跨河橋梁對河道防洪影響綜合分析評價

喬連朋，鄭翔龍，張德喜

(1.河南水利與環境職業學院，鄭州 450000； 2.湖庫水生態環境保護與修復河南省工程實驗室，鄭州 450000； 3.中山翠亨新區管理委員會，廣東 中山 528400)

在涉河建設項目中，如果在設計階段沒有充分分析論證項目實施對河道的影響，將會在施工期與運行期對河道的安全運行產生不良影響，甚至引起一些災害的發生[1-3]。為了保證建設項目的實施不影響河道行洪與管理，按照國家有關法律法規的規定，應對河道管理范圍內的建設項目進行防洪影響評價[4-5]，并給出結論和建議，以指導建設項目的下一步設計工作。基于此，本文以實際涉河建設項目為例，分析論述了公路橋梁工程跨越河道對其防洪影響。

1 基本概況

擬建大橋軸線方向與河道主流線方向交角約75°，橋墩順水流布置，采用100年一遇設計防洪標準。擬建橋梁全長276 m，全橋共9跨2聯：4×30 m+5×30 m；上部結構采用預應力混凝土(后張)小箱梁，先簡支后連續；下部結構為柱式墩，墩臺采用樁基礎。橋梁底板最低高程為66.068 m。擬建大橋0#和9#橋墩布置在河道兩岸堤防斷面內，1#橋墩布置在河道左側灘地上，6#-8#橋墩布置在河道右側灘地上，2#-5#橋墩布置在河槽內。橋墩采用柱式墩，墩臺采用鉆孔灌注樁基礎，每排3根圓柱樁，樁間距為4.5～5.5 m，圓柱樁直徑為1.6 m。

擬建大橋工程附近河段，除澇為5年一遇，防洪標準為20年一遇。擬建橋址交叉斷面附近河段左右兩岸均存在堤防，現狀左岸堤頂高程為67.40 m，右岸堤頂高程約67.32 m，兩岸堤頂寬均為3～4 m。河道汛期洪水較大，汛期漫灘行洪。擬建大橋工程施工期選在枯水季節，并力爭在一年中可連續施工的季節將其完成。跨河橋梁施工方法采用墩臺圍堰法，梁部架橋機架設；橋梁墩臺施工方法采用現澆施工；基礎采用鉆孔樁，現場灌注施工；簡支箱梁采用工廠預制，架橋機架設施工。工程完成后，圍堰拆除，恢復河道原斷面。

2 防洪評價計算

2.1 水文分析計算

擬建大橋橋址上游約79 km處建有一座中型水庫，擬建大橋橋址斷面設計洪水是水庫下泄流量和水庫-擬建橋址斷面區間相應洪水的疊加。水庫相關水文設計成果見表1、表2、表3。

表1 水庫設計洪水成果

表2 水庫水位-庫容、泄量關系

表3 不同頻率洪水條件下水庫進出庫流量

水庫-擬建大橋橋址斷面區間集水面積為432.5 km2。水庫以下區間為平原河道，設計洪水采用平原排澇公式計算，采用間接法，由設計暴雨通過產流、匯流進行設計洪水計算，得到各頻率設計洪水。通過分析計算，水庫至擬建大橋橋址斷面區間不同頻率洪水成果見表4。

表4 水庫至擬建大橋橋址斷面區間洪水計算成果

擬建橋址斷面處不同頻率設計洪水成果應考慮水庫調蓄后下泄洪水與水庫至大橋橋址斷面區間洪水演進的綜合影響。河道洪水演進計算采用馬斯京根法，經計算，擬建大橋橋址斷面不同頻率洪水成果見表5。

表5 擬建大橋橋址斷面設計洪峰流量成果表

擬建大橋橋址斷面施工期采用5年一遇洪水設計流量，即為12 m3/s。根據施工期洪峰流量成果、河道特性和資料情況，采用明渠均勻流法求得相應的施工期洪水位為60.86 m。

