跨河橋梁防洪影響淺析

郭選英,安航永,王 凱

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450011)

跨河橋梁防洪影響淺析

郭選英,安航永,王 凱

(華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450011)

在河道上修建橋梁，直接影響河道的行洪是否順暢及堤防的安全。壅水和沖刷是影響河道行洪、堤防安全的兩個(gè)主要方面。本文簡(jiǎn)要介紹了跨河橋梁防洪影響的計(jì)算方法，并以太澳高速某跨河大橋?yàn)槔?，分析其建橋后的壅水和沖刷現(xiàn)象對(duì)河道行洪和橋梁本身的影響。

防洪影響評(píng)價(jià)；壅水；沖刷

交通運(yùn)輸是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的生命線，它對(duì)促進(jìn)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和提高人民的生活水平具有非常重要的支撐作用。改革開放以來，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速的發(fā)展，我國(guó)組織新建了一大批公路、鐵路等交通工程項(xiàng)目，大幅度提高了交通運(yùn)輸條件。橋梁是公路、鐵路等跨河工程項(xiàng)目的重要組成部分，安全、穩(wěn)定的橋梁設(shè)計(jì)是交通運(yùn)輸順利進(jìn)行的重要保障。橋梁橋墩的修建將占據(jù)天然河道的部分行洪斷面，導(dǎo)致橋址斷面上游河道水位產(chǎn)生一定的壅高，局部水流流態(tài)發(fā)生變化，對(duì)河道的防洪安全具有一定的不利影響；當(dāng)發(fā)生洪水時(shí)，洪水對(duì)橋墩和兩岸岸坡有一定強(qiáng)度的沖刷作用，將危及橋梁自身的安全[1]。因此，對(duì)新建跨河橋梁進(jìn)行防洪影響分析是一件非常重要的工作。

1 防洪分析內(nèi)容

跨河橋梁的防洪影響分析工作主要包括兩個(gè)方面，即壅水和沖刷。橋梁橋墩的修建將占據(jù)天然河道的部分行洪斷面，縮小了河道橋址斷面的過水面積。橋孔對(duì)水流產(chǎn)生一定程度的擠壓，使得橋址斷面上游河道水位有所壅高[2]。橋墩修建完成以后，其附近水流和泥沙狀況發(fā)生變化，橋墩附近河床將產(chǎn)生沖刷變形[3]。在防洪分析工作中，首先根據(jù)壅水計(jì)算結(jié)果，分析其對(duì)河道行洪的影響，以及對(duì)橋梁自身安全的影響；然后，根據(jù)沖刷計(jì)算結(jié)果，分析橋梁修建完成后，對(duì)兩岸岸堤和橋墩自身安全的影響。

2 防洪分析計(jì)算

2.1 水面線計(jì)算

由于天然河道的發(fā)展過程復(fù)雜多變，其斷面形態(tài)沿程變化較大，因此在推求天然河道設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，按明渠恒定非均勻流考慮。

河道水面線采用水面線法進(jìn)行計(jì)算。水面線法的主要理論依據(jù)為Bernoulli能量守恒方程[4]，公式如下：

(1)

式中：z1為上斷面洪水位，m；z2為下斷面洪水位，m；p1為上斷面動(dòng)水壓強(qiáng)，N/m2；p2為下斷面動(dòng)水壓強(qiáng)，N/m2；ρ為水密度，kg/m3；g為重力系數(shù)，N/kg；v1為上斷面平均流速，m/s；v2為下斷面平均流速，m/s；α1為上斷面動(dòng)能校正系數(shù)；α2為下斷面動(dòng)能校正系數(shù)；Δhf為沿程水頭損失；Δhj為局部水頭損失。

2.2 壅水計(jì)算

橋梁的壅水計(jì)算主要指壅水高度和壅水長(zhǎng)度兩部分。在進(jìn)行壅水計(jì)算時(shí)，采用《公路橋涵設(shè)計(jì)手冊(cè)·橋位設(shè)計(jì)》[5]中的相應(yīng)公式進(jìn)行計(jì)算。

(2)

(3)

