裕安區(qū)鄉(xiāng)級公路暢通工程新建橋防洪影響分析

陸 璐

(安徽省淠史杭灌區(qū)管理總局設(shè)計院，合肥 230088)

安徽省裕安區(qū)鄉(xiāng)級公路暢通工程蘇埠橫排頭至城南關(guān)王廟建設(shè)工程位于蘇埠鎮(zhèn)與城南鎮(zhèn)境內(nèi)，路線途經(jīng)橫排頭村、崔院子、戚家橋、關(guān)王廟，是連接蘇埠鎮(zhèn)及城南鎮(zhèn)的主要道路，也是城南至橫排頭景區(qū)重要的旅游通道。本次鄉(xiāng)級公路暢通工程的建設(shè)完善了交通路網(wǎng)，符合現(xiàn)狀交通路網(wǎng)的規(guī)劃，將促進(jìn)綠色城南建設(shè)的進(jìn)程。安徽省裕安區(qū)鄉(xiāng)級公路暢通工程全路線位于淠河總干渠左岸背水坡，起點位于橫排頭景區(qū)東北門處，與X001平交，沿線向淠河總干渠下游延伸至樊通橋段，途中下穿濟(jì)廣高速公路、S366、合武高鐵及寧西鐵路，并與戚家橋597鄉(xiāng)道相交，終點與城南鎮(zhèn)南河大道平交，路線全長19.006km。鄉(xiāng)級公路暢通工程道路設(shè)計采用瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)，一般路段路基寬12.0m，路面寬9.0m，路面結(jié)構(gòu)為4cmAC-13+8cmAC-25+36cm水穩(wěn)+20砂礫石底基層。

線路途徑總干渠樁號11+000處戚家橋泄水閘下游渠道交叉處擬建一座T梁橋。該橋梁工程項目進(jìn)行防洪影響評價分析非常必要，文章基于Mike11模型中的水動力模塊(HD Module)構(gòu)建該渠段的洪水分析模型，分析橋梁建設(shè)對渠道水位的影響；并根據(jù)模型結(jié)果，采用水力學(xué)公式進(jìn)一步計算橋址處的壅水情況、使用經(jīng)驗公式進(jìn)行沖淤計算，以分析新建橋梁建設(shè)前后對河道行洪的影響[1]。

1 橋梁工程概況

新建橋梁位于淠河總干渠戚家橋泄水閘消能防沖段下游，距離泄水閘約80m處，橋址處渠段未整治，現(xiàn)狀過水?dāng)嗝妾M窄，輸水不暢。橋梁建成后，橋墩占用橋下過水?dāng)嗝?，過水?dāng)嗝婷娣e減少，對泄洪通道輸水有一定阻礙作用，橋前水位抬高，形成一定的壅水。本次橋梁建設(shè)在橋址處渠段開挖成標(biāo)準(zhǔn)斷面的基礎(chǔ)上進(jìn)行修建。新建橋梁為一座三跨預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土T梁橋，橋梁總寬12m，長54.04m，孔徑布置為3m×16m。橋梁結(jié)構(gòu)圖見圖1。橋梁下部結(jié)構(gòu)采用樁柱式橋墩、橋臺樁基接蓋梁，橋梁軸線與水流方向夾角為120°，橋墩軸線與水流方向一致。該鄉(xiāng)級公路暢通工程公路等級為二級公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計洪水頻率為2%。工程所在的渠段為淠河總干渠上游段，渠道設(shè)計引水流量300m3/s，橫斷面底寬60m，水深5m。戚家橋泄水閘位于淠河總干渠11+000處，3孔，單孔寬5m，閘底高程47.33m，50a設(shè)計下泄流量為151m3/s，閘上水位51.83m，閘下水位50.60m。

圖1 戚家橋泄水閘下游通道擬建橋梁結(jié)構(gòu)圖

2 設(shè)計洪水

擬建橋梁位于戚家橋泄水閘下游80m，則橋梁壩址控制斷面的設(shè)計洪水可直接采用戚家橋泄水閘處設(shè)計洪水成果。

戚家橋泄水閘位于淠河總干渠與鳳凰河(十里橋河)交匯處總干渠左堤，其作用是泄淠河總干渠洪水入鳳凰河，經(jīng)鳳凰河排入淠河。戚家橋泄水閘建成于1959年7月，閘身結(jié)構(gòu)型式為開敞圬工結(jié)構(gòu)，閘坎高程47.33m，單孔寬2.84m，共有5孔。戚家橋泄水閘下泄洪水來自淠河總干渠以南戚家橋上游渠側(cè)區(qū)域60.41km2匯水面積內(nèi)來水，下泄至鳳凰河內(nèi)。根據(jù)已批復(fù)的《鳳凰河綜合治理工程初步設(shè)計報告》，因流域內(nèi)無實測流量資料，故采用暴雨間接計算，其設(shè)計成果如下：

