新建橋梁施工不同方案導流計算與分析

宋浩然

（遼寧省觀音閣水庫管理局遼寧本溪117100）

新建橋梁施工不同方案導流計算與分析

宋浩然

（遼寧省觀音閣水庫管理局遼寧本溪117100）

本文根據王家灣右岸人工湖導流條件，按照20%和10%頻率下兩種工況，結合設計流量、導流明渠長、底坡、糙率等參數，應用恒定非均勻流的逐段試算法，分別計算了兩種工況的正常水深與臨界水深，并對兩種工況的導流方案進行綜合對比分析，最后給出合理的導流方案，該方案切實可行，對導流等類似工程具有一定的借鑒意義。

導流；恒定非穩定流；逐段試算法；設計流量

1　概況

新立堡橋工程位于沈陽市區東南部，連接東陵區與渾南新區，距上游的東陵橋2.73km，距下游的王家灣橡膠壩1.99km。跨河橋總長1320m，橋梁總長790m，其中主橋長370m，南北引橋長420m，南北引道長530m。主橋橋寬40m，引橋橋寬40m，引道寬40m，機動車道寬均為30m，雙向八車道。橋涵設計安全等級1級，主線設計速度60km/h，設計防洪標準為300年一遇。新立堡橋工程建設將在王家灣橡膠壩址處進行導流。王家灣橡膠壩全長401m，1#～5#為充氣式壩，底板高程43m；6#～7#為充水式壩，底板高程43.6m。

王家灣橡膠壩左右岸各有一處人工湖。左岸人工湖長1200m，寬230m。壩的上游端900m處設置7孔進水閘2m×2m，閘底板高程42.5m；壩的下游端160m處設置7孔泄水閘2.5m×2.5m，閘底板高程41.8m。該閘在灌溉期具有100m3/s的調蓄能力。右岸人工湖長600m，寬100 m，也是滿堂河的入口。壩上游200m處進口橋下有2個涵洞，涵洞直徑Φ700mm，高程44.72m。壩下游350m處設置單跨充水式橡膠壩，底板高程42.8m，橡膠壩頂高程46.3m。

2　方案擬定

2.1導流明渠位置確定

新立堡橋址處河底高程37m，王家灣橡膠壩底板高程43m，左岸人工湖處進水閘底板高程42.5m，右岸人工湖進口橋下涵洞高程44.72m。三處建筑物底板高程相差較少，與橋址處高程相差較大，因此三處建筑物不具備導流條件，故選為開挖明渠進行施工導流。

在左岸人工湖處開挖明渠導流，會對進水閘產生影響，導致進水閘無法正常進流，妨礙河道正常過水運行。利用右岸人工湖開挖導流明渠，右岸人工湖進、出口橋左岸均有剛性護岸防護，拆除工程量大且成本過高，因此不宜選在此位置。進口橋右岸，出口橋右岸均無護岸防護，開挖工程量小，節約成本縮短工期且水流條件較好，故選在此處開挖明渠。

2.2計算方案確定

由于本工程施工工期較短，導流建筑物使用年限小于1.5年，根據《水利水電工程施工組織設計規范》（SL303－2004），將本工程施工導流建筑物的級別確定為5級。當導流建筑物采用土石結構時，其洪水重現期為5年～10年，當導流建筑物采用混凝土或漿砌石結構時，其洪水重現期為3年～5年。根據本工程特點及施工進度安排，導流時間為枯水期，導流時段較短，故本次施工期設計洪水頻率按20%和10%分別進行計算。

新立堡橋跨越渾河，導流工程所在區域多年平均降水量為650mm～800 mm，上游大于下游。降水量年際變化大，年內分配不均，主要集中在6月～9月，占全年降水量的70%～80%。結合渾河流域暴雨洪水特點和施工設計要求，確定施工期劃分為如下兩段：一期（10月25日～2月20日）；（2）二期（2月20日～4月20日）。

本工程施工導流分兩種工況分別計算20%和10%頻率下的各流量的水力要素：

工況一：下游渾南壩充水狀態，壩頂高程40.5m，考慮到回水影響，導流明渠下游計算段水位為40.7m；

工況二：下游渾南壩塌壩狀態，底板高程38.5m，考慮到回水影響，出口段水位為38.7m。

圖1　明渠導流計算斷面圖

表1　沈陽站分期設計洪峰流量成果表

3　導流明渠計算與分析

3.1計算參數

本次設計采用王家灣右岸人工湖導流，進口底高程為39.5m，出口底高程為38.751m，底坡i=0.001，糙率n=0.0275，底寬40m，邊坡系數m=2，導流明渠總長L=749m。

