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      皖南地區(qū)厚墩連拱古橋阻水效應(yīng)研究

      2022-08-29 04:52:14鄢永輝繆世強(qiáng)王宏俊
      關(guān)鍵詞:阻水古橋洪水

      鄢永輝,繆世強(qiáng),王宏俊

      (1.寧國市水利局,安徽 寧國 242500;2.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司上海分公司,上海 200439)

      皖南地區(qū)古橋的建造(注:有史記載的古橋)最早可追溯到魏晉南北朝時(shí)期,而大量建造的時(shí)期成熟于磚石普及的明清時(shí)期[1],橋梁類型以厚墩連拱橋?yàn)橹?。這些橋梁大多為不可移動(dòng)文物。

      厚墩連拱橋的主要特點(diǎn)為實(shí)腹厚墩厚拱,每孔跨度一般不超過15m,橋孔、橋墩較多;橋墩厚度一般3.0~5.0m,橋孔之間為實(shí)腹,橋梁阻水率可達(dá)15%~30%,如圖1所示。

      近些年,特別是在2016、2019、2020年幾場大水的沖擊下,皖南地區(qū)的厚墩連拱古橋阻水嚴(yán)重、部分橋梁受沖損毀的問題凸顯。2020年7月6—8日連續(xù)3天,旌德縣三溪鎮(zhèn)樂成橋、黃山屯溪鎮(zhèn)海橋、婺源彩虹橋等3座宋、明時(shí)期的古橋接連被洪水沖毀,引發(fā)社會(huì)廣泛關(guān)注。目前,關(guān)于古橋特別是厚墩連拱古橋的行洪能力、阻水影響定量研究較少。本文通過洪水調(diào)查、經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算、二維水流數(shù)學(xué)模型等技術(shù)手段全面分析了典型厚墩連拱古橋的阻水效應(yīng),并提出緩解橋梁阻水的措施,可為皖南地區(qū)厚墩連拱古橋的修復(fù)和治理提供借鑒。

      1 皖南地區(qū)厚墩連拱古橋概況

      皖南地區(qū)水系發(fā)達(dá),大江大河有新安江,主要支流有水陽江、青弋江、秋浦河、練江等,流域面積大于200km2的中小河流有東津河、西津河、中津河、郎川河、新郎川河、練江、豐樂水、橫江、閶江、率水、麻川河、清溪河、徽水河、九華河、白洋河、黃湓河、堯渡河等。自魏晉南北朝時(shí)期起,皖南地區(qū)的先賢在這些河流上陸續(xù)建成了大量的橋梁,以厚墩連拱橋最為普遍,橋長大于50m的厚墩連拱古橋見表1。

      經(jīng)統(tǒng)計(jì),皖南地區(qū)厚墩連拱古橋橋長大于50m的達(dá)21座,絕大多數(shù)為文物保護(hù)單位,其中國家級(jí)文物2座,省級(jí)8座,市級(jí)7座,縣級(jí)2座。始建于明代之前的1座,始建于明代的16座,始建于清代的4座;橋長不小于100m的11座,50~100m之間的10座。

      2 厚墩連拱古橋典型結(jié)構(gòu)

      以寧國市東津河上的河瀝溪橋?yàn)槔?。河瀝溪橋位于寧國市河瀝溪街道辦事處東津河上,又名永福橋,如圖2所示。

      河瀝溪橋始建于明代,后多次修建,現(xiàn)存橋體部分為清代修建,是典型的厚墩連拱橋。該橋原為9孔石拱橋,高約11m,其中2#孔凈跨度為5.58m,其余8孔凈跨度為11.35~13m,橋墩寬度為2.68~4.93m。2014年在其西側(cè)增建1孔拱橋(1#橋孔),跨度為30m,凈寬為25.3m。擴(kuò)建后的河瀝溪橋共計(jì)10孔,9個(gè)橋墩,橋梁總跨度164.8m,橋孔總凈寬約130.6m。

      圖1 皖南地區(qū)典型厚墩連拱古橋立面圖

      表1 皖南地區(qū)橋長大于50m的厚墩連拱古橋統(tǒng)計(jì)表[2]

      圖2 河瀝溪橋位置示意圖

      1995年,在河瀝溪橋下游新建了1座5孔石拱橋(以下簡稱“河瀝溪新橋”),橋長191m,寬7m,高11m,橋孔總凈寬約150m,單孔凈寬30m,橋墩寬度3.0m。