2.2 壅水分析計算

本文壅水計算采用《鐵路工程水文勘測設計規范(TB10017-1999)》推薦的公式[6]，公式如下：

1) 橋前最大壅水高度公式。公式如下：

式中：ΔZm為最大壅水高度，m；η為系數；v為斷面平均流速，為設計流量被全河過水斷面(包括邊灘和河灘)除得之商，m/s；vM為橋下平均流速，m/s。

2) 壅長計算公式。公式如下：

式中：Ly為壅水曲線全長，m；I0為橋址河段天然水面坡度。

3) 橋下凈空高度公式。公式如下：

H梁=H設+Δh

式中：H梁為梁底高程，m；H設為橋下設計洪水位，m；Δh為根據河流具體情況，分別考慮橋下壅水、浪高、局部股流涌高、河床淤積等影響確定。

根據擬建大橋橋梁的阻水情況，橋址斷面η值取為 0.07。經計算，擬建大橋橋址斷面壅水計算成果見表6。

表6 擬建大橋交叉斷面壅水成果表

注：20年一遇及以上頻率洪水屬于超標準洪水，洪水已漫堤行洪，洪水漫堤后河道水位迅速下降，洪水位最高與河道堤頂高程齊平，因此20年一遇及以上頻率洪水水位取為右側堤頂高程67.32 m。

根據大橋橋跨布置情況及水力計算結果，橋梁底板設計高程偏低，設計單位須抬高橋梁底板高程，使橋梁底板高程高于河道規劃治理后堤頂高程。河道規劃治理堤頂高程為防洪標準設計水位加超高1.5 m。抬高橋梁底板高程后，不同頻率洪水條件下擬建大橋橋址斷面壅水計算成果見表7。

表7 擬建大橋交叉斷面壅水成果表(抬高橋梁底板高程后)

2.3 沖刷分析計算

根據橋址斷面河道土質情況，本文采用《鐵路工程水文勘測設計規范》(TB10017-1999)中推薦的黏性土計算公式，進行沖刷深度計算。

2.3.1 一般沖刷計算

1) 河槽部分。公式如下：

2) 河灘部分。公式如下：

式中：A為單寬流量集中系數,A=1.0～1.2；IL為沖刷范圍內黏性土樣的液性系數，IL=0.16～1.19；其余符號意義同前。

2.3.2 局部沖刷計算

公式如下：

式中：IL為沖刷范圍內黏性土樣的液性系數，IL=0.16～1.48；其余符號意義同前。

經計算，擬建大橋與河道交叉斷面處沖刷深度見表8。擬建橋址斷面100年一遇洪水條件下總沖刷深度河槽與灘地分別為1.266和0.475 m。

表8 擬建橋址斷面不同頻率下沖刷計算成果

3 防洪影響綜合分析評價

3.1 建設項目對河道泄洪影響分析

擬建橋梁低于河道現有防洪標準，橋墩與箱梁部分將會壅高水位，設計洪水下壅高水位為0.088 m，壅長為1 390.4 m，對河道行洪影響明顯，設計單位須抬高橋梁底板高程，抬高后最低點高程不低于68.82 m(充分考慮了該河道后期治理堤頂抬高要求)。抬高橋梁底板高程后，設計洪水條件下，水位最大壅高0.010 m，壅長為159 m，對河道行洪影響較小。

根據施工洪水計算，河道非汛期5年一遇洪峰流量為12 m3/s，非汛期洪峰流量遠小于除澇流量，洪水不出槽，主槽內橋墩采用鋼板樁圍堰施工，施工期影響過流面積很小；灘地上的橋墩采用草袋圍堰施工，因此施工期基本不影響河道泄洪。

3.2 擬建大橋工程對河勢穩定的影響分析

大橋在非汛期施工，主槽及灘地橋墩施工對河勢影響較小。

擬建大橋對河道流速改變僅在橋位附近，其影響只在工程附近區域，整體流場變化較小。工程建成后，主橋墩之間的水流流速有所增加，水流挾沙能力相應增大，對河床造成一定沖刷；邊孔的水流流速減小，水流挾沙能力下降，邊孔河床產生一定的淤積，但其沖淤變幅不大，因此建橋工程對河道河勢穩定有一定影響。另外，橋梁建成后，由于一般沖刷和局部沖刷的作用，對左右側灘地及岸坡將造成一定程度沖刷，對橋址附近岸坡的穩定會產生一定的不利影響。

3.3 擬建大橋工程對防護工程的影響分析

擬建工程橋面排水孔布置應充分考慮排水對堤防的影響，避免橋面排水沖刷、浸泡堤防等，如有影響須重新設計橋面排水設施的布置，確保橋面排水不影響堤防安全。工程建成后，橋位上游附近流速減小，流向基本沒有變化，對堤防沖刷影響較小。在橋位下游附近，近岸流速有所增大，在河岸地質情況薄弱的地段，應加強河道護岸。橋梁施工過程中，盡量避免對河岸的影響，如有影響應注意河堤堤腳的保護，確保河堤河岸線的穩定，將行洪影響降低到最小程度。擬建大橋0#和9#橋墩布置在河道兩岸堤防斷面內，橋梁設計對河道規劃治理工程的實施、兩岸堤防滲透與穩定等將產生較大影響。

