重慶某橋涉河工程防洪關(guān)鍵技術(shù)研究

胡曉光

（重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院， 重慶 400074）

0 引言

2020年南部的大雨導(dǎo)致河流和湖泊水位上升，許多地方洪水泛濫和嚴(yán)重洪災(zāi)。由于最近的大雨，許多橋梁的水位急劇上升，但是此時(shí)，橋梁的承載能力增加了，以防止洪水沖刷掉橋梁。橋梁的負(fù)擔(dān)加重，大雨過后由于河流的沖擊而造成的橋梁損壞不容忽視。國內(nèi)學(xué)者開展防洪研究很多，何書琴等[1]對(duì)穿橋地鐵隧道進(jìn)行防洪分析研究，為隧道防洪提供借鑒；張娜等[2]采用二維模型,研究涉河建筑物游船碼頭施工完成后,對(duì)河道泄洪、防汛搶險(xiǎn)等影響，并提出相應(yīng)的措施；劉娟等[3]考慮河道地形、河長等條件,沖刷計(jì)算采用平均低潮位，對(duì)壅水和沖刷計(jì)算采用現(xiàn)水位；蔣友祥等[4]研究橋梁建設(shè)對(duì)防洪的影響,建立二維模型對(duì)橋梁建設(shè)前后水流條件特性進(jìn)行了模擬計(jì)算。

1 工程概況

道路全長369.443m，橋梁工程主橋橋長215m、寬20m、車行道寬15m，雙向四車道，引橋橋長127.8m、寬12m，該橋梁所在公路等級(jí)定為三級(jí),橋梁設(shè)計(jì)安全等級(jí)為二級(jí)。主橋橋梁設(shè)計(jì)全長222.500m(主橋長215.00m，右岸橋墩 7.5m)，雙向縱坡，坡度分別為 3%和 1%。橋梁為一聯(lián)，主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，跨徑布置為；40m+3×45m+40m，橋?qū)挒?20m。引橋橋梁全長127.800m，雙向縱坡，坡度為5.31%。橋梁分三聯(lián)設(shè)置，各聯(lián)之間分別采用牛腿連接，第一聯(lián)與第三聯(lián)為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，跨徑分別布置為；2×25m和2×20m，橋?qū)挒?1m。第二聯(lián)為普通鋼筋混凝土異形箱梁，跨徑布置為2×18m。

2 水文分析計(jì)算

2.1 暴雨洪水特性

工程所處流域?yàn)榻邓a(bǔ)給河流，洪水主要由暴雨形成，暴雨集中在 5～10月。年最大洪峰流量出現(xiàn)在汛期5～10月，多集中于6、7兩月，尤以6月中、下旬發(fā)生的機(jī)會(huì)最多。由于暴雨急驟，山區(qū)性河流坡降大，匯流迅速，洪水漲落快，峰型尖瘦，洪量集中。下游一次洪水過程約 20d，其中大部分水量集中在7d內(nèi)，7d洪量占15d洪量的65%以上，3d洪量占7d洪量的60%，而一天洪量占3d洪量的40%，大水年份則更為集中。

2.2 設(shè)計(jì)洪水

工程下游據(jù)河口僅400m，故擬建橋位處設(shè)計(jì)洪水直接采用河口處設(shè)計(jì)洪水成果。成果見表2-1。

表2-1 河口處設(shè)計(jì)洪峰流量成果表

3 壅水分析計(jì)算

根據(jù)《公路工程水文勘測設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG C30-2002）[5]中的壅水計(jì)算公式計(jì)算橋前最大壅水高度，計(jì)算公式及參數(shù)如下：

式中： Δh——橋前最大壅水高度，m；

η——系數(shù)，與水流進(jìn)入橋孔的阻力有關(guān)，查表得；

——橋下平均流速，m/s；

——天然斷面平均流速，m/s；

根據(jù)建橋前后水流要素，計(jì)算得阻斷流量與總流量的比值均小于10，根據(jù)規(guī)范查表得η=0.05，由此計(jì)算得橋前最大壅水高度見表4-14。

表3-1 經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算橋墩最大壅水高度成果表

橋梁最大壅水長度按照以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中： I——橋位以上水面比降；

Δh——橋前最大壅水高度，m；

L——橋梁最大壅水長度，m；

計(jì)算成果見表3-2。

表3-2 經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算橋墩最大壅水長度成果表

由表3-1、表3-8可以看出，采用經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算的橋前最大壅水高度、最大壅水長度計(jì)算結(jié)果可以看出：遭遇 50年一遇洪水時(shí)，橋前最大壅水高度為0.007m，最大壅水長度為218m；遭遇25年一遇洪水時(shí)，橋前最大壅水高度為0.006m，最大壅水長度為186m；遭遇20年一遇洪水時(shí)，橋前最大壅水高度為0.005m，最大壅水長度為183m；遭遇10年一遇洪水時(shí)，橋前最大壅水高度為0.005m，最大壅水長度為155m。

