某水庫下游跨河橋防洪評價

劉耀宗+翟春明+李陸明

【摘要】跨河橋為某水庫的配套工程，位于壩址下游2Km處，為連接兩岸的永久橋梁。橋梁的修建，使工程區內形成環形交通，提高工程管理的可靠度。橋梁設計滿足《防洪標準》要求，橋梁建成后，橋位斷面水位壅高使得橋下凈空有可能不滿足有關要求，同時可能會對第三方合法水事權益產生影響，但不會對河道行洪以及對下游河段的河勢造成影響。

【關鍵詞】跨河橋；防洪評價

【Abstract】River bridge for a reservoir supporting projects， located in the lower reaches of the dam 2Km， to connect the two sides of the permanent bridge. The construction of the bridge， so that the formation of circular traffic within the project area to improve the reliability of project management. Bridge design to meet the "flood control standards" requirements， after the completion of the bridge， the bridge level water level obstruction makes the bridge under the clearance may not meet the requirements， and may have a third party legitimate water rights have an impact， but not on the river flood As well as the river reaches the lower reaches of the river.

【Key words】River bridge；Flood control evaluation

1. 概述

某水庫位于河道最后一段峽谷出口處，跨河橋為水庫的配套工程，位于壩址下游2Km處，為連接兩岸的永久橋梁。跨河橋的修建，為水庫施工期兩岸施工物料和施工設備的高強度運輸起到非常重要的作用。水庫建成后，橋梁連接兩岸，使得工程區內形成環形交通，提高工程管理的可靠程度，并與地方交通規劃相協調，修建該跨河橋十分必要。

2. 基本情況

2.1橋梁等級及技術指標。跨河橋為大型橋梁，依據《防洪標準》（GB50201-94）[1]規定，橋梁設計防洪標準采用50年一遇洪水設計，水庫建成后設計洪峰流量為2820m3/s，相應設計洪水位173.38m。橋梁全橋跨越河道，設計梁底高程為179.187m，全橋范圍內設計采用的最低沖刷線高程為154.30m。

2.2河道基本情況。

2.2.1河道概況。跨河橋位于壩址至下游水文站約9Km的河段內。從壩址～水文站為河道干流最后一個峽谷段，區間匯流面積有限，加之該區間流域植被良好，水土流失輕微。該河段為砂卵石河床，其間有局部基巖出露，兩岸為山體，河谷狹窄，坡陡流急，兩岸山體間寬度約400m，主槽靠近左岸山體，寬度約150m，多年來流勢穩定。

2.2.2地質條件。

（1）橋位區橋梁起點和終點處均有基巖出露，巖性為奧陶系下統灰色含燧石結核白云質巖、條帶狀細晶白云巖、泥灰巖，巖體較為完整，無大的結構面及不良地質體分布。根據鉆孔資料，橋位區地層按成因分為上部第四系河流沖積覆蓋層和下部奧陶系白云質灰巖。

（2）地勘資料表明，該河段河床按顆粒的粗細自上而下劃分為3層。表層為含細砂的蠻石層，厚度1～6m。頂部分布有較多的特大蠻石，一般直徑1～3m，局部夾有粉砂和砂壤土薄層；中層為含細砂蠻石的粗礫層，厚度2～12m。其頂面1.5～3.0m大部分呈膠結或半膠結狀，頂部高程一般在174～177m；底層為含細砂的中礫層，頂面高程一般在166～168m，其頂面普遍沉積有壤土、砂壤土和粉砂層。

3. 河道演變

3.1歷史和現狀河道演變情況。

（1）橋位河段為山區河道，兩岸為山體，河谷狹窄，坡陡流急，兩岸山體間寬度約400m，主槽靠近左岸山體，寬度約150m，多年來流勢穩定。

（2）該河段河床為砂卵石河床，其間有局部基巖出露，表層為含細砂的蠻石層，厚度1～6m。頂部分布有較多的特大蠻石，一般直徑1～3m，局部夾有粉砂和砂壤土薄層，多年來河床穩定，沖淤變化甚微。