鳳凰河主源被淠河總干渠截斷，在總干渠和原河道相交的地方建有戚家橋泄水閘，主要承泄總干渠渠首-泄水閘之間總干渠南側(cè)坡面來水，集水面積60.41km2。設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：50a一遇設(shè)計，200a一遇校核?？偢汕蟼?cè)坡面來水產(chǎn)匯流采用“84辦法”計算。經(jīng)渠道調(diào)蓄，再下泄。設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)情況下控制下泄流量為151m3/s，校核標(biāo)準(zhǔn)情況下控制下泄流量為201m3/s。

3 壅水分析

3.1 Mike11模型的建構(gòu)

3.1.1 模型的基本原理

Mike11為一維河網(wǎng)水動力模型，它基于垂向積分的物質(zhì)和動量守恒方程，其基本方程是一維明渠非恒定漸變流控制方程，即圣維南(Saint-Venant)方程組來模擬河流的水流狀態(tài)，如下公式，第一個方程為當(dāng)無旁側(cè)入流時連續(xù)性方程(質(zhì)量守恒定律)，反映了渠道中的水量平衡；第二個方程是動量運(yùn)動方程(牛頓第二定律)。

(1)

式中：x為空間坐標(biāo)；t為時間坐標(biāo)；Q為過水?dāng)嗝媪髁?；h為水位；A為斷面過流面積；R為水力半徑；C為謝才系數(shù)；g為重力加速度。

模型采用Abbott六點隱式差分格式求解，這種格式是在每個網(wǎng)格點不同時按順序交替計算水位或流量，分別稱為h點和Q點。第一個方程以水位點h為中心，第二個方程則以流量點Q為中心。

3.1.2 模擬范圍及參數(shù)設(shè)置

1)模擬范圍：

模擬范圍為新建橋上下游，起點為工程下游2.0km，終點為工程上游75m即戚家橋泄水閘閘下斷面，總長2.075km。

2)溝道及斷面文件：

根據(jù)淠河總干渠的現(xiàn)有設(shè)計文件、地形測量底圖等資料，通過ArcGis工具結(jié)合流域?qū)崪y地形圖對溝道數(shù)據(jù)進(jìn)行概化處理生成Shape文件，帶入Mike11河網(wǎng)文件中可獲取其中的空間地理信息。

根據(jù)總干渠實測數(shù)據(jù)結(jié)合設(shè)計文件共布設(shè)本項目的10個模擬斷面基本情況，斷面平均間距200m左右；并繪制各斷面數(shù)據(jù)文件。

3)邊界文件：

邊界條件為上游以戚家橋泄水閘閘下斷面水位為邊界，下游為橋下游1.0km的渠道斷面，利用曼寧公式推求水位流量關(guān)系曲線，作為下游邊界條件。區(qū)間無河流匯入。

4)參數(shù)文件：

參數(shù)文件在實際經(jīng)驗中，很多屬性維持默認(rèn)即可，一般要設(shè)置的為初始文件設(shè)定和糙率設(shè)置。初始文件主要包含初始水位和初始流量，主要目的是為模型平穩(wěn)啟動，原則上與開始時刻的實際河網(wǎng)水動力邊界條件一致。其次另一個主要參數(shù)為河道糙率，糙率是衡量河道邊壁粗糙程度對水流運(yùn)動影響并進(jìn)行相應(yīng)水文分析的一個重要系數(shù)，取值的準(zhǔn)確定度是一維數(shù)值模擬的關(guān)鍵，會直接影響模型計算的精度[2]。

糙率的選定主要與渠道大小、類型等因素有關(guān)。對溝道現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查，根據(jù)天然河道的糙率表，溝道進(jìn)行過整治，河底為砂礫或卵石組成，坡底比較均勻，床面比較憑證，按分類糙率取值范圍在0.025-0.029，結(jié)合實地勘查情況及淠河總干渠該段糙率試算成果，糙率取值為0.0257，形成參數(shù)文件。

5)橋梁斷面概化：

該新建橋可簡化由橋墩和橋面組成的箱涵，在模型中橋斷面設(shè)置箱涵的數(shù)量、長度、上下游底高程等相關(guān)參數(shù)。通過在模型中設(shè)置有無橋梁兩種工況情況。

