G107跨木刀溝大橋改建防洪影響評價

張世寶，魯西西，馬 軍

（1.華北水利水電學院，鄭州 450011；2.鄭州市水利建筑勘測設計院，鄭州 450007）

G107跨木刀溝大橋改建防洪影響評價

張世寶1，魯西西1，馬 軍2

（1.華北水利水電學院，鄭州 450011；2.鄭州市水利建筑勘測設計院，鄭州 450007）

木刀溝大橋是G107公路網的重要組成部分，工程跨越磁河，研究其對防洪影響具有重要意義。該文根據河流多年實測資料和防洪標準，計算橋位處的水位、壅水高度與長度、浪高及沖刷等。結果表明，大橋改建后，對河道行洪、河勢穩定及防洪安全等滿足防洪標準要求。

防洪評價；河道；跨河大橋；木刀溝

1 工程概況

木刀溝大橋改建項目位于G107保定界至正定新安鎮段，木刀溝中游。木刀溝大橋為雙幅橋，全橋12孔16m的標準跨徑，橋梁全長192m，設計梁底高程為74.576m。木刀溝京廣鐵路橋位于木刀溝公路大橋上游74m。木刀溝是大清河水系南支潴龍河主要支流，古名磁河，發源于河北省靈壽縣五岳寨。木刀溝大橋橋位處控制流域面積1007km2，其中橫山嶺水庫控制流域面積440km2，橫山嶺水庫至交叉斷面區間面積567km2。其上游2.78km處建有南水北調中線總干渠穿磁河倒虹吸工程，其控制流域面積982 km2。河道縱坡2‰，橋位斷面處左右岸有漿砌石護坡，左岸高度約3.5m，坡度1∶2，右岸高度2m，坡度1∶1.5。 橋位處河道斷面寬約200m。 根據文獻［1］，規劃治導線寬度橫山嶺水庫至馮家莊段為250m，馮家莊至南伏流公路橋段寬300m，南伏流以下段寬350m。規劃堤頂設計超高1.0m，堤頂寬6.0m，內外邊坡均為1∶3［2］。

2 防洪評價計算

2.1 設計洪水計算

設計洪水標準［3］選取100a一遇、10a一遇2個標準。 G107跨木刀溝大橋控制斷面設計洪水的計算，采用水庫設計、區間相應和區間設計、水庫相應兩種組合方式考慮，選其大者作為設計洪水成果。區間洪水采用瞬時單位線法［4］計算，并根據設計暴雨查P～R關系計算相應洪量。

因橫山嶺水庫至G107木刀溝大橋區間流域面積567km2。根據設計洪峰流量計算公式和不同洪水組合方案，計算橋位交叉斷面設計洪峰流量見表1。

由于木刀溝橋位處至南水北調中線總干渠穿磁河倒虹吸工程處，區間流域面積占橋位總控制流域面積的2.5%，流域范圍變化不大，設計洪水成果見表2。

表1 G107木刀溝大橋交叉斷面設計洪峰流量成果

從表2可以看出，本次設計洪水成果考慮本工程流域面積與南水北調控制流域面積十分接近，取其大者作為選用成果比較合理。10a一遇防洪標準選取1215m3/s，100a一遇防洪標準選取3550m3/s。

表2 南水北調設計洪水成果

2.2 水力計算

根據天然河道水面線法，運用均勻流公式計算水位作為起始水位，按河道設計流量計算出橋位斷面水位。天然河道水面線法主要理論依據是伯努利能量守恒方程式，具體如下：

式中 Z上、Z下為上、下斷面洪水位（m）；V上、V下為上、下斷面平均流速（m/s）；Q為設計流量（m3/s）；ΔL為上、下斷面間距（m）；α為動能校正系數；為平均局部阻力系數；為上、下斷面平均流量模數。

水面線推算時，取下游不小于2km處河道斷面作為控制斷面起推，起推斷面的水位～流量關系在缺乏實測流量資料時，可按均勻流公式計算確定。10a一遇防洪標準計算洪水位為71.577m,100a一遇防洪標準計算洪水位為73.452m。

2.3 壅水計算

依據文獻，壅水影響高度與長度計算公式：

式中 ΔZ為最大壅水高度（m）；η為系數，按規定取0.10；Vm為建筑物布置后斷面平均流速（m/s）；L為壅水長度（m）；ΔZ為最大壅水高度（m）；I為橋址河段天然水面比降。橋梁分現狀和改建后兩種情況。計算結果詳見表3。

表3 壅水計算成果

2.4 浪高計算

浪高依據文獻［6］中的公式進行計算：

式中 hb為波浪高度（m）；th為雙曲正切函數；Vw為風速，水面上10m高度多年測得的洪水期間自計2min平均最大風速的平均值（m/s）。

推求橋面高程時，取計算浪高值的2/3作為浪高值。經計算，大橋100 a一遇的浪高計算值為0.319m。

2.5 橋梁底高程計算

橋梁允許梁底高程由100a一遇設計洪水位、壅水高度、2/3風浪高、橋下凈空參數確定，由上計算值得梁底最低允許高程為74.349m。

2.6 沖刷與淤積計算

橋位處一般沖刷范圍內為中砂，選用非粘性土河床的橋下一般沖刷公式：

式中 hp為橋下一般沖刷后的最大水深 （m）；Q2為橋下河槽部分通過的設計流量 （m3/s）；Qc為天然狀態下河槽部分設計流量（m3/s）；Bcg為橋長范圍內的河槽寬度（m）；λ為設計水位下，在Bcg寬度范圍內，橋墩阻水總面積與過水面積的比值；μ為橋墩水流側向壓縮系數，根據設計流速及跨徑選用0.96；Ad為單寬流量集中系數。

