二維水動力模型在跨河橋梁防洪影響補償中的應(yīng)用

余文忠，陸洪亞，孫傳文，朱京德

(連云港市水利規(guī)劃設(shè)計院有限公司，江蘇 連云港 222000)

根據(jù)《中華人民共和國水法》、《中華人民共和國防洪法》等有關(guān)規(guī)定，需進行跨河橋梁防洪影響評價[1- 2]。河道內(nèi)橋墩的布置，造成阻水，減小了行洪過流斷面面積，引起橋前壅水，影響行洪能力[3- 5]，需對河道斷面進行補償擴挖[6- 9]。為驗證補償效果，本文利用二維水動力模型進行數(shù)值模擬[10- 15]。

1 基本情況

1.1 河道概況

新沂河始自江蘇省駱馬湖嶂山閘，途經(jīng)新沂、宿豫、沭陽、灌南、灌云五縣(市)境至燕尾港鎮(zhèn)南出海，全長146km。204國道跨新沂河特大橋位于新沂河大斷面樁號約113+000處。橋址處堤距約2.98km，河道行洪水面比降約為1/10000。橋址處南偏泓泓底寬約112m，口寬約155.5m，泓底高程-0.62m，邊坡1∶4；橋址處北偏泓泓底寬約113m，口寬約175m，泓底高程-0.2m，邊坡1∶4。

1.2 橋梁概況

204國道跨新沂河特大橋分為左右兩幅，結(jié)構(gòu)完全相同。橋梁軸線方向與新沂河河道夾角為100°，橋墩軸線與水流方向一致。橋梁單幅寬13.0m。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用30m組合箱梁，跨大堤采用40m組合箱梁，與橋梁立交；下部結(jié)構(gòu)均為雙柱式橋墩上接蓋梁，肋板式橋臺，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋梁布孔形式為：5×30+6×30+3×40+18×(5×30)+4×30+3×40+6×30+5×30m，橋梁總長3724.5m。橋梁及其斷面圖如圖1—2所示。

圖1 橋梁跨越新沂河

圖2 橋梁斷面圖

表1 補償方案1設(shè)計情況表

表2 補償方案2設(shè)計情況表

2 補償方案設(shè)計

2.1 橋址處現(xiàn)狀工況

南偏泓：橋梁中心線上游450m處為小潮河滾水壩，滾水壩下游設(shè)漿砌石護坦、后接漿砌石消力池、護底及防沖槽，防沖槽末端距橋梁中心線389m；橋梁中心線下游約1km處現(xiàn)有生產(chǎn)橋一座?？紤]到小潮河滾水壩的保護范圍及生產(chǎn)橋的正常通行，本次補償設(shè)計方案，南偏泓橋址上游擴挖起點在小潮河滾水壩防沖槽末端向下游50m處。

北偏泓：橋梁中心線上、下游約1.0km處現(xiàn)狀各有生產(chǎn)橋一座。

2.2 補償方案設(shè)計

經(jīng)計算，在50年一遇設(shè)計工況(新沂河現(xiàn)狀防洪標(biāo)準(zhǔn))下，橋墩阻水面積615m2，橋墩阻水面積比為4.649%。

本次行洪斷面補償擬定了2個方案進行比選，即橋墩阻水全斷面補償方案(方案1)、阻水?dāng)嗝娌糠盅a償方案(方案2)。2個補償方案主要是開挖的長度和寬度不同，開挖長度均不小于各方案的雍水影響范圍?？紤]橋墩的阻水面積及雍水影響范圍，確定全斷面補償?shù)姆桨?開挖長度；在方案1的基礎(chǔ)上，為保持水流流態(tài)平順，確定了補償方案2。

2.2.1方案1

以現(xiàn)狀南、北偏泓內(nèi)側(cè)泓口線為邊線，向河道中心擴挖。本方案為阻水?dāng)嗝嫒珨嗝嫜a償，根據(jù)50年一遇設(shè)計洪水位下橋墩的阻水面積，確定直線段南、北偏泓對稱開挖寬度為各114m。詳見表1及圖3—4。

2.2.2方案2

由于方案1中土方工程量較大，且開挖的直線段長度相對較短，可能對水流的流態(tài)有一定的影響，故擬定了方案2(阻水?dāng)嗝娌糠盅a償)。河道補償開挖的寬度比方案1略小，同時為使水流流態(tài)平順，增加了直線段開挖長度。詳見表2及圖5—6。

圖3 南偏泓補償平面(方案1)

圖4 北偏泓補償平面(方案1)