3.2 模擬結(jié)果

根據(jù)各參數(shù)的設(shè)定及邊界條件，采用Mike11一維水動力模型計算分析新建橋梁前后的水面線。新建橋梁斷面情況見表1，計算50a一遇設(shè)計流量為151m3/s，凈過水?dāng)嗝娴拿娣e為102.4m3，建橋前后流速分別為1.348m/s、1.475m/s，建橋后平均流速增加了0.127m/s，建橋前后的行洪形勢變化較小，水面線成果如表2所示。

表1 新建橋斷面基本參數(shù)

表2 新建橋梁前后的設(shè)計水面線成果表(50a一遇)

橋梁建成后，橋墩占用橋下過水?dāng)嗝?，過水?dāng)嗝婷娣e減少，并且橋前水位抬高，形成一定的壅水。由表2可知，新建橋梁50a一遇設(shè)計流量下前后對應(yīng)水位分別為50.604m、50.622m，上游最大壅水高度為0.018m，壅水范圍約為36m。

3.3 不同計算方法成果比較

新建橋梁工程前后壅水計算也采用了經(jīng)驗公式，公式如下：

(2)

式中：α為動能校正系數(shù)，文章取值1.1；ξ為過水面積收縮系數(shù)，取0.85-0.95；B為河寬，m；V為建橋前斷面平均流速，m/s;h為建橋前斷面平均水深，m;△Z為最大壅水高度，m;∑b為建橋后過水?dāng)嗝婵倢?，為河寬減去橋墩總寬，m。

壅水曲線長度根據(jù)水力學(xué)明渠恒定流水面曲線長度的分段求和來計算，計算公式如下：

(3)

式中：I為水面比降。

經(jīng)計算，經(jīng)驗公式法和Mike11模型計算成果見表3。

表3 Mike11和經(jīng)驗公式法計算成果表

1) Mike11模型計算最大壅水值和經(jīng)驗公式法壅水值在P=2%工況下最大壅水值計算成果相差不大。

2)Mike11模型計算方法屬于水動力數(shù)學(xué)模型，在合理的率定基礎(chǔ)上，其壅水計算結(jié)果更具可靠性、可信性[3]。

3)Mike11模型計算方法對斷面數(shù)據(jù)資料要求較高，因此盡可能多的布設(shè)斷面，以便提高計算精度。

4 沖刷分析

戚家橋泄水閘下游泄洪通道橋梁建成后，在50a一遇設(shè)計洪水位下，橋下水流受橋墩的阻壅作用，過水?dāng)嗝娑紩驑蚨照加枚鴾p小，使得渠道中單寬流量增加，通過建橋前同樣大小的流量，橋下流速必然增大，水流挾沙能力也相應(yīng)增加，導(dǎo)致河床產(chǎn)生一般沖刷；同時，因橋墩前水流受到阻擋與干擾，在橋墩附近形成復(fù)雜的水流結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致橋墩周圍出現(xiàn)局部沖刷[4]。

由橋址處渠道內(nèi)的地質(zhì)鉆探資料可知，橋址河床由黏性土組成，計算公式采用《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》(JTG C30—2015)推薦的黏性土沖刷計算公式，取一般沖刷和局部沖刷最不利組合作為河床沖刷計算結(jié)果。

4.1 一般沖刷

河槽部門一般沖刷計算公式為：

(4)

式中：hp為橋下一般沖刷后的最大水深，m；Q2為建橋后河槽部分通過的設(shè)計流量，m3/s；μ為橋墩水流側(cè)向壓縮系數(shù)；設(shè)計流速<1.0m/s時，取值為1；Ad為單寬流量集中系數(shù)，其取值范圍為1.0-1.2，本次計算取1.1；Bcj為河槽部分橋孔過水凈寬，m，當(dāng)橋下河槽能擴(kuò)寬至全橋時，全橋孔過水凈寬，本次取值30m；hcm為河槽最大水深，m；hcq為河槽平均水深，m；IL為沖刷范圍內(nèi)黏性土樣的液性指數(shù)，取值范圍為0.16-1.19，本次計算取0.17。

經(jīng)計算，該橋一般沖刷深度的最大水深為1.977m，<50a一遇河槽最大水深4m，因此，該橋不會發(fā)生一般沖刷。

表4 河槽部分一般沖刷計算成果表

4.2 局部沖刷

黏性土的橋下局部沖刷計算公式為：

當(dāng)hp/B1≥2.5時，hb=0.83KξB10.6IL1.25V

當(dāng)hp/B1<2.5時，hb=0.55KξB10.6hp0.1IL1.0V

(1)