式中 hb為橋墩局部沖刷深度（m）；Kξ為墩形系數；B1為橋墩計算寬度（m）；Kη2為河床顆粒影響系數（mm）；V為一般沖刷后墩前行進流速（m/s）；V0為河床泥沙起動流速（m/s）；V0′為墩前泥沙起沖流速（m/s）。

計算結果詳見表4。

表4 木刀溝大橋沖刷深度計算成果

3 防洪影響綜合評價

3.1 對河道行洪及河勢穩定的影響分析

原工程上下游橋墩順河道方向交錯布置，不利于河道行洪，拆除重建后使其布置一致，加大了行洪斷面，降低了上游壅水，減小了橋下洪水流速，對上下游防洪有利，所以工程的修建對10a一遇標準河道行洪沒有產生新的不利影響。

跨河橋梁的修建壓縮了部分河道斷面，橋位流速加大，沖刷加劇，對河勢流態產生一定影響，但可以通過采取橋梁防護措施確保安全。

3.2 對現有防洪工程和其他水利設施的影響

10a一遇計算洪水位71.577m，橋位處現狀左岸堤頂高程為75.10m，右岸堤頂高程為76.0m。現狀堤頂高程滿足規劃堤頂超高的要求；本工程在鐵路橋和G107下游公路橋之間布置，與河道規劃堤防不產生矛盾。

木刀溝大橋遇河道規劃標準10a一遇洪水時，橋前壅高0.031m，壅水長度31m；遇100a一遇洪水時，橋前壅高0.078m，壅水長度78m，較改建前壅水影響程度大大降低。且公路運行數十年，原影響范圍也無村莊和工礦企業等，所以工程項目的實施不會對上游增加淹沒影響。

4 結語

（1）改建后木刀溝大橋長度和結構同下游橋一致，且橋梁布置方向與河道水流方向垂直，新舊橋墩為順水流方向一線布置，橋長大于京廣鐵路橋（橋長243.86m），改善了目前樞紐的行洪條件。

（2）與現狀相比，木刀溝大橋改建后增大行洪斷面，減小了壅高和影響范圍，因此改建工程對河道行洪影響較小。

（3）跨河橋梁的修建壓縮了部分河道斷面，橋位流速加大，沖刷加劇，因此，建議按100a一遇標準沖刷深度防護橋臺，并復核樁基承載力。

（4）設計時必須做好本橋至京廣鐵路橋之間河道兩岸堤防的連接；對橋梁新擴出部分的河底進行疏浚，達到公路橋和鐵路橋之間水流平順銜接。

［1］河北省水利水電勘測設計研究.大清河流域防洪規劃報告（河北省部分）［R］.2002.

［2］石家莊交通設計勘察設計院.G107保石界至正定及南二環至青銀高速段改建工程可行性研究報告［R］.2010.

［3］GB50201—94，防洪標準［S］.

［4］SL278—2002，水利水電工程水文計算規范［S］.

［5］JTG C30—2002，公路工程水文勘測設計規范［S］.

［6］JTJ062—1991，公路橋位勘測設計規范［S］.

［7］劉濤，楊文海，于清霖.保阜高速引線跨越沙河大橋防洪影響評價［J］.水科學與工程技術，2008（3）：35-36.

［8］王宏偉，余建星.跨河道橋工程防洪風險管理體系研究［J］.自然災害學報，2007，16（3）.

［9］董新美.跨河大橋防洪影響評價研究［J］.水利發展研究，2008（4）.

［10］孫慶磊，周波，李超.跨河橋梁防洪影響評價指標體系及影響防治措施研究［J］.水利科技與經濟，2010，16（4）：432-435.

Flood Control Effect Assessment of Mudaogou Bridge Reconstruction by G107 Road Crossing

ZHANG Shi-bao1，LU Xi-xi1，MA Jun2
（1.North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power,Zhengzhou450011，China；2.Zhengzhou City Water Conservancy Construction Survey Design Institute，Zhengzhou450007，China）

Mudaogou Bridge is an important part of G107 highway network.The project spans the Ci River，and it is significant to study its flood control influence.Based on the observation data and the river flood control standard for many years， calculate the result of the water level， the heat and length of swell， the wave elevation and the erosion.Results show that the flood-flowing，flood control safety and the stability of river all meet the standard requirement after the bridge rebuilt.

influence on flood control;river;river-crossing bridge;Mudaogou

TV87

A

1672-9900（2011）03-0057-03

2011-03-16

張世寶（1966—），男（漢族），河北蔚縣人，教授，主要從事水利工程研究，（Tel）15003898921。