3.4 擬建大橋工程對防汛搶險的影響分析

擬建大橋須結合河道規劃治理要求按照堤防設計規范，在橋址斷面河道兩岸的上下游背水側修建繞行輔道，用于連接橋位處上下游堤頂防汛道路，從而滿足河道防汛搶險與維修等需要。擬建工程及其附屬設施的布置不能夠影響防汛搶險與維修通道，其布置與防汛搶險、維修交通的設置及相互配合需與水利主管部門協調解決。

河道堤岸的安危關系到沿岸人民的生命財產，防汛仍是一項十分重要的任務。因此，防汛期間，首先要組織好人員對河道水情和堤防狀況進行實時觀測，對沿岸居民安全和財產有威脅的洪水，要及時通過電臺、電視臺、長鳴警報等現代通訊手段告知相關人員采取防范措施。其次，要充分做好搶險組織，要對防洪工程險情做好搶險的各種人、財、物的準備，要實行崗位責任制，分段落實搶險任務。對被破壞的堤防和泄洪設施進行及時維修和加固。此外，本次工程施工期間由于施工物料及土石方隨意堆放易將阻礙防洪通道(路面、河道)，為此還應做好防洪避險措施。

4 結論與建議

4.1 結 論

1) 擬建大橋與河流成75°角布置，橋址處河道比較順直。大橋建成后，河道兩岸順岸流速有所增大，將引起一定的沖刷，故對河道演變規律、發展趨勢及河勢穩定性有一定影響。

2) 根據擬建大橋原設計方案，計算得知形成水位壅高較大，壅長較長，影響河道行洪，橋梁底板高程設置偏低。

3) 大橋0#和9#橋墩布置在河道兩岸堤防斷面內，橋梁設計對河道規劃治理工程的實施、兩岸堤防滲透與穩定產生較大的影響。擬建橋梁橋面排水孔布置尚不明確，橋面排水對堤防沖刷、浸泡等影響尚不能定論。

4) 擬建大橋橋墩施工安排在非汛期完成，對河道行洪影響較小。

5) 擬建工程及其附屬設施的布置應充分考慮對防汛搶險與維修通道等的影響。目前，設計方案中尚未設置在橋址斷面河道兩岸的上下游背水側繞行輔道。

6) 擬建大橋底板抬高后，引起上游水位壅高的影響程度及范圍較小，對其它水利設施的影響不大。

4.2 建 議

根據上述分析計算，并結合工程實際情況提出如下建議：

1) 橋梁設計底板高程偏低，須抬高橋梁底板高程，使之最低點高程不低于68.82 m。

2) 跨河橋梁工程施工前，建設單位應首先征得當地河道主管部門的同意，并把施工方案提交河道主管部門審批。在施工方案中，應增加防洪及河道管理方面的有關內容，項目設計單位需對擬建大橋的防汛搶險通道進行相關設計。

3) 對于橋位河段兩岸堤防以及防洪排澇設施存在的隱患及時監控、消除和維護；設計階段進一步完善橋梁排水措施，建議采用分散排水方式。

4) 在工程建設時，必須嚴格監控施工廢渣的棄卸，禁止非法傾倒于河道附近，以免增大行洪影響而危及兩岸岸坡穩定和堤防安全。

5) 施工場地布置如生活區、施工區、料場、施工臨時道路等應充分考慮對防洪搶險造成影響；汛期不在河道內堆放阻水設施；施工中禁止將工程棄渣排入河道；工程施工結束后盡快恢復河道原貌。

6) 擬建大橋0#橋墩與9#橋墩對河道規劃治理工程的實施、兩岸堤防滲透與穩定等產生影響較大，因此建議調整相應橋墩位置；如橋墩位置無法調整，為避免橋墩施工產生滲流通道，防止發生滲水、管涌等險情，須在施工時進行防滲處理。建議采取土工合成材料進行防滲處理，即在上述橋墩上下游各50 m范圍內臨河側堤坡(10 m)與灘地(10 m)鋪設防滲土工合成材料；同時應在工程施工及運行期加強觀測，落實險情搶護措施。

7) 由于建橋后對天然水流的擠壓，引起水流對岸坡的沖刷，將在一定程度上影響到橋位上下游岸坡的穩定和安全。因此，對橋位上下游兩岸岸坡采取襯砌等防洪補救措施，確保河道的行洪能力，襯砌范圍為橋位上游50 m，橋位下游150 m，具體措施應進行專項設計。