4 沖刷分析計(jì)算

4.1 河床自然演變沖刷

河床自然演變導(dǎo)致的沖刷，是由于河道中水沙運(yùn)動(dòng)，造成河道床面形態(tài)的改變，同時(shí)床面形態(tài)改變又會(huì)影響水沙運(yùn)動(dòng)，兩者相互依存、相輔相成。這種河道的自然演變無論在建橋前或建橋后，都在不斷地進(jìn)行著，橋梁設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮橋梁使用期間可能發(fā)生的河床變形。根據(jù)現(xiàn)場查勘和調(diào)查的結(jié)果分析，工程所在河段多年來基本沒有變化，因此，河床自然演變沖刷深度取為0m。

4.2 一般沖刷深度計(jì)算

在河流上建橋后，由于橋梁橋墩束窄水流，致使橋下流速增大，水流挾沙能力增強(qiáng)，在橋下產(chǎn)生沖刷。隨著沖刷的發(fā)展，橋下河床加深，過水面積加大，流速逐漸下降，待達(dá)到新的沖淤平衡狀態(tài)或橋下流速降低到河床質(zhì)允許（不沖刷）流速時(shí)，沖刷即行停止。這種由于建橋后壓縮水流而在橋下河床全斷面內(nèi)發(fā)生的沖刷稱為一般沖刷。一般沖刷深度hp系指橋下河床在一般沖刷完成后從設(shè)計(jì)水位算起的最大垂線水深。

由于橋墩位于河槽，故采用河槽部分一般沖刷深度hp計(jì)算公式[5]：

式中：hp——橋下河槽一般沖刷后的最大水深（m）；

Bcj——橋下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(shí)，即為全橋橋孔過水凈寬；

hcm——橋下沖刷前河槽部分最大水深（m）；

hcq——橋下沖刷前河槽平均水深（m）；

——河槽泥沙平均粒徑（mm）；

E——與汛期含沙量有關(guān)的系數(shù)；

Q2——橋下河槽部分通過的設(shè)計(jì)流量(m3/s)；

μ——橋下水流側(cè)向壓縮系數(shù)；

Ad——單寬流量集中系數(shù)，

Bz、Hz——平灘水位時(shí)河槽寬度和河槽平均水深，變遷、游蕩、寬灘河當(dāng)Ad＞1.8時(shí)，Ad值采用1.8。

根據(jù)上式計(jì)算得到建橋后橋位河槽一般沖刷的普遍沖深為0.14m。

4.3 局部沖刷深度計(jì)算

流向橋墩的水流受到橋墩阻擋，橋墩周圍的水流結(jié)構(gòu)發(fā)生急劇變化，水流的繞流使流線嚴(yán)重彎曲，床面附近形成螺旋水流，劇烈淘刷橋墩周圍泥沙特別是迎水面的河床泥沙而形成沖刷墩的現(xiàn)象，稱為局部沖刷。局部沖刷墩外緣與墩底的最大高差用最大局部沖刷深度hb表示。影響局部沖刷的主要因素有流速、墩形、墩寬、水深和床沙粒徑等。河槽部分局部沖刷深度hb計(jì)算采用《公路工程水文勘測設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]：

橋墩局部沖刷按上述公式進(jìn)行計(jì)算，得到建橋后橋墩最大局部沖刷深度為2.10m。

4.4 沖刷計(jì)算結(jié)果分析

綜合橋址斷面一般沖刷和橋墩局部沖刷計(jì)算結(jié)果可知，由于橋位斷面河床組成基本為基巖，僅有0～3.5m厚的沙卵石層，由建橋引起的沖刷是較小的，且大橋主墩的鉆孔灌注群樁基礎(chǔ)深入地面線以下15m，橋墩引起的局部沖刷不會(huì)影響大橋的安全。

5 結(jié)論

通過以上分析計(jì)算，得出下列結(jié)論：

（1）根據(jù)工程建設(shè)布置情況，本工程防洪評(píng)價(jià)通過對(duì)水文資料的分析計(jì)算，就河道行洪能力進(jìn)行了分析。

（2）通過工程實(shí)施前、后工程河段水流條件變化計(jì)算分析可知，遭遇各種頻率洪水條件下，修建后引起過水面積最大束窄率為 4.79%；水位變化均在0.01m以內(nèi)；流速變化均在0.1m/s以內(nèi)，故本次大橋工程的修建占據(jù)河道過水面積較小，引起的局部水位壅高和影響范圍都很小。

（3）由于橋位斷面河床組成基本為基巖，僅有0～3.5m厚的沙卵石層，由建橋引起的沖刷是較小的。

綜上所述，工程建設(shè)方案滿足河道安全行洪與河勢穩(wěn)定的要求，因此，工程建設(shè)是合理可行的。