禹州市潁云橋工程防洪綜合影響評價分析

賈軍偉，成晨光

（1.中電建華東勘測設計研究院（鄭州）有限公司,河南 鄭州 450000；2.河南省水利勘測設計研究有限公司,河南 鄭州 450016）

河道工程建設活動將會導致河道水流形態(tài)變化,其不利于河道維持沖淤平衡,對河道水利工程管理和防汛搶險有著較大影響[1]。為了保障江河防洪安全,規(guī)范河道管理范圍內建設項目防洪評價報告的編制,根據《中華人民共和國防洪法》與《中華人民共和國河道管理條例》[2]等法律、法規(guī),2021年水利部出臺了《河道管理范圍內建設項目防洪評價報告編制導則》,為河道管理范圍內建設項目提出了相關要求和內容。近年來,部分學者對相關建設項目的防洪工程進行了評價分析,如周倩男[3]運用水文比擬法和雨洪法對望江縣寶塔河上段防洪工程進行了流域設計洪水計算,曹開興[4]對景德鎮(zhèn)港昌江港區(qū)魚山碼頭建設項目的防洪評價進行了水文分析計算,秦龍飛等[5]采用HEC-RAS推算了新蔡縣河口大橋工程跨越小洪河的設計河道水面線并分析了設計洪水內對橋梁的影響,朱明栓等[6]通過水文水利分析計算論證了閩江下游竹岐段的防洪影響程度,盛雷等[7]確定了梁濟運河防洪標準、設計洪水流量和洪水位,并對橋梁防洪影響進行了綜合評價,丁丁等[8]評價了馬鞍山長江大橋江心洲右汊及乙字河臨時工程建設前后對長江防洪的綜合影響,吳歡歡等[9]根據蟒河橋工程的建設規(guī)模和布設情況分析了該工程對洪水的影響范圍。

本研究以擬建潁河潁云橋為例,在介紹工程項目區(qū)基本情況、河道基本情況和水文基礎資料的基礎上,從河道演變趨勢分析、設計洪水計算、壅水分析計算、沖淤演變分析和河勢影響分析方面對潁河橋進行防洪評價計算,且對潁河橋防洪綜合影響評價進行分析。進而針對防洪影響評價結論,分析工程建設可能出現的隱患,提出合理的安全防護措施。

1 工程概況

1.1 項目區(qū)基本情況

潁云橋位于禹州市市區(qū)西北潁河橡膠一壩上游約1.8 km處,距離上游南水北調總干渠約1.8 km。河道樁號以南水北調倒虹吸作為0+000樁號,潁云橋項目區(qū)位于南水北調倒虹吸下游1+800處。潁云橋的橋梁右岸控制點位于振興路與擬建潁北大道交叉口,橋梁左岸控制點位于聶政臺路與擬建潁北大道交叉口；潁云橋的橋梁墩臺軸線與河道中心線夾角約為4°,橋梁軸線與河道中心線夾角約為94°,潁云橋設計防洪標準為100年一遇。

1.2 河道基本情況

潁云橋工程所在潁河河段基本順直,無堤防,河道走向由北向南,橋梁處河道口寬約190 m；常年蓄水位水域寬約125 m。項目區(qū)段河道彎曲,斷面寬闊,兩岸地勢開闊,較平坦；河道現狀深泓點高程約為108.86 m,現狀河底寬約為112.00 m；兩岸邊坡為天然土坡,右岸較陡,坡比約為1∶1.4,坡高約為6.3 m,右岸現狀岸頂高程約為121.12 m；左岸較緩,有灘地,灘地寬約為39.3 m,灘地高程在114.5 m～117.3 m之間,左岸邊坡坡比約為1∶1.7,左岸現狀岸頂高程為120.31 m；河道平均坡降約為1/1330。工程區(qū)地處山前沖洪積平原上,地面高程一般為119.50 m～122.50 m,地面較平坦,局部有土堆和小坑。

1.3 水文基礎資料

潁云橋橋址附近無水文觀測資料,缺少實測河道斷面變化資料,在橋址下游39.5 km處有潁橋水文站。潁橋站具有多年水文觀測資料,本研究采用潁橋水文站實測大斷面多年來的變化情況,并結合現場調查訪問,分析橋址處河道斷面變化及河床沖淤特性等。潁橋水文站1953年6月建站,于1984年1月1日撤銷,下遷至下游6 km處,設立為化行閘站。潁河化行閘以上有雨量站14個,鄰近流域有6個,共計20個站,最早設站于1931年,多數雨量站至今已有50余年觀測資料。