3.2河道演變趨勢分析。

（1）橋梁位于水庫下游約2Km，泄洪洞出口位于橋梁上游約700m。泄洪洞泄流時挑射水流具有強大的沖刷作用，會在建筑物下游產生一定范圍的沖坑。

（2）在水庫工程可行性研究階段，對水庫下游沖坑進行了水力學計算，結果為：泄洪洞最大挑距為147.04m，沖坑深度為45.32m，其最大影響范圍距泄水建筑物出口約510m，距橋梁約為170m。同時，對沖坑進行的實體模型試驗成果為：沖坑深度約20m，影響范圍距泄水建筑物出口約170m，距橋梁約500m。由于水庫下游沖坑問題復雜，為安全起見，采用水力學計算的結果，水庫沖坑邊緣距橋梁最小距離約170m。由于水庫泄洪洞下游沖坑的影響范圍距離橋梁較近，橋位河段的河勢可能發生改變，在全橋范圍內均有可能演變為主槽。

4. 防洪評價

4.1水文分析計算。

4.1.1氣象。

（1）跨河橋橋位以上流域屬副熱帶季風區。冬季受蒙古高壓控制，氣候干燥、寒冷；春季很少受西南季風影響，雨量增加有限；夏季西太平洋副高增強，暖濕海洋氣團從西南、東南方侵入到本流域，同時又處于西風帶環流影響下，冷暖空氣交換頻繁，故雨量特別集中。7月～8月雨量占全年的40%以上。最大月雨量出現在7月，最高溫度一般出現在6、7月份。

（2）橋位附近無實測氣象資料，借用10Km外的氣象站資料加以說明。該氣象站統計的多年資料為，多年平均降雨量為600.3mm，年平均氣溫14.3℃，1月份平均氣溫最低，其值為0.2℃，極端最低氣溫為-18.5℃；7月份平均氣溫最高，其值為27.0℃，極端最高氣溫出現在6月份，達42.0℃。年平均蒸發量為1611mm，無霜期180d左右。

4.1.2設計洪水。橋梁位于水庫下游2Km處，水庫建成時間晚于橋梁，水庫建成后會對橋位設計洪水產生影響，因此需分別分析水庫建成前、后橋位處的設計洪水。

（1）天然設計洪水。橋位斷面下游約7Km處為某水文站，橋梁至某水文站區間面積占整個流域面積比例很小且無支流加入，因此選用該水文站作為本工程所在河段天然設計洪水計算的代表站。該水文站有48年洪水系列，其中1895年按特大值加入計算，重現期為104年，成果通過了水利部規劃設計總院審查。本計算將資料延長8年，相應調整重現期，與原計算成果相比差別不大，考慮到工程設計的安全性，且原設計洪水成果也已通過審查，故本設計洪水成果仍采用原計算成果。

（2）水庫建成后設計洪水。橋梁與水庫間沒有支流加入，水庫建成后可直接將水庫設計下泄流量作為橋位處設計洪水。

4.1.3現狀水位流量關系。橋位斷面的水位流量關系推求采用水力學曼寧公式：

Q= 11 nR2/3I1/2A （1）

4.1.3.1由現場實測資料，橋位處斷面兩岸間距約400m，為復式斷面。在推求水位流量關系時，把斷面劃分為主槽和灘地，依據實測斷面資料及洪水調查點推求水位流量關系。在橋位附近分別調查到了1982年洪水和2007年洪水的洪痕，相應水文站實測洪峰流量分別為4240m3/s和1060m3/s。在確定橋位斷面現狀水位流量關系時，小水部分參考了2007年實測洪水點定線。高水部分以1982年實測最高水位點作為控制，根據實測大水點的上漲趨勢，順勢外延高水部分的水位流量關系。計算中比降采用2.50/00～4.00/00，灘地糙率采用0.07～0.09，主槽糙率采用0.035～0.05。按照上述計算方法，推得橋位斷面水位流量關系成果見表1。

