廣氮地區市政道路跨車陂涌橋梁防洪評價研究

鄧蘇誼

（廣東省水利電力勘測設計研究院，廣州 510000）

科技成果

廣氮地區市政道路跨車陂涌橋梁防洪評價研究

鄧蘇誼

（廣東省水利電力勘測設計研究院，廣州 510000）

車陂涌位于廣州市東部的天河區，是天河區七條河涌中流域面積最大的河涌。根據廣氮地區市政道路總體設計要求，本工程范圍共設置跨車陂涌橋梁7座。工程范圍涉及的7座橋跨越車陂涌，擬建橋梁占用車陂涌河道管理范圍的建筑物為布置在河道內的橋墩。文章通過建立一維、二維水流數學模型，計算分析了廣氮地區居住儲備用地市政道路跨車陂涌的7座橋梁對河道水位及流場等的影響，并提出相應結論和建議。

數學模型；水文分析；防洪評價；一維模型；二維模型

1 概 述

車陂涌位于廣州市東部的天河區，是天河區七條河涌中流域面積最大的河涌。

廣氮地區居住儲備用地市政道路及附屬工程，北倚北環高速公路，東至東環高速公路、車陂路，南臨廣園東快速路，西至一縱路，用地面積約250hm2。根據廣氮地區市政道路總體設計要求，居住儲備用地市政道路及附屬工程范圍共設置跨車陂涌橋梁7座，分別位于八縱路、七縱路、六橫路、五縱路、三縱路北、二縱路的跨車陂涌及支涌段。工程范圍涉及的7座橋跨越車陂涌，擬建橋梁占用車陂涌河道管理范圍的建筑物為布置在河道內的橋墩。其中1號橋的橋墩布置在親水平臺上，2、3、4、5、6號橋的橋墩均布置于二級護坡上。1～6號橋的橋墩的阻水比為分別為3.9%、2.3%、3.8%、3.1%、2.7%和1.2%；8號橋的橋墩位于堤頂，阻水比為0%。因此須對該項目進行防洪專題研究，分析該項目對車陂涌的行洪安全、兩岸堤防及其他影響。

2 防洪評價計算

2.1 水文分析計算

水文分析計算目的是為壅水、流態分析計算等水動力數學模型提供計算邊界條件及為河勢穩定分析提供依據［1］。

1）設計洪水：車陂涌的設計洪水采用廣東省綜合單位線法和推理公式法（1988年修訂）兩種方法進行計算，經過綜合對比分析，最終采用綜合單位線法計算結果作為車陂涌的設計洪水成果。

2）設計水面線：考慮了以洪為主外江水位相應和以外江水位為主洪相應兩種組合，并采用兩種組合的外包線作為車陂涌的設計水面線［2］。

2.2 一維模型壅水分析計算

采用一維水流數學模型對壅水進行分析計算。

2.2.1 控制方程

采用一維明渠非恒定流的基本方程作為控制方程。

連續方程：

動量方程：

對于由以上兩式組成的典型水流方程組，目前在數值計算上可有多種方法求解，這些方法各有優缺點，分別適用于不同的水流及邊界情況。本次計算采用四點加權隱格式進行離散，求解時采用迭代法。

橋墩阻水造成局部水動力條件的改變，從而引起水面線的壅高，在一維水流模型中可以通過以下2方面進行概化：①根據橋墩阻水面積調整過水斷面面積A；②橋位斷面由于橋墩的存在引起濕周的變化，從而引起摩阻比降的變化，這在模型中將自動進行計算。

2.2.2 研究范圍和邊界條件

根據本工程影響范圍，確定數學模型研究范圍為：上邊界采用20a一遇設計洪水，下邊界車陂涌口采用5a一遇水位，并考慮了旁側入流引起的河道流量變化。

2.2.3 地形資料及斷面布置

計算范圍內河道地形采用車陂涌已整治后的斷面，各斷面間距約為100m，共76個計算斷面。

2.2.4 模型的率定

根據設計水面線成果對一維模型進行率定。

2.2.5 壅水計算結果分析評價

本工程擬建的7座大橋選址較為集中，各橋之間水流形態又相互影響，無法單獨對每座橋進行分析，因此分析時將7座橋梁做為整體聯合考慮其影響。由于橋墩的建設縮窄了過水面積，增大了濕周，造成水流動能損失，從而引起橋位上游水面壅高。20a一遇設計洪水，河道水位壅高最大值為10.5cm，出現在6號橋上游5m處。壅高值隨工程距離的增大而降低。至6號橋上游1.2km時設計洪水頻率下水位壅高值降為0；8號橋橋墩位于堤岸上，高于設計水位，橋墩阻水比為0%，不產生壅水影響。

2.3 二維模型分析計算

2.3.1 控制方程

采用平面二維數學模型計算工程河段局部的水位、流速和流場形態變化，其控制方程如下：

連續方程：

動量方程：

式中：u、ν分別為 ξ、η為方向流速分量，m／s；z為水位，m；H為水深，m；g為重力加速度，m2／s；f為柯氏力系數；其他符號如下：

其余符號依次類推。

目前二維方程組的數值離散方法主要有有限差分法、有限元法、有限體積法、破開算子法、邊界元法等，其中有限差分法以ADI最為成熟和流行。空間離散方法主要有矩形網格、正交曲線網格、三角形網格、不規則四邊形網格等，后三者可以較好地擬合邊界和水利地形。本模型采用正交曲線網格上的有限差分ADI法進行模型的離散和計算。