2 防洪評價計算

2.1 河道演變趨勢分析

潁河潁云橋附近河段近期不會有大的河道治理工程實施,局部護岸工程可能會實施。潁云橋工程修建后,由于橋墩擠占河道行洪斷面,造成局部河床橋墩處流速加大,會發(fā)生一定沖刷,總體河勢穩(wěn)定。工程修建后,潁云橋100年一遇水位（117.74 m）距離設計橋梁拱底高程（122.79 m）高差為5.05 m,對河道行洪影響不大,河流的主流線沒有變化,不會影響河道原有演變趨勢,近期內仍會按原有演變趨勢發(fā)展。

2.2 設計洪水計算

由于潁云橋工程位于南水北調干渠下游1.8 km處,區(qū)間匯流面積較小,本研究直接采用南水北調中線總干渠穿潁河倒虹吸工程穿潁河設計洪水,見表1。

表1 潁河南水北調交叉斷面設計洪水成果表

根據水文比擬法計算潁云橋橋址斷面非汛期設計洪水,將化行閘非汛期設計洪水推算到潁云橋橋址斷面處。由于白沙水庫非汛期不泄流,根據白沙水庫至潁云橋橋址斷面區(qū)間流域面積598 km2與水庫至化行閘站區(qū)間流域面積927 km2比值的0.75次方,縮放計算得到潁云橋橋址斷面非汛期5年一遇設計洪峰流量為47.9 m3/s。采用HEC-RAS的恒定流水面線推算模塊對潁云橋水位推算橋址處水位應為111.05 m,另外潁云橋建橋前100年一遇水位為117.74 m,50年一遇水位為116.17 m。

2.3 雍水分析計算

橋梁修建后天然水流將受擠壓,在橋梁上游形成壅水區(qū),壅水高度不僅影響橋梁的設計高度,而且還會對橋梁上游兩岸的河道工程產生一定程度的影響。經過計算潁云橋在100年一遇和河道50年一遇洪水下建橋后的阻水比分別為5.97%和4.03%。

橋前最大壅水高度公式：

式中：ΔZ為最大壅水高度,m；η為系數,與橋阻斷流量有關；為橋布置后斷面平均流速,m/s；Qp為設計流量,m3/s；ωj為橋過水斷面面積,m2；vo為現狀河道斷面平均流速,m/s。

壅長計算公式：

式中：L為壅水長度,m；ΔZ為最大壅水高度,m；I為水面比降。

根據100年一遇洪水水面線推算的現狀情況下河道斷面平均流速、建橋后斷面平均流速,并根據河灘路堤阻斷流量與設計流量的比值選定η值,進行壅高值計算,結果見表2。經計算,潁云橋100年一遇洪水壅高為0.03 m,壅水長度為79.80 m；50年一遇洪水壅高為0.02 m,壅水長度為54.84 m。

表2 壅高計算成果表

2.4 沖淤演變分析

潁云橋建橋后,橋下流水面積因壓縮而減小,建橋壓縮水流而在橋下河床全斷面內發(fā)生了普遍沖刷（一般沖刷）,并且橋墩前水流受到阻擋與干擾,墩周產生了局部沖刷坑（局部沖刷）。根據《公路工程水文勘測設計規(guī)范》中的橋梁一般沖刷計算公式和非粘性土橋梁墩臺局部沖刷計算公式對潁云橋進行沖刷計算,得到潁云橋橋址斷面沖刷計算成果見表3。

表3 潁云橋橋址斷面沖刷計算成果表

由表3可知,在100年一遇防洪標準下,潁云橋橋位附近主河槽一般沖刷深度為0.57 m、灘地一般沖刷深度為1.21 m,橋墩附近主河槽局部沖刷深度為2.69 m,灘地橋墩附近局部沖刷深度為0.43 m；因此,主河槽最大沖刷深度為3.26 m,灘地最大沖刷深度為1.64 m。在50年一遇防洪標準下,潁云橋橋位處水位高程為116.17m,低于左岸灘地高程,因而50年一遇洪水流量對河道灘地基本無沖刷；橋墩附近主河槽一般沖刷深度為0.51 m,局部沖刷深度為2.45 m,因此主河槽最大沖刷深度為2.96 m。

