北洺河大橋橋墩布設(shè)對河道防洪安全的影響

路 明,姜 鋒

(河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院， 邯鄲 056001)

隨著中國經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，公路建設(shè)速度也在不斷加快，公路與河流交叉現(xiàn)象廣泛存在。在眾多實(shí)際工程中，橋梁與河道正交及直線斜交較為常見，很多學(xué)者對正交及直線斜交橋梁開展了深入全面的數(shù)值模擬及物理試驗(yàn)研究。王開等[1]結(jié)合水工模型試驗(yàn)資料對橋墩壅水計(jì)算方法進(jìn)行了比較，得出D’Aubuisson公式、Yarnell公式、Henderson公式、無坎寬頂堰公式的適用條件。張大茹等[2]利用MIKE21HD建立數(shù)值模型，開展了不同等級橋梁對山區(qū)河流防洪安全影響的研究。嚴(yán)建科等[3]通過定床水槽試驗(yàn)對橋墩軸向與水流不同夾角時(shí)流速分布特性研究，得出多排橋墩相互影響，下游橋墩水流結(jié)構(gòu)受鄰近、剪切和尾流三類機(jī)制干擾的結(jié)論。趙蘇磊等[4]、陳雄波等[5]通過數(shù)值模型的方法對多組橋梁和橋群進(jìn)行動力學(xué)分析，結(jié)果表明多組橋墩壓縮過流斷面，流速加大，水面橫比降明顯增大。在河床沖刷方面。趙嘉恒等[6]對復(fù)雜邊界條件下斜交橋通過物理模型進(jìn)行研究，利用折減系數(shù)對一般局部沖深對應(yīng)水深進(jìn)行擬合，得到了只有表面流速和水深情況下彎道斜交橋一般沖刷深度公式。田勇等[7]利用物理模型研究斜交橋局部沖刷坑形態(tài)，當(dāng)單寬流量為10 m2/s，斜交角度為15°以上時(shí)橋墩出現(xiàn)共軛沖刷坑，而且水流強(qiáng)度較大時(shí)規(guī)范計(jì)算公式小于試驗(yàn)值。武永新等[8]、談廣鳴等[9]分別通過數(shù)值模型和物理模型對斜交橋斜交角度對水流偏轉(zhuǎn)作用、過流能力和橋墩布置對下游河床沖刷演變的影響進(jìn)行了研究。李彬等[10]通過MIKE21軟件，研究了橋墩布置形式對橋墩局部流場的影響，結(jié)果表明圓柱橋墩非順?biāo)鞑贾脮r(shí)對橋墩周圍局部水流流態(tài)影響較大，橋墩應(yīng)盡可能順?biāo)鞑贾谩ｍn露等[11]對明渠單圓柱阻流特性規(guī)律進(jìn)行水工模型研究，確立了橋墩影響范圍。王玲玲等[12]對平原河道橋墩阻水比與壅水特性進(jìn)行了研究，建議大中型橋梁阻水比不大于7%為宜。許棟等[13]對河道斜交橋壅水特性開展研究，總結(jié)了其壅水規(guī)律，同時(shí)指出，斜交橋?qū)λ鞯钠珜?dǎo)作用造成了兩岸流速分布不均勻。肖洋等[14]運(yùn)用超聲波地形儀對橋墩沖刷動態(tài)過程進(jìn)行了觀測，總結(jié)了橋墩局部沖坑發(fā)展過程。