2.3.2 研究范圍及地形資料

二維計算范圍定為6號橋上游1.2km至1號橋下游0.6km的河道范圍，計算河段總長度約3.3km；水下地形采用實測斷面資料。

2.3.3 網格布置及邊界設置

本次計算采用貼體正交曲線網格離散計算區域，共布置網格473×103個。根據計算需要，網格分辨率不一。每個單元的頂點節點和中心節點為水位和水深的計算點，頂點之間為橫向和縱向流速計算點。各洪水頻率碼頭建設前后的邊界條件均由一維河網數學模型計算結果提供。上游給定流量，下游給定水位。固壁邊界采用不可入條件和可滑條件，同時考慮旁側支流。橋墩所在網格概化為不過水處理。

2.3.4 模型的率定

根據一維河網水流模型計算成果對二維模型進行率定。

2.3.5 計算結果與分析

以一維水流模型提供的計算邊界計算設計頻率（P＝5%）下橋梁建設前、后橋位附近水域的流場形態、流速、流向變化，根據計算結果分析評價項目對流場形態、流速、流向等的影響。

從流速上看，1～6號橋工程前后，橋墩與河岸之間、左側橋墩與右側橋墩之間流速增大，橋墩上下游局部范圍內流速降低，流速變化值在 －1.5～0.12ms，工程前后流速變化等值線圖見圖1。8號橋工程范圍內則無流速變化。

圖1 3號橋工程前后流速變化等值線圖

3 結論與建議

3.1 結論

根據廣氮地區居住儲備用地市政道路及附屬工程七座橋梁的初步設計成果和有關防洪規劃成果，調查分析所跨越車陂涌河段洪水特性、兩岸現有防洪能力及水利設施分布情況等，分析河道演變，建立一、二維水動力模型，計算設計洪水條件下工程建設前后的壅水和流場變化，經過綜合評價后，得出以下結論：①根據國家《防洪標準》（GB50201—94），7座橋作為I級公路跨越河道的小型橋梁，其防洪標準均為100a一遇，符合國家《防洪標準》。②7座橋的最低梁底標高均高于相應位置的河道堤防整治高程，大橋梁底設計高程可滿足防洪潮高程的要求。③在設計洪水條件下，1～6號橋工程上游河道出現水位壅高，河道水位壅高最大值為10.5cm，出現在6號橋上游5m處。壅高值隨距離工程的增大而降低。至6號橋上游1.2km時設計洪水頻率下水位壅高值降為0。④在設計洪水條件下，1～6號橋工程前后，橋墩與河岸之間、左側橋墩與右側橋墩之間流速增大，橋墩上下游局部范圍內流速降低，流速變化值在－1.5～0.12m／s。

總體來說，工程對其附近水域的水流動力影響不大，工程后河道整體沖淤變化影響不大，工程對所在的河道整體河勢穩定影響亦不大。

3.2 建議

綜合前面的分析成果，從擬建工程的布置看，工程方案對河道防洪、河勢穩定等的影響不大，與有關技術標準和管理要求等基本適應。為了盡量降低工程影響，提出以下4點防治與補救措施：

1）工程實施后，橋墩與河岸間流速有所增加，同時考慮到橋墩距離堤防較近，施工期間施工棧橋布置以及往來材料、設備運輸可能危及堤防的穩定，由于本項目涉及與車陂涌堤防整治工程同步進行的問題，因此需結合實際情況合理安排施工組織設計工作，為避免正在進行的車陂涌整治工程和擬建橋梁橋墩下部結構施工的相互干擾，建議同步完成提防整治和橋墩的施工，并確保橋墩附近的提防按規劃斷面要求進行整治。

2）施工期間不得向河道內傾倒余泥廢料。施工完成后，施工圍堰、棄渣應及時、妥善、徹底清理，以恢復主河槽原有地貌。完工后對工程區域附近河床要進行清理，在施工水域進行硬式掃床，以免對行洪產生不利影響。

3）施工過程中，注意項目區附近河道堤防和岸坡的維護和觀測，遇到險情應及時上報水行政主管部門；汛期積極配合水行政主管部門做好安全渡汛工作。

4）工程施工期的棄物、堆放物、工人生活排放水等可能對河水造成污染，應對這些棄物、堆放物和生活排放水等進行有效管理，施工和生活廢水需處理達標后方可按規定排放。

［1］楊文海，路志強，劉濤.跨河橋梁防洪影響評價研究［J］.水資源與水工程學報，2013，24（02）：163－165.

［2］王國新，劉忠民，胡曉松.三通河跨河橋梁防洪影響評價分析［J］.現代農業科技，2011（05）：261－262.

U442.3

B

1007－7596（2014）08－0001－03

2014－04－08

鄧蘇誼（1981－），男，湖南婁底人，工程師，從事水力學和水文規劃研究。