李 磊，李 南，李宏偉

(陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710100)

洪澇災(zāi)害是我國較為頻繁的自然災(zāi)害，而人類活動成為了洪災(zāi)的主要因素[1]。隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，越來越多的跨河橋梁工程在河道管理范圍內(nèi)建設(shè)[2]。跨河橋梁作為跨河工程重要建筑物，橋梁建設(shè)后，位于河道內(nèi)的橋墩占據(jù)了部分行洪斷面，使過水面積減小，同時增大了水流阻力，造成橋位上游一定范圍內(nèi)水位壅高[3]。同時使下游流速增大，水流挾沙能力增強(qiáng)，在河槽及灘地上形成沖刷[4-6]，還會造成所在河道的水動力軸線、灘槽和岸線的變化[7]。因此，為了保障河道河勢穩(wěn)定、行洪安全，橋梁的安全運(yùn)行，應(yīng)編制防洪評價報告[8-9]，評估其影響范圍、影響程度，并提出應(yīng)對措施及建議。

目前，國內(nèi)研究跨河橋梁項目防洪評價計算分析及關(guān)鍵問題研究頗多[10-13]，而在防洪評價計算中考慮現(xiàn)有大型工程影響因素的案例分析很少。本文以引漢濟(jì)渭二期工程跨涇河管橋為例，考慮上游某在建大型水庫，通過水文分析、水力學(xué)計算及相關(guān)論證成果，對跨涇河管橋進(jìn)行防洪影響評價。

1 工程概況

陜西省引漢濟(jì)渭工程是聯(lián)通漢江、渭河兩大水系，統(tǒng)籌關(guān)中、陜南、陜北三大區(qū)域發(fā)展，保障全省經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和生態(tài)環(huán)境安全的基礎(chǔ)性、全局性、戰(zhàn)略性、公益性水資源配置工程，涇河管橋工程是引漢濟(jì)渭二期工程跨越?jīng)芎拥年P(guān)鍵節(jié)點(diǎn)工程，位于楊武分水口至涇河新城分水口段?？鐩芎庸軜蛟O(shè)計輸水流量為13.5 m3/s，采用2根直徑為2 400 mm鋼制輸水管。采用全橋跨方式跨越?jīng)芎印⒘⒔环绞娇缭絻砂杜_地，為梁拱組合預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋。橋梁全長約為1.18 km，采用單向坡，縱向坡度為0.3%，橋上不設(shè)置變坡點(diǎn)。河道范圍的孔跨布置(從左岸到右岸)為：(60 m+4×105 m+60 m)(主槽)+21×30 m(灘地)(如圖1所示)。管橋起點(diǎn)位于涇河左岸焦翟村南約300 m，終點(diǎn)位于涇河右岸牛楊村東北角，線路成東北—西南走向。管橋走向符合供水工程總體走向。根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB50201—2014)要求，確定該管橋按特大橋設(shè)計，防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇設(shè)計，200年一遇校核。

圖1 引漢濟(jì)渭二期跨涇河管橋工程橋孔跨布置示意

涇河管橋預(yù)計2022年施工，施工工期為40個月，下部結(jié)構(gòu)在非汛期施工，施工期跨越汛期和非汛期。

2 河道及現(xiàn)有水利工程情況

跨涇河管橋位于陜西省涇河下段，該段上起涇惠渠渠首，終于涇河入渭河口，流經(jīng)關(guān)中平原區(qū)，河道總長為67.5 km。該段干流總體呈西北—東南向斜穿渭北原區(qū)，區(qū)間干流無大的轉(zhuǎn)折(如圖2所示)。河槽總體上呈上游窄下游寬，河道蜿蜒曲折，彎曲程度沿程變化不定，曲折系數(shù)一般在1.2左右，個別河段略大，彎曲程度最大的是馬家窯河段，曲折系數(shù)達(dá)1.76。