由于曲線橋梁斜穿彎道河流在實(shí)際中較為少見，因此前人研究大多集中在橋梁直線布設(shè)條件下與河流正交、斜交方面。擬建北洺河大橋與彎道河流曲線斜交，一方面，所在北洺河河段為大角度彎道，在重力及受離心慣性力的雙重作用下作用，產(chǎn)生螺旋流并形成橫向水面超高[15]；另一方面，受地形條件限制，交叉段橋梁中心線為弧線，橋墩與河流最大交會角達(dá)21°。弧形布置橋梁、扇形布設(shè)橋墩及大角度彎道河流，使得水流條件更為復(fù)雜，工程建設(shè)對該河段防洪工程安全造成重要不利影響。為此，以該工程為研究對象，建立正態(tài)河工物理模型，開展試驗(yàn)研究，驗(yàn)證該橋梁現(xiàn)狀布設(shè)對該彎道河段防洪安全及水流形態(tài)的影響，提出優(yōu)化方案，以期為工程實(shí)際提供指導(dǎo)。

1 工程概況

北洺河發(fā)源于太行山，全長59 km，流域面積516 km2。流域內(nèi)多年平均降水量為591.1 mm，降雨量年際變化較大，最枯年份降水量僅為289.1 mm (1986年)，最大豐水年(1963年)降雨量為1 472 mm。年內(nèi)分布極不均勻，年內(nèi)降雨主要集中于6—9月，約占全年降水量的74.3%。

擬建北洺河大橋位于北洺河武安市北，北接邢峰公路，南接S312省道。大橋全長367 m，跨徑3×40 m+3×40 m+3×40 m。1號橋墩組到7號橋墩組呈扇形狀位于河道內(nèi)，每組由四個(gè)圓柱橋墩組成，單根橋墩直徑1.8 m，橋梁整體呈弧線布置。橋面全寬26 m，設(shè)計(jì)時(shí)速80 km/h，橋面縱坡-0.50%，為一級公路。原設(shè)計(jì)方案1號～7號橋墩組與水流交角如表1所示。

表1 橋墩與水流夾角Table 1 Clockwise angle between each group of piers and flow direction

擬建橋梁段左岸為武安市重點(diǎn)采礦區(qū)，右岸為多家大型企業(yè)。兩岸護(hù)坡為漿砌石或混凝土形式，護(hù)腳基礎(chǔ)埋深為2 m，河道內(nèi)受人工整治后河床較為平整。該段北洺河河道防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，北洺河大橋設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇。50 a一遇洪峰流量為1 834 m3/s，100 a一遇洪峰流量為2 327 m3/s。

2 模型試驗(yàn)

2.1 模型比尺

根據(jù)《河工(常規(guī))模型試驗(yàn)規(guī)程》(SL99—2012)，模型滿足重力相似準(zhǔn)則條件下的幾何相似，水流運(yùn)動相似和動力相似。

長度比尺：

Lr=Lp/Lm

(1)

時(shí)間比尺：

Tr=Tp/Tm

(2)

流量比尺：

(3)

流速比尺：

(4)

糙率比尺：

(5)

水流含沙量及水流挾沙力比尺：

Sr=S*r

(6)

式中：L為特征長度；r、p、m分別為比尺、原型、模型標(biāo)識的相關(guān)物理量；T為時(shí)間，h；Q為流量，m3/s；V為流速，m/s；n為糙率；Sr為水流含沙量比尺；S*r為水流挾沙力比尺。

綜合試驗(yàn)場地、水流條件以及上述比尺關(guān)系，擬定主要比尺如表2所示。

表2 模型比尺及主要參數(shù)Table 2 The scales and parameters of test

續(xù)表2

參數(shù)相似條件比尺原型參數(shù)模型參數(shù)時(shí)間Tr=L0.5r17.7572/h9.29/h流量Qr=L2.5r127 885——糙率nr=L1/6r11.980.0350.018中值粒徑dr=Lr16033/mm5/mm

2.2 模型沙選取

模型試驗(yàn)中考慮河床沖刷問題時(shí)，在重力相似準(zhǔn)則下，泥沙起動流速參考竇國仁[16]、張瑞瑾[17]的泥沙起動理論，考慮泥沙內(nèi)部滲透作用對泥沙起動流速影響[18]，以及閆紅杰等[19]的研究成果，并結(jié)合工程實(shí)際對模型沙進(jìn)行選擇和適配。模型動床部分模型沙與原型河道沙的粒徑比尺按式(7)計(jì)算：