      3 河瀝溪橋阻水效應(yīng)分析

      3.1 阻水率分析

      通過對(duì)比河瀝溪橋阻水面積與橋址處河道行洪面積,分析河瀝溪橋阻水率。隨著水位上升,河瀝溪橋阻水率逐漸增加。當(dāng)橋上水位達(dá)到53m時(shí)(相當(dāng)于30年一遇洪水位),河瀝溪橋阻水率達(dá)到28.9%,見表2。

      表2 河瀝溪橋阻水率統(tǒng)計(jì)表

      3.2 2019年洪水,河瀝溪橋壅水情況

      根據(jù)安徽省水文局蕪湖水文水資源局洪水調(diào)查成果[3],2019年8月“利奇馬”臺(tái)風(fēng)暴雨洪水期間,河瀝溪橋上、下游最高水位見表3。

      表3 2019年洪水,河瀝溪橋上、下游最高水位統(tǒng)計(jì)

      2019年8月“利奇馬”臺(tái)風(fēng)暴雨洪水期間,河瀝溪橋下約170m的河瀝溪水位站洪水位為51.99m,橋下47m處洪痕調(diào)查高程為52.13m,橋上13m處洪痕調(diào)查高程為52.61m,橋上500m處烏龜殼洪痕調(diào)查高程為52.99m。

      3.3 阻水效應(yīng)分析

      3.3.1經(jīng)驗(yàn)公式法

      鐵科院陸浩橋前壅水計(jì)算公式[4- 6]在鐵路、公路的新橋設(shè)計(jì)和現(xiàn)有橋梁過洪能力驗(yàn)算中得到廣泛應(yīng)用,也是《公路工程水文設(shè)計(jì)指南》推薦的公式。

      本文采用陸浩公式分析了河瀝溪橋壅水影響,見表4。

      表4 河瀝溪橋最大壅水高度成果表

      由表4可知,當(dāng)東津河遭遇20~50年一遇洪水時(shí),河瀝溪橋壅水高度為0.52~0.62m。

      3.3.2數(shù)學(xué)模型計(jì)算

      HEC-RAS是由美國陸軍工程兵團(tuán)水文工程中心開發(fā)的河道水力分析模型[7]。該模型早期采用恒定流或非恒定流一維建模方法,廣泛地應(yīng)用于河道和洪泛區(qū)的模擬,最新的版本新增了二維非恒定流模擬板塊。HEC-RAS的二維建模方法適用于非恒定流模擬,尤其適用于堤壩潰堤、橋墩周圍、河道向洪泛區(qū)急轉(zhuǎn)彎等不同方向的水流[8~10]。

      本文采用HEC-RAS二維水流模型分析河瀝溪橋阻水效應(yīng)。

      (1)模型建立

      模擬河長約5.3km,下至寧國水文站,上界東、中津河匯合口。采用2020年8月實(shí)測河道大斷面資料。模型采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,網(wǎng)格邊長為5m,最大網(wǎng)格尺寸為50m2,最小網(wǎng)格尺寸為19m2,平均網(wǎng)格尺寸為25m2,網(wǎng)格總數(shù)為55540個(gè),如圖3—4所示。主槽糙率取0.030~0.035,邊灘糙率取0.06。

      河瀝溪橋采用連接構(gòu)件模擬,橋梁模擬方法選擇能量方程。

      模型邊界條件:上邊界條件采用“利奇馬”臺(tái)風(fēng)暴雨實(shí)測洪水過程和不同設(shè)計(jì)頻率下的洪水作為模型入流,下邊界條件為寧國水文站處相應(yīng)水位過程。

      圖3 模型范圍

      圖4 河瀝溪橋周邊網(wǎng)格

      模型計(jì)算初始水位取開始時(shí)刻的上、下邊界的平均水位;初始流速取0,時(shí)間步長為10s。

      (2)數(shù)學(xué)模型的率定驗(yàn)證

      采用2019年“利奇馬”臺(tái)風(fēng)暴雨洪水期間,河瀝溪水位站實(shí)測水位資料進(jìn)行率定和驗(yàn)證,當(dāng)主槽糙率取0.033,邊灘糙率取0.06時(shí),河瀝溪水位站實(shí)測與模擬水位過程吻合程度較好,模型計(jì)算誤差符合技術(shù)規(guī)程的精度要求(洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制導(dǎo)則中規(guī)定誤差<0.2m),如圖5所示。