4.1.3.2本計算還分析了水庫設計采用的壩線水位流量關系曲線，對橋位斷面計算成果進行比較。在水庫規劃研究時期，為了滿足水庫前期工作的需要，分析研究了水庫壩下1.3Km處水位流量關系，該斷面位于橋位斷面上游700m左右，具有一定參考價值。該水位流量關系分析計算時采用了歷史實測資料，參考實測資料得出的該斷面水位流量關系曲線比較合理，被水庫所采用。由于水庫壩下1.3Km斷面和橋位斷面相距僅700m，可以相互印證，因此將壩線1.3Km斷面水位流量關系曲線和橋位斷面水位流量關系曲線套匯成圖1。

4.1.3.3由圖1可知，在同流量情況下，推求的橋位斷面水位平均低于水庫壩下1.3Km處水位1.8m左右，比較符合該河段的實際水面比降情況，兩條曲線線形相似，可以認為本推求的斷面水位流量關系是比較合理的。

4.1.4設計洪水位。

（1）依據國家《防洪標準》（GB50201-94）規定，跨河橋設計防洪標準采用50年一遇洪水設計。水庫建成前設計洪峰流量為4790m3/s，水庫建成后為2820m3/s。

（2）根據以上計算的設計洪水成果和水位流量關系曲線，求得橋位斷面處水庫建成前后的設計洪水位分別為175.32m、173.38m。

4.1.5橋位斷面水力因子。

（1）根據水庫建成前后流量與洪水位數值，經分析計算，橋位斷面水力因子計算成果見表2和表3。

跨河橋全橋跨越河道，建橋后河道內的橋墩占據了部分行洪斷面，建橋前后過水面積變化見表4。

4.2壅水分析計算。

4.2.1橋前壅水。

4.2.1.1橋前壅水計算包括橋前最大壅水高度和壅水曲線長度。根據《鐵路工程水文勘測設計規范》[2]推薦計算公式如下。

（1）橋前最大壅水高度計算采用公式：

ΔZM=η（υ-1M2-υ-12） （2）

（2）壅水曲線長度計算采用公式：

Ly = 2ΔZM1I0 （3）

4.2.1.2根據公式分別對水庫建成前后橋前壅水情況進行計算，其壅水值和壅水曲線長度見表5。

4.2.2橋墩沖高。

4.2.2.1建橋后，在橋墩的迎水面，水流會產生沖高現象，其值隨流速的增大而增大。采用《水力學與橋涵水文》[3]中推薦如下公式計算：

Δh墩 =0.2V0 134 （4）

4.2.2.2經計算，水庫建成前后橋位斷面50年一遇洪水時橋墩沖高分別為2.18m和1.85m。

4.2.3波浪高度。波浪高度參照《混凝土重力壩設計規范》（SL319-2005）[4]附錄二中的公式進行計算：

2h=0.0166V 5 1 4D 11 3（5）

經計算，水庫建成前后波浪高度分別為0.47m和0.41m。

4.3沖刷分析計算。

4.3.1一般沖刷計算。

4.3.1.1主河槽一般沖刷。《公路工程水文勘測設計規范》[5]（以下簡稱“公路水文規范”）64-2推薦的簡化公式為：

hp=1.04Ad Q21 QC0.90BC 1 （1-λ）μBcg0.66·hcm（6）

Q2= Qc1Qc+Qt1 QP （7）

“公路水文規范”64-1修正式

hp= Ad Q21μBcj （hcm 1 hcq ）5/31 Ed-11/6 3/5（8）

4.3.1.2灘地一般沖刷。“公路水文規范”推薦使用如下公式

hp= Q1 1 μBtj htm 1 htq 5/3 1 VH1 5/6（9）

Q2=Qc1Qc+Qt1Qp（10）

4.3.1.3一般沖刷深度的選定。按以上各種方法分析計算，水庫建成前后跨河橋一般沖刷計算結果見表6。

為安全考慮，水庫建庫前主槽一般沖刷水深取17.54m，水庫建庫后主槽一般沖刷水深取14.80m。

4.3.2局部沖刷計算。

4.3.2.1局部沖刷計算。

（1）采用“公路水文規范”65-2推薦的公式進行計算。

當V V0 ，hb=KξKη2 B10.6hp0.15V-V0'1V0；（11）

當 V> V0 ， hb=KξKη2 B10.6hp0.15V-V0'1V0n2；（12）

計算得水庫建成前主槽、左灘和右灘的局部沖刷深度分別為3.20m、1.44m和1.37m；水庫建成后主槽、左灘和右灘的局部沖刷深度分別為2.95m、0.71m和0.78m。