(7)

式(7)中：γ為水容重，kN/m3；γm為原型沙容重，kN/m3；γp為模型沙容重，kN/m3；dr為泥沙粒徑比尺。

為了確定原型河道的泥沙粒徑，在原型河道中取樣篩分，篩分結(jié)果如表3所示。動床模型部分模型沙采用天然河沙選配，顆分試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

根據(jù)篩分結(jié)果以及相關(guān)資料確定原型河道的河沙中值粒徑為33 mm，模型沙中值粒徑為0.5 mm。

表3 北洺河河床質(zhì)顆粒級配Table 3 Bed material particle distribution of Beiming river

表4 模型沙顆粒級配Table 4 Particle size distribution of model sand

根據(jù)泥沙起動相似要求，各級粒徑占比上模型與原型河道泥沙粒粒徑比值接近比尺，模型沙選取滿足試驗(yàn)要求。

2.3 模型布置與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)范圍自樁號17+100～18+800 m，其中17+100～18+100 m為定床模型，18+100～18+800 m為動床模型(圖1)。

圖1 模型范圍圖Fig.1 Boundary diagram of physical model

定床部分采用混凝土鐵絲網(wǎng)加糙，動床部分鋪設(shè)模型沙。在17+200、17+500、18+000、18+7 00 m安裝四組測針，用于模型糙率及水位驗(yàn)證。橋墩位置由左岸18+500 m起弧線布置，跨越河流到右岸18+300 m段，模型布置及各橋墩與水流夾角分別如圖2、表1所示。測量數(shù)據(jù)布點(diǎn)：18+200～18+700 m布設(shè)22個(gè)斷面，斷面間距40 cm，同一斷面布設(shè)測點(diǎn)，測點(diǎn)間距10 cm，橋墩附近范圍內(nèi)適當(dāng)加密。

圖2 模型平面布置Fig.2 Layout of model

2.4 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)工況分為三組：①無橋墩；②原方案(表1)；③優(yōu)化方案，即7號橋墩組調(diào)整為與水流方向夾角為9.9°，同時(shí)對右岸18+248～18+464 m河床底部鋪設(shè)賓格石籠防護(hù)，防護(hù)區(qū)寬36 m。根據(jù)水文資料和相關(guān)規(guī)范，對洪水過程、歷時(shí)和含沙量進(jìn)行模擬。

3 結(jié)果與分析

3.1 水位與流量

3.1.1 右岸水位

北洺河大橋所在河段堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇。50 a一遇洪水堤頂超高試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 50 a一遇洪水堤頂超高Fig.3 Levee freeboard of 50-year frequency flood

依據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286—2013)，考慮波浪爬高、風(fēng)浪壅高及安全加高的堤頂超高為0.84 m。由圖3可知，受原方案扇形大角度橋墩布設(shè)的影響，水流向右岸產(chǎn)生折沖，流量越大折沖現(xiàn)象明顯。50 a一遇工況下右岸局部水位最大壅高0.48 m，18+632 m斷面堤頂超高僅0.75 m，防洪不安全。優(yōu)化方案減少了橋墩對水流的折沖作用，右岸堤頂最小超高0.87 m，滿足防洪要求。

3.1.2 橋后典型斷面過流比

橋后典型斷面18+512 m處各工況橋墩之間過流比如圖4所示。建橋前原河道過流比由左岸至右岸依次為1:1:2.7:4.3:7.5，建橋后過流比為1:1.25:4:8.75:10。試驗(yàn)表明，建橋后水流受扇形布置橋墩的導(dǎo)流作用，流量偏向右岸更為集中。偏于右岸的集中水流不僅降低了河道過流能力，而且壅高了堤防處水位，同時(shí)加大了河堤底部河床的沖刷深度，對河道防洪安全極不利。優(yōu)化方案下，過流比為1:0.67:1.47:2.13:1.4，河道過流比較原方案更為有利。

p為洪峰流量出現(xiàn)的累計(jì)頻率圖4 原方案18+512 m斷面不同洪水重現(xiàn)期過流量分布Fig.4 Distribution in different flood reproduction periods at 18+512 m section of the original scheme