2.3 沖刷計(jì)算

沖刷計(jì)算分為一般沖刷與局部沖刷兩部分。一般沖刷是指橋址斷面河床發(fā)生整體沖刷的沖刷現(xiàn)象。局部沖刷是指水流對(duì)橋墩附近河床的沖刷現(xiàn)象。從河床泥沙的性質(zhì)考慮，沖刷計(jì)算又分為非黏性土河床與黏性土河床兩種情況。在進(jìn)行沖刷計(jì)算時(shí)，采用交通運(yùn)輸部發(fā)布的《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG C30—2015)[6]中推薦的相應(yīng)公式進(jìn)行計(jì)算。

(1)非黏性土一般沖刷計(jì)算公式

河槽部分

(4)

河灘部分

(5)

(2)黏性土一般沖刷計(jì)算公式

河槽部分

(6)

河灘部分

(7)

式中：Ad為單寬流量系數(shù)，取1.0～1.2；IL為黏性土液性指數(shù)，適用范圍為0.16～1.19；其它參數(shù)同上。

(3)非黏性土局部沖刷計(jì)算公式

當(dāng)V≤V0時(shí)

(8)

當(dāng)V>V0時(shí)

(9)

式中：hb為局部沖刷深度,m；Kξ為墩型系數(shù)；Kη為河床顆粒影響系數(shù)；B1為橋墩寬度,m；V為一般沖刷后墩前流速,m/s；V0為河床泥沙起動(dòng)流速,m/s；V0′為墩前泥沙起沖流速,m/s；n為指數(shù)。

(4)黏性土局部沖刷計(jì)算公式

當(dāng)hp/B1≥2.5時(shí)

(10)

當(dāng)hp/B1<2.5時(shí)

(11)

式中：IL為黏性土液性指數(shù)，為0.16～1.48；其它參數(shù)同上。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

太澳高速跨白河某大橋位于河南省南陽(yáng)市。橋址以上流域面積約為1200 km2。橋址上游600 m處向南約90°彎曲，下游主河槽基本順直。橋位附近左岸為山體，右岸為低堤所圍灘地，主河床由中砂組成。依據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50201—2014)，白河在該段的保護(hù)對(duì)象為鄉(xiāng)村防護(hù)區(qū)的第Ⅳ等，確定該段河道防洪標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇。該橋全長(zhǎng)1178.2 m，共計(jì)39跨，每跨30 m，與白河正交。該橋設(shè)計(jì)車輛荷載為公路Ⅰ級(jí)，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)采用300 a一遇洪水。

3.2 防洪分析計(jì)算

(1)頻率洪水

根據(jù)該橋橋址上游白土崗水文站1958—2012年水文資料及歷史調(diào)查洪水，結(jié)合白土崗水文站和橋址控制流域面積，采用水文比擬法推求橋址處設(shè)計(jì)洪水。該橋橋址處20 a一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為3012 m3/s；300 a一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為5816 m3/s。

(2)水面線計(jì)算

以大橋橋址下游600 m處的斷面為起始斷面，采用上述水面線法推求橋址處20 a和300 a一遇洪水水位。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)發(fā)生20 a一遇洪水時(shí)，橋址斷面水位為179.71 m；當(dāng)發(fā)生300 a一遇洪水時(shí)，橋址斷面水位為180.92 m。均低于大橋橋面底部高程185.69 m，及兩岸堤頂高程194.50 m。

(3)壅水計(jì)算

壅水計(jì)算采用壅水計(jì)算公式，結(jié)果見表1。當(dāng)發(fā)生20 a一遇洪水時(shí)，橋址上游水位壅高為0.016 m，壅水長(zhǎng)度為107.7 m；當(dāng)發(fā)生300 a一遇洪水時(shí)，水位壅高為0.035 m，壅水長(zhǎng)度為219.4 m。

表1 壅水計(jì)算成果

(4)沖刷計(jì)算

由于橋址處河槽表層為中砂，厚度約為1.5 m，其下為卵石，厚度約為0～4.2 m，再下層為弱風(fēng)化花崗石。灘地段表面為中砂，厚度約為7 m，部分為亞黏土，其下為卵石和弱風(fēng)化花崗石。因此，沖刷深度計(jì)算選用前述非黏性土沖刷計(jì)算公式，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 沖刷計(jì)算成果