      圖5 河瀝溪水位站實(shí)測與模擬水位過程對(duì)比

      (3)計(jì)算方案

      通過比較有、無河瀝溪橋情況下的橋上水位來分析河瀝溪橋的阻水效應(yīng)。方案0:現(xiàn)狀河道;方案1:假定河瀝溪橋拆除后的河道。

      (4)計(jì)算成果

      當(dāng)東津河遭遇10~50年一遇洪水時(shí),河瀝溪橋上游烏龜殼斷面最大壅水高度為0.45~0.81m,見表5。

      表5 不同洪水重現(xiàn)期下,河瀝溪橋壅水高度統(tǒng)計(jì)

      3.3.3小結(jié)

      (1)陸浩經(jīng)驗(yàn)公式和HEC-RAS二維水流模型計(jì)算結(jié)果均表明,以河瀝溪橋?yàn)榈湫偷暮穸者B拱古橋阻水效應(yīng)明顯。

      (2)陸浩公式在等厚橋墩的鐵路、公路橋梁上有較多的應(yīng)用,在拱橋壅水高度方面的研究成果很少,難以驗(yàn)證適用性;HEC-RAS模型可以模擬拱橋,本次計(jì)算成果和實(shí)測資料吻合較好,說明HEC-RAS二維水流模型在模擬拱橋方面有較好的適用性[11]。

      4 河瀝溪橋治理方案研究

      2014年,為了減輕河瀝溪橋阻水影響,經(jīng)安徽省文物局批復(fù)同意,河瀝溪橋向左岸拓寬1孔。

      2017—2019年,寧國市東津河城區(qū)段進(jìn)行了疏浚拓寬。由于河瀝溪橋上、下游兩岸房屋密集,河道拓寬征地拆遷費(fèi)用較高,該段河道沒有進(jìn)行治理。

      2019年,“利奇馬”臺(tái)風(fēng)暴雨洪水期間,河瀝溪橋上、下游水位差達(dá)1.0m,洪水災(zāi)害給寧國市中心城區(qū)造成了巨大損失,寧國市人民政府及各部門充分認(rèn)識(shí)到防洪治理的重要性和緊迫性,有強(qiáng)烈愿望系統(tǒng)治理東津河。在此背景下,為進(jìn)一步降低河瀝溪橋壅水影響,本文提出河瀝溪橋擴(kuò)孔方案。

      4.1 河瀝溪橋擴(kuò)孔方案

      本次共布置2個(gè)方案,方案一在河瀝溪橋左岸新建1孔凈寬30m的橋孔,橋梁上、下游河道左岸岸線相應(yīng)后退約33m;方案二在河瀝溪橋左岸新建2孔凈寬25m的橋孔,橋梁上、下游河道左岸岸線相應(yīng)后退約56m。

      4.2 模型分析成果

      河瀝溪橋擴(kuò)孔之后,方案一降低烏龜殼斷面洪水位約0.5m,方案二降低烏龜殼斷面洪水位約0.7m,見表6。

      表6 河瀝溪橋擴(kuò)孔前后,烏龜殼斷面水位統(tǒng)計(jì)

      5 結(jié)論

      (1)使用HEC-RAS二維水流模型模擬了“利奇馬”臺(tái)風(fēng)暴雨洪水條件下河瀝溪橋上、下游觀測點(diǎn)水位,與實(shí)測資料和洪水調(diào)查成果較為吻合,充分驗(yàn)證了HEC-RAS二維水流模型在模擬橋梁阻水效應(yīng)方面的可靠性。

      (2)當(dāng)河道岸線存在退建可能性時(shí),通過橋梁擴(kuò)孔可較好地兼顧文物保護(hù)與河道治理的需要,是厚墩連拱古橋治理的可行措施[12]。但部分古橋由于阻水嚴(yán)重,擴(kuò)孔后,橋址處設(shè)計(jì)洪水位與橋梁拱頂?shù)酌嬷g的關(guān)系可能還是不滿足規(guī)范要求,橋梁自身行洪安全能力依然不足。建議下一步可從流域系統(tǒng)治理角度研究城市防洪問題。

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