng)過時(shí)河槽水深為13.6 m.滿足最大沖刷水深要求，建橋后河床也不會(huì)產(chǎn)生明顯沖刷。

4 結(jié)語

山區(qū)河道斜跨橋梁橋墩的阻水面積相對較大，具有明顯的阻水效應(yīng)和繞流作用，造成河段壅水和河床沖刷，甚至可能危及堤防安全，給河段防洪造成很大壓力。扭轉(zhuǎn)橋墩使橋墩軸線與水流方向平行，或者增大橋跨（減少橋墩數(shù)量）可以減小橋墩的阻水面積。以擬建蘭江特大橋?yàn)槔?，通過二維數(shù)值模型分析斜交橋梁扭轉(zhuǎn)橋墩和增大橋跨對山區(qū)河道防洪和河床沖刷的影響效果。

研究結(jié)果表明，100 a一遇洪峰經(jīng)過時(shí).3種方案橋墩的阻水比分別為9. 03%、7.55%和6.59%，9墩方案橋墩水位壅高0.01 m的范圍不足4 km.壅水范圍明顯小于11墩原方案和11墩扭墩方案;建橋前，100 a一遇洪水時(shí)橋位附近最大流速僅為1.8 m/s.建橋后受橋墩束水作用影響，墩間行近流速接近1.9 m/s，11墩原方案主墩墩頭背水側(cè)環(huán)流最大流速可達(dá)2.25 m/s;100 a 一遇洪峰經(jīng)過時(shí)橋位附近主槽水深為15.6 m.而3種方案河槽最大沖刷水深分別為10.86、10.51、10.42m，滿足沖刷最大水深要求。

對比3種方案可知，扭轉(zhuǎn)橋墩使橋墩軸線與水流方向平行，可以有效減小橋墩的阻水面積，降低橋墩的阻水和繞流效應(yīng)，減輕斜交橋梁對河道的壅水作用，改善橋墩周圍水流條件，尤其是改善橋墩軸線與水流存在夾角時(shí)墩尾挑流造成的紊動(dòng)作用，減輕橋墩附近河道局部沖刷。橋墩扭轉(zhuǎn)后，如果橋梁阻水比仍然不滿足規(guī)范要求，可采用增大橋跨的方法進(jìn)一步降低橋墩占用的行洪面積，以進(jìn)一步降低橋梁壅水和改善橋位附近水流條件，但可能增加橋梁工程建設(shè)成本。

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