（2）“公路水文規范”65-1修正式

當 V V0 ，hb=KξKη1 B10.6（V-V0'）； （13）

當 V> V0 ， hb=KξKη1 B10.6（V-V0'） V-V0'1V0-V0'n1 ；（14）

計算得水庫建成前主槽、左灘和右灘的局部沖刷深度分別為2.17m、1.06m和1.11m；水庫建成后主槽、左灘和右灘的局部沖刷深度分別為1.81m、0.53m和0.59m。

4.3.2局部沖刷深度的選定。以上局部沖刷計算結果匯總見表7。由于兩公式計算結果比較接近，可認為本計算結果比較合理，因此采用表中兩公式計算局部沖刷深度的較大值作為局部沖刷深度。

4.3.3水庫建成后下游河床的沖刷計算。

4.3.3.1水庫修建后，由于水庫下泄清水而導致壩下游河道發生沖刷，參考鐵路工程設計技術手冊《橋渡水文》[6]中水壩下游河床沖刷計算情況進行計算分析。

4.3.3.2一般情況下，當河床在一定深度內有巖層、卵石層的情況下，河床淤積物中有65%以上的顆粒是沖不動時，則該河床為沖不動層的河床。在具有沖不動層的河床上，由于水庫下泄清水而導致的河道沖刷深度幾乎為0。因此，首先計算壩下游河床中不沖顆粒的下限粒徑（即抗沖粒徑），采用公式：

d0 = v15.45h-10.142.78（15）

4.3.3.3水庫下泄設計流量為2820m3/s時，河槽平均水深 h-1=6.59m，相應平均流速 v=3.15m/s，代入上式求得抗沖粒徑 d0=0.10m。

4.3.3.4根據地勘資料，河床表層為含細砂的蠻石層，厚度1～6m。頂部分布有較多的特大蠻石，一般直徑1～3m，局部夾有粉砂和砂壤土薄層。查床沙級配曲線圖可知，床沙表層大于粒徑0.10m的沙重百分數為75.5%，該值大于65%，因此該河段有沖不動層的河床。所以水庫建成后壩下河床基本上不會因為水庫下泄清水而發生沖刷下切。但由于橋梁距離水庫泄洪洞較近，其沖坑影響范圍距橋梁僅170m，為安全起見，考慮水庫修建后橋位斷面沖刷下切1m。

4.3.4總沖刷計算結果。

4.3.4.1一般沖刷深度加局部沖刷深度，水庫建成后還要考慮水庫修建下泄清水對河道沖刷的影響，可求得橋位總沖刷深度，設計水位減去總沖刷深度，即得最低沖刷線高程。跨河橋主槽和灘地的總沖刷水深和最低沖刷線高程成果見表8至表10。

4.3.4.2如前所述，由于水庫建成后沖坑的影響范圍距離橋梁較近，橋位斷面主槽位置將可能在全斷面范圍內發生變化，因此在橋梁設計時全斷面的沖刷深度都應按照主河槽的最低沖刷線來確定，以確保橋梁安全。

5. 防洪綜合評價

5.1與現有水利規劃的關系與影響分析。

（1）水庫在橋梁上游約2Km處，橋梁建設對水庫沒有影響。橋梁距離泄洪洞出口約700m，水庫建成后，泄洪洞下游將會形成一定范圍的沖坑，根據水力學計算和實體模型試驗有關研究成果，水庫建成后，沖坑的影響范圍距離橋梁約170m，橋梁在泄洪洞沖坑以外。

（2）當水庫沖坑沖刷出來的淤積物運動到沖坑邊緣后，水流流速降低，挾沙能力下降，部分粒徑較大的淤積物將有可能堆積到橋位斷面上游，導致水位抬高。水庫建成后，橋位斷面50年一遇洪水洪峰流量將由4790m3/s削減到2820m3/s，相應洪水位由175.32m降低到173.38m，橋梁凈空值將增加約2m，但由于沖坑內沖刷出來的淤積物及沖坑的發展有一定的不確定性，橋位斷面水位壅高使得橋下凈空有可能不滿足有關要求。