3.2劃分范圍

明渠導流按恒定非均勻流公式計算，采用逐段試算法進行，把實際749m長明渠根據地形條件劃分為六段、七個控制斷面。斷面劃分見圖1。

3.3設計流量

工程位置距離沈陽水文站較近，故采用沈陽水文站洪水資料推求。由于上游建有大伙房水庫，沈陽站非汛期洪水主要來源于大-沈區間，故本次應用沈陽站實測洪水資料進行非汛期設計洪水計算。本次選用沈陽站自大伙房水庫建成后的1959年～2003年共45年實測系列計算施工期設計洪峰流量，頻率計算采用矩法，實測點據與理論曲線擬合較好，成果見表1。由于本次工程位置距離沈陽水文站較近，區間無較大支流匯入，故直接采用沈陽水文站成果。

考慮到上游渾北灌區可分流30m3/s，因此施工期設計洪水5年一遇導流流量確定為32.6m3/s，43.4m3/s，10年一遇導流流量確定為65.5m3/s，90.0m3/s。

3.4計算方法

采用逐段試算法計算基本公式［1］：

式中：△L—兩斷面的距離；

i—渠道底坡；

j—兩斷面平均水力坡降；

h—斷面水深；

v—斷面平均流速；

g—重力加速度。

臨界水深是相應于斷面單位能量最小的斷面水深，計算公式為［2］：

式中：AK——相應于臨界水深時的過水面積；

BK——相應于臨界水深時的水面寬度；

a——流速分布不均勻系數；

Q——過水流量。

正常水深采用明渠均勻流計算公式，即謝才公式為［3］：

式中：C——謝才系數；

R——水力半徑；

4　結果與分析

4.1施工導流水深及水位計算結果

根據公式（2）和公式（3），計算正常水深h0和臨界水深hk，導流標準為5年一遇，一期（10月25日～2月20日），h0=0.582，hk=0.412，二期（2月20日～4月20日），h0=1.011，hk=0.497；導流標準為10年一遇，一期（10月25日～2月20日），h0=1.291，hk=0.653，二期（2月20日～4月20日），h0=1.559，hk=0.805。

根據公式（2），計算臨界底坡ik。經計算，各方案下i＜ik，為緩坡。工況一時，為a1型壅水曲線，進口段以正常水深為漸近線；工況二時，出口水位較低，為b1型降水曲線，出口斷面水深為臨界水深，進口水深逼近正常水深。各工況計算成果見表2及示意圖2、3。

表2　導流明渠計算成果表單位：m

圖2　工況一（橡膠壩充水狀態）進出口水位特性

圖3　工況二（橡膠壩塌壩狀態）進出口水位特性

經綜合對比分析，推薦采用10年一遇導流標準，渾南壩塌壩狀態的導流方案。2008年10月25日～2009年2月20日導流明渠進口水位為40.79m，2009年2月20日～4月20日導流明渠進口水位為41.06m。

4.2施工導流建筑物設計

本次導流建筑物的設計應既考慮本工程的具體特點及要求，又能充分利用周邊現有資源條件。在下游明渠處修建一座便橋，以保障王家灣橡膠壩工程管理人員的日常管理和維護。在右岸人工湖北側修建長918m，寬6m的臨時施工路，以保障游人及機動車通行。導流明渠工程需開挖土方229184m3（不包括道路），袋裝土護坡10000m2。本工程明渠導流位置的選擇首先能保證河道過水斷面能夠滿足導流流量的過流要求，并避免在導流期間對河道造成沖刷。其次，盡量增大導流流量，滿足施工要求，加快工程進度。第三，盡量少占用明渠附近的農用地，節省工程投資。經水力計算，確定了本工程明渠導流的位置。陜西水利

［1］高英峰.渾河閘施工導流與水流控制［J］.地下水，2016，38（3）:173，176.

［2］吳兵.淮河入海水道橋梁工程防洪影響評價的難點與對策［J］.水利規劃與設計，2013，（8）: 8-10，28.

［3］王麗霞.西成鐵路澇河對角岔鋼橋防洪評價探析［J］.陜西水利，2016，（2）:51-52.

（責任編輯：唐紅云）

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