圖5 南偏泓補償平面(方案2)

圖6 北偏泓補償平面(方案2)

3 補償效果分析

3.1 計算范圍

計算范圍：北偏泓計算范圍長1500m；南偏泓計算范圍長1300m。

河道斷面：河道斷面為實測斷面，測量間距為100m。

網(wǎng)格劃分：采用無結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格剖分，邊長一般為5～50m，橋墩處加密為1～2m，網(wǎng)格數(shù)為37107個，節(jié)點數(shù)為19454個。

3.2 模型參數(shù)

本次直接采用“新沂河整治工程初步設(shè)計報告”[16]設(shè)計糙率，泓道n=0.020，灘地n=0.030。

3.3 計算工況

計算工況考慮現(xiàn)狀及特大橋建成后，分別為以下3種：

工況1：現(xiàn)狀不建橋梁的情況。水位、流量參照“新沂河整治工程初步設(shè)計報告”中相關(guān)成果，模型進口流量取新沂河50年一遇行洪流量7800m3/s，模型出口處南偏泓水位6.297m，北偏泓水位6.299m。

工況2：新沂河特大橋建成后不采取任何補償措施的情況，水位、流量同工況1。

工況3：新沂河特大橋建成后采取補償措施的情況。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，初步考慮2種補償方案，水位、流量同工況1。

不同計算工況組合表見表3。

3.4 計算結(jié)果

擴挖補償后橋址附近各斷面水位對比結(jié)果見表4—5。

3.5 方案比選

3.5.1補償效果比較

(1)南偏泓

采取河道補償措施后，相比現(xiàn)狀工況，方案1大約在橋址上游238m處(樁號0+500)出現(xiàn)壅水，方案2大約在橋址上游238m處(樁號0+500)出現(xiàn)壅水。從出現(xiàn)壅水的距離分析，2個方案效果相同。

表3 不同計算工況組合表 單位:m

采取補償措施后，相比現(xiàn)狀工況，方案1能減小流速最大值0.014m/s，方案2能減小流速最大值0.012m/s。從減小流速方面分析，兩者差別不大，方案1略優(yōu)于方案2。

但由于方案1直線段開挖長度較短，河道中水流流態(tài)相對較紊亂。從保持河流水流流態(tài)穩(wěn)定方面考慮，方案2優(yōu)于方案1。

(2)北偏泓

采取河道補償措施后，相比現(xiàn)狀工況，方案1大約在橋址上游338m處(樁號0+400)出現(xiàn)壅水，方案2大約在橋址上游438m處(樁號0+300)出現(xiàn)壅水。從出現(xiàn)雍水的距離分析，兩者差別不大，方案1略優(yōu)于方案2。

采取補償措施后，相比現(xiàn)狀工況，方案1能減小流速最大值0.028m/s，方案2能減小流速最大值0.006m/s。從減小流速方面分析，方案1略優(yōu)于方案2。

但由于方案1直線段開挖長度較短，河道中水流流態(tài)相對較紊亂。從保持河流水流流態(tài)穩(wěn)定方面考慮，方案2優(yōu)于方案1。

3.5.2工程量比較

方案1實際補償面積615m2，同新沂河大橋橋墩阻水面積，切灘面積192畝，工程共需開挖土方33.52萬m3；方案2實際補償面積534m2，約為大橋橋墩阻水面積(615m2)的87%，切灘面積183畝，工程共需開挖土方31.63萬m3。

表4 南偏泓104#橋墩附近各斷面水位比較表 單位：m

表5 北偏泓17#橋墩附近各斷面水位比較表 單位：m

方案2土方開挖量小于方案1，通過工程量比較，方案2優(yōu)于方案1。

表6 方案比較表

3.5.3推薦方案

通過對補償效果及工程量的比較，方案2的補償效果總體優(yōu)于方案1，且工程量小于方案1。因此，本次補償設(shè)計推薦方案2。

4 結(jié)論

本文通過二維水動力模型數(shù)值模擬了新沂河流場，解決了防洪影響補償范圍難以確定的問題，給出了防洪影響補償?shù)睦碚撘罁?jù)，為河道主管部門管理涉河建設(shè)項目提供了技術(shù)支撐。但鑒于橋址處上下游河道現(xiàn)狀工況，本文僅擬定了2種補償方案，且補償效果相差不大。類似建設(shè)項目，若無限制，建議按照補償長度設(shè)計3種及以上補償方案，綜合考慮補償效果及工程量等因素?fù)駜?yōu)選取。