5.2與現有防洪標準、有關技術要求和管理要求的適應性分析。

（1）依據國家《防洪標準》規定，橋梁防洪標準為50年一遇洪水。現狀條件下，橋位斷面設計洪水洪峰流量為4790m3/s，水庫建成后為2820m3/s，橋梁設計分別考慮了水庫建成前后的設計洪水成果，滿足《防洪標準》要求。

（2）橋位河段無通航要求，橋梁梁底高程應滿足設計洪水位、橋前最大壅水高度、波浪高度、橋墩沖高和橋下凈空等要求。設計洪水條件下，其設計洪水位為175.32m，橋前最大壅水高度為0.43m，橋墩沖高和波浪高度取其大者為2.18m，洪水期漂浮物高度取0.5m，橋下凈空取0.5m，則橋梁梁底高程應不低于178.93m。橋梁設計梁底高程為179.187m，滿足有關技術和管理要求。

5.3對行洪安全的影響分析。

（1）河道管理范圍定義為“在無堤防的河道，其管理范圍根據歷史最高洪水位或者設計洪水位確定” [7]。另根據“干流1982年洪水為有記錄的歷史最高洪水位……，該洪水邊界線以下范圍為河道管理范圍。”

（2）橋位斷面1982年洪水位為174.97m（相應水文站洪峰流量為4240m3/s），50年一遇設計洪水位為175.32m，橋梁右岸填方部分位于歷史最高洪水位和設計洪水位以上，橋梁全橋跨越，未侵占河道。橋梁修建后橋墩阻水面積約占過洪斷面的12%，50年一遇洪水時，水庫建成前后橋位斷面壅水高度分別為0.43m和0.30m，橋梁兩岸為山體，無堤防和防洪設施，對河道行洪無影響。

5.4對河勢穩定的影響分析。

（1）橋梁建設后，由于橋墩的存在，改變了周圍的水流結構，從而對局部流勢造成影響。考慮到水庫修建后，由于泄洪可能導致橋位河段河勢有很大的不確定性，橋梁設計采用了直徑為1.6m的圓柱形橋墩，對河勢的影響較小。

（2）從橋梁以下到下游水文站約7Km的河段內，兩岸為山體，無防洪要求，無堤防和控導工程，該河段有5個連續的自然山灣作為控制節點，即便橋位斷面流勢發生變化，經過下游山灣的導流作用后，河勢仍能夠得以調整恢復，不會對下游河段的河勢造成影響。

5.5對現有防洪工程及河道整治工程影響分析。橋位河段無防洪工程和河道整治工程，對防洪工程和河道整治工程無影響。

5.6對第三人合法水事權益的影響分析。

（1）橋梁上游約1.6Km處為暗渠引水電站，橋梁設計水位下壅水曲線長度僅為306m，對該電站無影響。

（2）橋梁下游約700m處為引水二級電站。引水暗渠從橋梁下面第一孔跨內通過，距離1#橋墩約4.4m，橋梁施工過程中有可能對該引水暗渠產生影響。橋梁建成后，若橋梁第一孔跨過流，由于1#橋墩的擾流作用，有可能會對引水暗渠產生影響。

參考文獻

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[2]方根男，孫學祥等.TB10017-99鐵路工程水文勘測設計規范[S].北京：中國鐵路出版社，1999.

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[4]徐麟祥，王小毛等.SL319-2005混凝土重力壩設計規范[S].北京：水利水電出版社，2005.

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[6]鐵道部第三勘測設計院.橋渡水文[M].北京：中國鐵道出版社，1993.

[7]中華人民共和國國務院.中華人民共和國河道管理條例[Z]. 1991-07-02.

[文章編號]1619-2737（2017）06-20-505

[作者簡介] 劉耀宗（1972-），男，漢族，河南省光山縣人，高級工程師，河南省前坪水庫溢洪道工程項目經理，研究方向：長期從事水利水電工程施工與技術工作。