圖2 引漢濟(jì)渭二期跨涇河管橋工程地理位置示意

管橋左岸跨越正在施工的云天王河道整治工程(磨盤壩護(hù)岸)，左岸橋墩位于高塬上，橋墩距離左岸連壩路為6 m，管橋梁底垂直距離連壩路面為6.3 m。管橋上距張家山水文站為21 km，下距桃園(二)水文站為28 km。橋位斷面上游的巴家咀、亭口兩座水庫均沒有防洪庫容，對下游河道防洪作用有限，且兩水庫控制面積較小，其水庫自然滯洪作用對交叉斷面洪水影響不大，因此，本次橋位斷面設(shè)計洪水不考慮巴家咀水庫、亭口水庫的影響，僅分析涇河干流某在建大型水庫的影響。此大型水庫為大(Ⅰ)型水利工程，大壩位于涇河下游峽谷出口，混凝土雙曲拱壩壩高為230 m，水庫總庫容為32.76億m3。已于2019年完成初步設(shè)計審批，目前已開工建設(shè)，建設(shè)工期為8 a，預(yù)計2027年完工。

3 防洪評價計算

3.1 設(shè)計洪水位計算

3.1.1計算方法

根據(jù)測量資料，斷面間水流方向變化較大，水流情況復(fù)雜，橋位河段水位受上下游水位影響較大，為能更好地分析設(shè)計洪水位，本次分別采用曼寧公式法和水面線法2種方法對橋位斷面設(shè)計水位進(jìn)行分析。

3.1.2計算條件

1)采用斷面

2019年8月在橋位斷面上下游7.4 km范圍內(nèi)進(jìn)行了河道大斷面測量，共測6個大斷面，其中DM5斷面為橋位斷面。

2)比降及綜合糙率

比降根據(jù)實(shí)測水邊點(diǎn)確定，大洪水時比降采用全河段平均比降1.1‰，綜合糙率采用0.03。

3.1.3計算結(jié)果

通過曼寧公式法、水面線法2種方法推求管橋斷面的水位流量關(guān)系和河段設(shè)計洪水位。2種方法推算的橋位斷面的洪水位成果見表1(85國家高程)，經(jīng)比較，采用曼寧公式和水面線2種方法計算得到的設(shè)計洪水位成果較為接近。采用水面線的方法，綜合考慮了河段下游水位和斷面形態(tài)對設(shè)計斷面水位的影響，相對更為符合實(shí)際情況。

表1 跨涇河管橋工程橋位斷面設(shè)計洪水位成果比較 m

某在建水庫建設(shè)周期較長，發(fā)揮防洪效益的時間晚于本工程建設(shè)，并按最不利情況考慮，本次推薦采用不考慮某在建水庫影響的洪水成果。因此，本次推薦采用水面線法計算得到的成果，即橋位處50年一遇設(shè)計洪水位為406.34 m，200年一遇校核洪水位為407.30 m。

3.2 壅水分析計算

按照原《公路橋位勘測設(shè)計規(guī)范》(JTG C30—91)推薦的壅水公式，計算結(jié)果見表2。由表2可見：某水庫建成前，200年一遇設(shè)計流量為16 300 m3/s時，管橋修建后的最大壅水高度為0.21 m，橋前最大壅水長度為382 m；某水庫建成后，200年一遇設(shè)計流量為7 060 m3/s時，管橋修建后的最大壅水高度為0.16 m，橋前最大壅水長度為291 m。因此，管橋最大壅水長度取382 m。

表2 跨涇河管橋工程橋梁壅水長度計算成果

3.3 梁底高程計算

按照防洪要求，梁底高程HL按式(1)計算：

HL=Hp+Hb+Δh0

(1)

式中Hp為橋梁設(shè)計洪水位,m；Hb為浪高、壅水高度和安全超高，m；Δh0為橋下凈空值，取0.5 m。

橋位斷面200年一遇洪峰流量為16 300 m3/s的洪水位為407.30 m，管橋修建后的最大壅水高度為0.21 m，波浪高度為0.63 m，安全超高考慮0.5 m，橋下凈空為0.5 m(根據(jù)《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》確定)，則hb=1.34 m；橋位河段沖淤變化不大，不再考慮河道淤積。將上述數(shù)據(jù)帶入式(1)計算結(jié)果見表3。由表3可知，某水庫建成前，梁底高程為409.14 m；某水庫建成后，梁底高程為406.9 m。因此，橋位處滿足設(shè)防流量洪水防洪要求的梁底高程HL為409.14 m。