4 防洪影響分析

4.1 對(duì)河道行洪的影響分析

根據(jù)壅水計(jì)算結(jié)果，發(fā)生20 a和300 a一遇洪水時(shí)，橋前最大壅水高度分別為0.016 m和0.035 m；橋下凈空高度分別為5.98 m和4.77 m。因此，橋梁的修建基本不影響河道的行洪。

4.2 對(duì)橋梁自身的影響分析

在發(fā)生300 a一遇的洪水時(shí)，河槽與河灘的一般沖刷深度分別為2.74 m和3.35 m；局部沖刷深度分別為0.82 m和0.81 m；總沖刷深度分別為3.56 m和4.16 m。沖刷后，河槽與河灘處橋墩基礎(chǔ)埋深分別為21.44 m和20.84 m，遠(yuǎn)高于2.5 m的基礎(chǔ)埋深安全值。因此，河床沖刷對(duì)橋墩安全的影響較小。

4.3 對(duì)河勢(shì)穩(wěn)定的影響分析

發(fā)生300 a一遇洪水時(shí)，河槽一般沖刷深度為2.74 m，局部沖刷深度為0.82 m，總沖刷深度為3.56 m；灘地一般沖刷深度為3.35 m，局部沖刷深度0.81 m，總沖刷深度為4.16 m；建橋前后橋址斷面平均流速分別為1.01 m/s和0.99 m/s。鑒于河床沖刷嚴(yán)重，應(yīng)加強(qiáng)防護(hù)，以保證岸坡的防洪安全。由于橋址斷面較寬，橋墩間跨度較大，橋墩占據(jù)的河道行洪面積占總行洪面積的比例較小，建橋前與建橋后斷面平均流速非常接近，因此該橋建成后，對(duì)河勢(shì)穩(wěn)定影響較小。

5 結(jié) 語

由于在河道上修建橋梁，對(duì)河道行洪，兩岸堤防及橋梁本身均有影響，所以對(duì)新建橋梁進(jìn)行防洪影響分析是一件非常重要的工作。本文簡(jiǎn)要的介紹了跨河橋梁防洪影響分析計(jì)算的一般方法，并以太澳高速某跨河大橋?yàn)槔?，從壅水和沖刷兩個(gè)方面分析了它的修建對(duì)河道行洪、橋梁自身及河勢(shì)穩(wěn)定的影響。該方法計(jì)算簡(jiǎn)單、科學(xué)；評(píng)價(jià)結(jié)果合理、可靠；具有很強(qiáng)的實(shí)用性，可以為其它橋梁的防洪影響分析工作提供一定的借鑒和幫助。

[1] 吳昊潼．涉河橋梁防洪評(píng)價(jià)中應(yīng)注意的幾個(gè)問題[J].海河水利，2013(4):9-11.

[2] 楊文海，路志強(qiáng)，劉濤.跨河橋梁防洪影響評(píng)價(jià)研究[J].水資源與水工程學(xué)報(bào)，2013，24(2):163-169.

[3] 吳雪茹．橋墩一般沖刷計(jì)算研究[J].水運(yùn)工程，2007(2):27-30.

[4] 吳持恭．水力學(xué)(上)[M]．北京:高等教育出版社，2007.

[5] 高冬光．公路橋涵設(shè)計(jì)手冊(cè)·橋位設(shè)計(jì)[M]．北京:人民交通出版社，2011.

[6] 中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.JTG C30-2015 公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2015.

Influences of crossing bridge on flood control

GUO Xuanying,AN Hangyong,WANG Kai

(NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,Zhengzhou450045,China)

Construction bridge over the river directly affects the safety of flood passage and dike. Backwater and erosion are two main aspects influencing flood flowing in river and dike safety. This paper introduces a calculation method for crossing bridge influence on flood control. And it is analyzed that the influence of backwater and erosion on flood flowing in river and bridge safety with reference to a crossing bridge of Taiyuan-Macao highway.

flood defense influences evaluation; backwater; erosion

郭選英(1963-)，女，教授，主要從事工程泥沙及河流動(dòng)力學(xué)研究。E-mail：980572623@qq.com

U442.3

A

2096-0506(2015)06-0033-03