淺談跨河大橋行洪論證與河勢穩(wěn)定評價中阻水率的計算

李 彬,朱殿芳,郭志學(xué)

(1.四川大學(xué)工程設(shè)計研究院有限公司,成都 611132;2. 成都市市政工程設(shè)計研究院有限公司,成都 610213;3.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室,成都 610065)

橋是“中國建造”的代表之一,近些年隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展,越來越多的跨江、跨河大橋正在建設(shè)之中,橋梁型式也不斷多樣化。在跨河橋梁設(shè)計中,受地形、河流形態(tài)及周邊建筑的限制等,往往造成路線與河道斜交或橋梁橋墩結(jié)構(gòu)斜交[1-2]。橋墩阻水率反映了橋墩占用行洪面積的比例,是檢驗橋梁阻水程度的重要指標(biāo)[3]。在河道展寬且岸線彎曲河道內(nèi)設(shè)置橋墩時,水流流向往往并不完全與岸線平行,橋墩如考慮水流斜交影響,采用橋墩在垂直于水流方向上的投影寬度來計算阻水率時,往往會導(dǎo)致阻水率大大增加,使阻水率超出規(guī)定限值,對前期橋梁方案造成顛覆性修改。目前,采用一維、二維模型進行壅水計算的研究較多[4-10],針對斜交橋梁的壅水研究也不少[3],但對斜交橋梁阻水率計算的研究較少。橋墩設(shè)置位置一般靠近河岸,岸邊流速往往低于主流區(qū)流速,阻水率除與單位寬度的過流面積(水深)有關(guān)外,也與當(dāng)點流速大小有關(guān),一維模型計算中,以橋位斷面平均流速計算橋墩阻水,實際上放大了數(shù)倍作用流速,如果橋墩再考慮斜交投影,增加投影面積,則會高估橋梁的壅水作用。為了能更好地說明斜交橋墩對水流的阻水作用,本次采用了二維模型對建橋后的水流流態(tài)進行了模擬驗證。本文阻水率的計算方法可為類似跨河橋梁涉水橋墩阻水率的計算提供參考。

1 工程概況

錦尚大橋位于成都市河?xùn)|片區(qū)核心區(qū),主要銜接錦江兩岸科華南路(紅星路南延線)與國華街(經(jīng)三路)濱江景觀路的通過性交通量轉(zhuǎn)換,承擔(dān)天府大道與成仁路東西向到達(dá)性交通的集散,是片區(qū)快速路網(wǎng)及主干道系統(tǒng)中的重要通道工程。錦尚大橋分三跨跨過錦江,橋梁跨徑為:33+180+42=255 m,主跨跨徑為180 m,橋頭引道長度176.368 m,橋面寬度34 m,拱梁結(jié)合處人行道外繞至拱肋外側(cè),橋面寬變?yōu)?0 m,橋梁最低梁底高程為486.86 m,錦江規(guī)劃防洪標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇。主橋采用下承式鋼箱拱梁組合體系、主拱為傾斜雙拱肋、雙索面、鋼箱梁,吊桿為柔性單吊桿。橋墩采用Y型墩,呈花瓶型,為利于漂浮物過橋,橋梁橋墩前段和末段采用弧形,弧段高0.75 m(非豎向),中間采用直線段,直線段長4.8 m,總墩長6.3 m,下部標(biāo)準(zhǔn)墩寬4.5 m,墩寬逐漸漸變至7 m寬后,分為兩叉支墩,設(shè)計洪水處墩寬為5 m。左岸橋墩布置方向與水流方向基本一致,投影寬度與橋墩尺寸一致。右岸橋墩布置方向與水流方向呈約15°夾角,上游排橋墩與下游排橋墩相距28 m。橋梁平面布置見圖1所示。