表3 跨涇河管橋工程橋梁梁底高程計算成果 m

3.4 沖刷分析計算

依據(jù)《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》(JTG C30—2015)、《鐵路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》(TB 10017—1999)，總沖刷深度為自河床面算起的河床自然演變沖刷、一般沖刷與局部沖刷深度之和。由于在校核洪水設(shè)計流量下，河水出主槽，因此，沖刷計算分主槽和灘地兩部分。某水庫建成前，主槽沖刷后的最大水深為21.33 m，灘地沖刷后的最大水深為8.69 m。主槽最低沖刷線高程為385.97 m，灘地最低沖刷線高程為398.61 m(見表4)。某水庫建成后，主槽沖刷后的最大水深為21.90 m，主槽最低沖刷線高程為383.21 m，灘地沖刷后的最大水深為6.01，灘地最低沖刷線高程為399.10 m(見表5)。

表4 某水庫建成前跨涇河管橋沖刷計算成果 m

表5 某水庫建成后跨涇河管橋沖刷計算成果 m

分析以上兩種情況下的計算結(jié)果，根據(jù)校核洪水設(shè)計流量下主槽、灘地橋墩一般沖刷和局部沖刷的計算結(jié)果，考慮某在建水庫引起的沿程沖刷下切，三者累加得到?jīng)_刷后的最大水深，對應(yīng)沖刷線高程最小值，即某在建水庫建成后主槽和東莊修建前灘地的最大沖刷水深分別為21.90 m和8.69 m，相應(yīng)沖刷線高程分別為383.21 m和398.61 m。

4 防洪綜合評價

4.1 對河道行洪的影響

引漢濟(jì)渭管線跨越?jīng)芎庸軜蛐藿ê?，橋前壅水將引起上游局部河段的水位、流速場等發(fā)生改變。校核洪水流量為16 300 m3/s時，橋墩阻水面積占修建前過水面積的3.1%，經(jīng)計算設(shè)計流量下的橋前最大壅水高度為0.21 m，壅水長度為382 m，可見，管橋建設(shè)對河道泄洪有一定影響，主要表現(xiàn)在壅水將降低上游云天王河道整治工程標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)重新進(jìn)行達(dá)標(biāo)設(shè)計后組織實(shí)施。

管橋退水管道位于主河槽的出口外，埋深均在2 m以下。施工在非汛期采用大開挖方式，施工完畢后恢復(fù)河道原貌，不擠占河道的行洪斷面，所以退水管道建設(shè)及施工對河道行洪基本不會產(chǎn)生影響。

4.2 對河道沖刷的影響

根據(jù)沖刷計算，大橋修建導(dǎo)致橋下過水?dāng)嗝婷娣e減小，河槽單寬流量增加，局部水面比降和流速加大，導(dǎo)致河床產(chǎn)生一般沖刷。橋墩下游，由于橋墩附近加大了的水面比降和流速要經(jīng)過一段距離的重新調(diào)整才能逐步恢復(fù)過渡到下游河流的自然形態(tài)，因此，下游一定范圍內(nèi)的河床仍會有不同程度的沖刷。大橋建設(shè)會引起橋位附近云天王河道整治工程基礎(chǔ)失穩(wěn)，對工程安全不利，應(yīng)對云天王河道整治工程基礎(chǔ)進(jìn)行專門設(shè)計加固。

4.3 對防汛搶險的影響

擬建管橋以全橋渡方式跨越?jīng)芎?，以立交方式跨越兩岸，橋梁下弦高程設(shè)計考慮了左岸河道整治工程連壩路凈空，預(yù)留垂向距離為6.3 m，滿足防汛搶險的交通要求，因此，管橋建設(shè)對防汛搶險沒有影響。