式中：hb為橋墩局部沖刷坑深度，m；Kζ為墩形系數(shù)；B1為橋墩計算寬度，m；d為河床質(zhì)平均粒徑；V為一般沖刷后墩前行近流速，m/s；其余符號意義同前。

本次經(jīng)計算，該橋局部沖刷深度為0.368m。

表5 擬建橋梁墩局部沖刷計算成果表

4.3 沖刷計算結(jié)果

擬建橋址附近河段主河槽為粉質(zhì)黏性土組成，經(jīng)計算，戚家橋泄水閘下游泄洪通道新建橋梁在50a一遇設(shè)計水位條件下不會發(fā)生一般沖刷，但是局部沖刷深度為0.368m。取一般沖刷和局部沖刷的最不利組合為0.368m確定墩臺基礎(chǔ)埋置深度。按照《公路橋位勘測設(shè)計規(guī)范》要求，墩臺基底埋在墩臺局部沖刷線下的深度≥規(guī)定的安全值。

5 工程影響防治措施

擬建橋址位于戚家橋泄水閘下游泄洪通道處，該處渠段未整治，現(xiàn)狀橋址處斷面底寬為9m，達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)斷面底寬寬度，根據(jù)橋梁布置方案，橋梁建設(shè)在渠道開挖至標(biāo)準(zhǔn)斷面的基礎(chǔ)上進(jìn)行修建，建橋后1號、2號橋墩位于渠槽內(nèi)，橋墩阻水減少了渠道的有效過水?dāng)嗝婷娣e，需對橋址處渠段輸水?dāng)嗝孢M(jìn)行補(bǔ)償，以恢復(fù)渠道輸水能力。

泄洪通道整治渠段設(shè)計成果中，標(biāo)準(zhǔn)斷面設(shè)計水位50.60m，設(shè)計底寬20m，縱坡比降1∶2000，左右岸邊坡坡比1∶2.0，標(biāo)準(zhǔn)斷面50a一遇洪水水位下橋墩占用面積為9.60 m2，過水面積減少了8.6%。綜合考慮工程渠段地形和渠道斷面情況，斷面開挖和補(bǔ)償可在渠道左右岸同時進(jìn)行，補(bǔ)償面積按橋墩阻水面積的1.2倍控制，即控制補(bǔ)償面積為11.52m2。斷面開挖方案：現(xiàn)狀斷面左右岸自渠底各向外開挖5.5m達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)斷面底寬寬度，在此基礎(chǔ)上，再各向外開挖1.5m，以1∶2.0的坡比開挖迎水坡至渠頂。按照此方法開挖，補(bǔ)償輸水?dāng)嗝婷娣e為12.12m2。

新建橋梁位于戚家橋泄水閘泄洪通道內(nèi)，需對渠道斷面開挖補(bǔ)償后須對上下游進(jìn)行護(hù)砌，上游與已整治渠段銜接，護(hù)砌長度約30m，下游護(hù)砌長度30m。護(hù)砌形式采用六邊形預(yù)制塊結(jié)構(gòu)，厚0.1m，下設(shè)0.1m厚的瓜子片墊層。

擬建橋梁梁底高程為52.0m，該渠段發(fā)生50a一遇洪水時橋底凈空高度為1.378m，符合《安徽省實施<中華人民共和國河道管理條例>辦法》第十七條關(guān)于橋梁底高程的要求。

6 結(jié) 語

1)淠河總干渠戚家橋泄水閘下游泄水通道內(nèi)新建橋梁50a一遇洪水條件下橋梁產(chǎn)生的最大水位壅高為0.02m，最大壅水長度約為36m，其建設(shè)滿足規(guī)范要求，對原渠道行洪不會造成明顯不利的響。

2)工程建成后遇50a一遇洪水時不會發(fā)生一般沖刷，局部沖刷深度為0.368m，取一般沖刷和局部沖刷最不利組合作為河床沖刷計算結(jié)果。

3)綜合考慮工程渠段地形和渠道斷面情況，斷面開挖和補(bǔ)償在渠道左右岸同時進(jìn)行，補(bǔ)償面積按橋墩阻水面積的1.2倍控制，即控制補(bǔ)償面積為11.52m2。

4)文章也充分說明利用MIKE11模型計算水面線成果，計算方法比較簡便易行，結(jié)果精度高；其應(yīng)用廣泛。