圖1 橋梁平面布置

工程河段目前已按規(guī)劃完成了堤防工程建設(shè),橋位斷面河道寬216 m,主槽為坡比1∶2的斜坡式混凝土面板河堤,主槽高3.5 m,上接2 m寬人行步道,其上為斜坡綠化帶。錦江流域的水文站、水位站、流量站較多,工程位置上游有望江樓水文站,下游有華陽鎮(zhèn)水位站。根據(jù)望江樓水文站和華陽水位站的洪水觀測成果,采用內(nèi)插法計算錦江工程河段的設(shè)計洪水。工程河段控制斷面的區(qū)間集雨面積109.7 km2,相應(yīng)200年一遇防洪流量為1 580 m3/s。

2 模型設(shè)計

HEC-RAS(River Analysis System )計算模型是美國工程兵團編制的一維河流分析系統(tǒng)軟件,可以計算恒定流,也可計算非恒定流,可模擬橋孔、涵洞、壩面溢流等,還可定義死水區(qū)、堤線等。水面線計算通過求解能量方程從一斷面計算到下一斷面,在求解方程過程中采用了遞次求近法。該模型通過輸入工程地形、上游流量、下游水位等基本資料來計算恒定流條件下河道各斷面水位。

2.1 計算范圍

錦尚大橋工程下游約300 m為復(fù)地金融島,其后河道分為兩汊,該河段范圍內(nèi)水流條件變化較大,均不適宜作為控制斷面,因此取復(fù)地金融島下游約400 m的繞城高速公路大橋斷面作為出口控制斷面,分析河段總長3.4 km。

2.2 河道地形與斷面資料

分析河段長度為3.4 km,錦江河堤已按規(guī)劃完成打造,河勢整體比較穩(wěn)定,根據(jù)河勢地形,共布設(shè)21個水文斷面,CS10～CS11之間為錦尚大橋斷面。

2.3 河道糙率

河道河床糙率參照錦江河道設(shè)計糙率,河道主槽糙率取為0.0275,兩側(cè)岸坡糙率按0.035取值。

3 一維模型計算結(jié)果

按上述資料和方法,對P=0.5%設(shè)計洪水作用下,工程前、后的河段沿程水力參數(shù)進行了計算。錦尚大橋建設(shè)前后,P=0.5%設(shè)計洪水下各斷面的水位、平均流速、過流面積及過流寬度等詳見表1。

表1 工程前、后200年一遇洪水時沿程斷面水力參數(shù)變化

錦江分析河段河道發(fā)生200年一遇洪水時,河道主槽已無法滿足過流要求,需通過兩側(cè)復(fù)式綠化放坡區(qū)域過流,堤頂線為兩側(cè)綠化放坡坡頂,河段整體能滿足200年一遇過流要求,堤頂不會發(fā)生漫溢。工程段新建橋梁后,主槽區(qū)域內(nèi)橋墩涉水,對上游有一定的壅水作用。新建錦尚大橋后,上游最大壅水高度為0.05 m,新建橋梁壅水影響范圍為上游約350 m范圍,工程后現(xiàn)狀堤防高度能滿足防洪要求。受壅水作用,工程段流速較天然減小最大約0.03 m/s。橋孔斷面因斷面收縮,流速略有增加。

新建錦尚大橋處,中間主跨有兩排橋墩涉水,工程后過流寬度和面積會有所減小,工程河段本身位于河流展寬段上,行洪斷面較上游河道基本行洪斷面擴大較多,工程方案對河道行洪總體影響較小。橋梁斷面位置處天然過流寬度221 m,橋墩沿水深變化,河床處橋墩寬度為4.5 m,200年一遇洪水位處橋墩增寬為5 m。右岸橋墩阻水率計算暫考慮兩種情況,第一種情況:不考慮上、下游橋墩疊加作用,將右岸橋墩按正交投影到橋梁軸線斷面上,計算阻水率;第二種情況:右岸橋墩處實際水流流向并不完全與岸線平行,橋墩需考慮水流斜交影響,根據(jù)橋梁與水流斜交角度,橋墩寬度采用水流方向投影寬度,河床處橋墩投影寬度為5.7 m,設(shè)計洪水位處寬度為6.2 m,即考慮右岸上下游兩排橋墩阻水的疊加影響(上下游橋墩均往橋梁軸線斷面投影)來計算橋梁的阻水率。兩種情況下的阻水率計算結(jié)果如表2。