2.5 河勢影響分析

本研究主要根據MIKE21數學模型對潁云橋所在河道的流速及流態(tài)變化進行模擬,模型計算區(qū)域為潁河禹州段,以橋址上游1.8 km（南水北調總干渠倒虹吸處,樁號0+000）～橋址斷面下游1.8 km（橡膠一壩,樁號3+600）（見表4）,作為二維模型區(qū)域的進口和出口斷面,計算長度為3.6 km。計算區(qū)域網格劃分采用三角形網格,網格在各橋梁橋墩位置進行了局部加密,三角形邊長2m ～6 m,最大面積不超過30 m2,其他位置網格邊長約10 m～25 m,最大面積不超過400 m2。總節(jié)點數4934,總網格數9508。在計算時計算區(qū)域的上下游邊界保持不變,兩側邊界則根據計算單元干濕情況自動調整。

表4 潁云橋工程局部MIKE21二維數學模型計算范圍

根據圖1～圖4可知,由于橋墩導致橋址處過水面積減小,對水流產生收束和擠壓。受橋墩的阻水影響,橋墩附近局部產生繞流和回流,流速明顯減小,橋墩的墩頭和墩尾處影響較大。另外,根據工程實施前后河道不同斷面流速對比可以看出,橋梁工程的建設對河段樁號1+600～2+200段流速影響較小,其中橋址處平均流速由建橋前的3.20 m/s增加至建橋后的3.78 m/s。樁號0+000～1+400及樁號2+200～3+600河段,工程對其流速基本無影響。由此可見,潁云橋建設后,潁河整體流態(tài)平順,流速變化區(qū)域主要局限在橋址附近,影響范圍及幅度有限,流速變化明顯區(qū)域僅橋墩墩頭及尾部,其余部位影響較小。因此,潁云橋工程對工程所在河道整體流速、流態(tài)影響不大。

圖1 工程實施前橋址處河段二維流速圖

圖3 工程實施前橋址處河段二維流向圖

圖4 工程實施后橋址處河道二維流向圖

潁云橋工程修建完成后,工程上下游河段洪水河勢基本與現狀一致,整體保持原有態(tài)勢。修建潁云橋工程對洪水期河道過流能力影響較小,工程河段河道水流動力軸線基本不變。潁云橋工程設計方案基本沒有改變河道岸線布置,原河道斷面寬度未出現縮窄,在橋梁施工過程中會對橋址處灘地及河床斷面進行適當擴挖,增加過流斷面,建設完成后對斷面進行規(guī)整、補償。施工過程中造成的岸線破壞,在潁云橋施工完成后,會對其進行一定的修復,同時對潁云橋處河道斷面灘地局部進行擴挖。施工過程中僅對橋址斷面及上下游50 m左右的河道斷面進行疏挖,其余河段的灘槽和岸線無變化。

3 防洪綜合影響評價

潁云橋河道橋址斷面100年一遇工程后水位117.74 m,潁云橋拱底最低高程121.38 m,梁下凈空3.64 m,河道內建設項目對河道防洪標準基本無影響,滿足現有防洪標準。潁云橋工程對左右岸部分行洪灘地進行適當的擴挖,對河道橋址處河床進行清淤疏浚,從而增加了河道行洪斷面面積,因此對河道的行洪能力影響較小,不會引起現有防洪標準的降低。

根據沖刷計算結果,依據潁云橋橋梁設計方案,橋址處主橋墩處河道河底高程為110.10 m,承臺頂高程為106.80 m,承臺埋置深度為3.3 m超過最大沖刷深度,因此工程建設對河勢穩(wěn)定影響不大。潁云橋壅水較小,回水長度79.80 m,而潁云橋上游現有水利工程僅有南水北調工程,并且距離潁云橋1800 m,在潁云橋壅水回水范圍以外,因此,潁云橋對南水北調工程正常使用不會造成影響,同時在其壅水影響范圍內無其他水利設施。

潁云橋施工期在河道內施工,短期內可能會對河道防汛搶險造成影響,但主體工程施工期在非汛期施工,防汛任務不大,且時間較短,因此,工程施工期對河道防汛搶險造成的影響較小。

4 結論與建議

潁云橋工程橋梁設計洪水標準滿足河道防洪標準和河道管理要求,施工完成后周邊水環(huán)境及岸坡進行的一定的修復處理,潁云橋的建設對河勢的穩(wěn)定、現有水利及其他設施基本無影響。建議在潁云橋工程施工過程中對橋址上游兩岸50 m范圍、下游兩岸100 m范圍內岸坡進行防護,工程區(qū)河道內堆放的棄渣、廢棄物、漂浮物等應及時進行清除轉運；施工期內應采取措施,及時撤離阻水設施,使河道順暢泄洪；保持道路暢通及沿線通訊電纜、電力電纜等基礎設施安全,施工安全進行；主河槽段橋墩施工,要做好施工導流工作,減少施工期排水量,非汛期施工墩臺、樁基等下部結構工程,開挖避免占用非汛期河道斷面。