4.4 對堤防、護(hù)岸及其他水利工程和設(shè)施的影響

1)管橋河段現(xiàn)狀沒有堤防、左岸下游75 m有規(guī)劃的南王浩堤防工程。左岸目前有正在實(shí)施的云天王河道整治工程(磨盤壩護(hù)岸)，管橋以立交方式跨越河道兩岸，一跨跨越磨盤壩工程，左岸橋墩距離磨盤壩最近距離為12 m。根據(jù)壅水計算，校核洪水流量為16 300 m3/s時，橋前最大壅水高度為0.21 m，壅水長度為382 m，壅水使壅水范圍內(nèi)的云天王護(hù)岸工程標(biāo)準(zhǔn)降低。

2)對水文站的影響分析

擬建管橋上游21 km為涇河張家山水文站，下游28 km處為桃園(二)水文站，管橋建設(shè)對水文站水文監(jiān)測沒有影響。

4.5 項目施工對河道行洪及防汛搶險的影響

管橋工程施工期較長，跨越?jīng)芎友雌?、非汛期。施工期間的一些臨時工程，如施工棧橋、施工圍堰都是有礙行洪的障礙物，一旦發(fā)生大洪水，臨時建筑物會阻礙河道洪水順利下泄，對河道行洪安全產(chǎn)生不利影響。施工期間若施工交通道路、施工場地、物料存放等布置不當(dāng)，也會影響防汛搶險車輛、物資及人員的正常通行，對防汛搶險帶來一定影響。

5 結(jié)論和建議

5.1 結(jié)論

1)涇河管橋?qū)拥佬购橛杏绊?，壅水降低了上游云天王河道整治工程?biāo)準(zhǔn)。大橋建設(shè)會引起橋位附近的云天王河道整治工程基礎(chǔ)失穩(wěn)。

2)200年一遇校核流量下，某在建水庫建設(shè)前，主槽沖刷后的最大水深為21.33 m，最低沖刷線高程為385.97 m。某在建水庫建成后，主槽沖刷后的最大水深為21.90 m，最低沖刷線高程為383.21 m。可見某在建水庫建成后會引起沿程沖刷，因此，主槽沖刷后的最大水深增加。

3)200年一遇校核流量下，某在建水庫建設(shè)前，管橋建設(shè)造成橋前最大壅水高度為0.21 m，壅水長度為382 m。某在建水庫建成后，壅水高度和長度有所減小。

4)涇河管橋河道范圍內(nèi)滿足防洪要求的梁底標(biāo)高應(yīng)不低于409.14 m，管橋設(shè)計河道范圍內(nèi)的最低梁底標(biāo)高為410.55 m，滿足防洪要求。

5.2 建議

大橋建設(shè)將引起上游壅水范圍(382 m)內(nèi)護(hù)岸工程防洪標(biāo)準(zhǔn)降低，橋下游沖刷將引起橋位左岸云天王護(hù)岸工程基礎(chǔ)失穩(wěn)。應(yīng)對影響范圍內(nèi)的護(hù)岸工程進(jìn)行補(bǔ)償專項設(shè)計，橋墩施工前應(yīng)完成護(hù)岸工程的達(dá)標(biāo)加固。施工期間，建設(shè)單位應(yīng)加強(qiáng)對橋位河段河防工程的監(jiān)測，加強(qiáng)水環(huán)境保護(hù)，嚴(yán)禁向河道內(nèi)棄渣、排污；橋墩下游河床出現(xiàn)沖刷，特別是上游大型水庫轉(zhuǎn)入運(yùn)行后，河床沖刷加深，應(yīng)制定相應(yīng)的防沖刷措施，確保河道河勢穩(wěn)定和橋梁安全。施工結(jié)束，各種臨建設(shè)施及廢棄物必須清除出河道。橋梁建設(shè)單位應(yīng)在大橋施工期及運(yùn)行后5 a內(nèi)對橋位河段河勢、防洪工程進(jìn)行監(jiān)測，并配備防汛物料應(yīng)對可能的河勢調(diào)整，在大橋斷面臨近位置設(shè)置水位監(jiān)測，大橋左岸設(shè)置視頻監(jiān)控設(shè)施，并接入水利部門監(jiān)控平臺。