表2 工程后200年一遇洪水過流面積變化

4 二維模型驗算

驗算模型采用平面二維非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格數(shù)學(xué)模型,為較好地模擬橋墩結(jié)構(gòu),計算模型采用四邊形與三角形混合網(wǎng)格,對橋墩所在河段采用三角形網(wǎng)格,其他河段采用四邊形網(wǎng)格模擬。共剖分為11 759個節(jié)點,14 862個網(wǎng)格單元,網(wǎng)格面積小于15 m2。

建橋后,200年一遇洪水時,評價河段流場如圖2、圖3所示,橋位段水位影響等值線圖如圖4所示。

圖2 錦尚大橋工程河段建橋后流場

圖3 橋位處局部流場

圖4 橋位段水位影響等值線

二維模型計算結(jié)果表明:錦尚大橋左岸側(cè)橋墩軸線基本平行于水流方向,上下游橋墩互相隱蔽,正交投影計算不增加橋墩阻水作用寬度,右岸橋墩雖略有交錯,但橋墩上、下游間距約28 m,水流可由墩間繞流通過,擬建橋梁橋墩阻水作用實際未見明顯疊加,右岸下游橋墩前最大壅水高度約0.03 m,至右岸上游橋墩處水位壅高值僅約0.005 m,說明下游橋墩的壅水作用到上游橋墩位置處已基本消除。事實上,二維數(shù)學(xué)模型計算的壅水高度除在橋墩迎水面因水流沖擊爬高導(dǎo)致的壅水高度可達(dá)0.03～0.05 m外,橋梁上游斷面壅水高度最大值普遍在0.015 m以下,遠(yuǎn)小于一維數(shù)學(xué)模型計算壅水值。

由于阻水率定義中以斷面流速均勻分布為基本假定,用斷面過流面積幾何關(guān)系近似表征阻水率,對流速分布差異較大的情況,與實際阻水作用的關(guān)系將出現(xiàn)較大誤差。事實上,阻水率的概念中應(yīng)以單位寬度過流面積與當(dāng)點流速的乘積計算橋墩阻水區(qū)域過流量與斷面總過流量的比值,才能更好地反映橋墩對過流的影響。因擬建錦尚大橋橋墩處天然流速僅0.7～0.9 m/s,遠(yuǎn)小于主流流速,其實際阻水率按流速加權(quán)后將遠(yuǎn)小于前述幾何法計算的阻水率成果。即使不考慮采用流速分布修正阻水率定義,從二維數(shù)等模型計算壅水等值線圖也可看出,下游橋墩的壅水作用到上游橋墩位置處已基本消除,上下游橋墩壅水疊加作用基本不存在,采用第1種情況計算的阻水率4.4%已足以反映工程河段的阻水率。

5 結(jié)論

針對跨河大橋橋墩軸線與水流方向斜交的特點,本文通過一維模型和二維模型計算結(jié)果,得到如下初步認(rèn)識:

(1)橋墩設(shè)置區(qū)流速低于主流區(qū)流速較多時,阻水率計算除與單位寬度的過流面積(水深)有關(guān),也與當(dāng)點流速大小有關(guān)。按流速加權(quán)后實際阻水率將遠(yuǎn)小于采用幾何法計算的阻水率成果。

(2)以單位寬度過流面積與當(dāng)點流速的乘積計算橋墩阻水區(qū)域過流量,采用阻水區(qū)域過流量與斷面總過流量的比值,才能更好地反映橋墩對過流的影響。

(3)上下游橋墩間距較大時,橋墩的阻流疊加作用相對較弱,斜交橋梁仍全部向一個斷面投影的計算方法偏于保守,但橋墩間距的臨界值受橋墩型式、河道地形、洪水流量等因素影響,需結(jié)合類似已建工程和數(shù)值模擬結(jié)果進行確定,不能一概而論。

(4)斜交橋梁在行洪評價時,上下游橋墩壅水不存在疊加作用時,采用一維數(shù)學(xué)模型計算成果,按正交投影來計算阻水率即可反映工程橋梁的阻水率。