3.2 河床沖刷

3.2.1 影響范圍及敏感性

橋墩改變了水流結(jié)構(gòu)影響了河床的原有變化規(guī)律，分析原方案和無橋墩布置兩種工況下河道沖刷深度相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到橋墩對河床的最大影響距離為264 m。

統(tǒng)計(jì)有無橋墩兩種條件下各斷面沖淤變化，并計(jì)算差值的均值與方差，分析橋梁對下游河道不同斷面的影響程度。各斷面均值、方差按式(8)～式(10)計(jì)算。

(8)

Δhij=|(hij-h1ij)-(hij-h0ij)|

(9)

(10)

式中：i為測量斷面；j為測點(diǎn)；n為測點(diǎn)個(gè)數(shù)，n=36；hij為第i斷面第j測點(diǎn)試驗(yàn)前初始高程，m；h0ij為無橋墩布置時(shí)第i斷面第j測點(diǎn)試驗(yàn)后地面高程，m；h1ij為有橋墩布置時(shí)第i斷面第j測點(diǎn)試驗(yàn)后地面高程，m；Ei(Δh)為第i斷面兩種不同條件下沖刷深度差值的均值，m；Si為第i斷面兩種不同條件下沖刷深度差值的方差。

在最大流量Q=2 327 m3/s時(shí)，原方案上游橋墩對下游的影響度分布如圖5所示， 不同洪水重現(xiàn)期橋墩對下游河床影響最值如表5所示。

由圖5、表5可知，橋墩布置對河床變形產(chǎn)生了較大的影響，最大影響斷面為橋墩所處的8斷面，影響程度向下游逐漸減小，至下游264 m處橋墩擾動基本消失。

圖5 最大流量時(shí)橋墩對河床沖淤的影響Fig.5 Influence of bridge pier on scouring and silting of riverbed at max discharge

表5 原方案橋墩對下游河床沖淤影響Table 5 Influence of bridge pier on scouring and silting of downstream riverbed of original design

圖7 50 a一遇洪水沖刷結(jié)果地形Fig.7 Results of topographic 50-year frequency

3.2.2 右岸局部沖刷

橋墩布置對河床平均沖深和最大沖深影響較小，主要是在過境洪水水流挾沙力達(dá)到飽和河床沖刷演變趨于穩(wěn)定，但是橋墩布置改變了下游河床沖刷分布，使局部最大沖深位置偏向右岸并向下游移動。在調(diào)整7號橋墩為順?biāo)鞣较虿⒓訌?qiáng)防護(hù)后，右岸河床平均沖刷深度明顯減少。

原方案與優(yōu)化方案右岸河床局部沖刷深度如表6所示。

表6 右岸河床平均沖深與最大沖深Table 6 Average and Max scouring depth of right riverbed

原方案，右岸局部最大深度在橋墩下游192 m處，50 a一遇和100 a一遇時(shí)最大沖深分別達(dá)到3.48 m和3.54 m，超過右岸河堤基礎(chǔ)埋深，不利于堤防穩(wěn)定。優(yōu)化方案工況下，50 a一遇洪水沖刷深度為1.68 m，小于基礎(chǔ)埋深2.0 m，滿足河段防洪要求。50 a一遇設(shè)計(jì)洪水工況下不同方案典型河段沖刷試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 50 a一遇洪水不同方案下沖刷結(jié)果Fig.6 Scouring results under different project of 50-year frequency flood

3.2.3 河床整體沖淤變化

在多組橋墩對水流擾動的綜合作用下，河床形態(tài)發(fā)生較大變化。試驗(yàn)段河段整治標(biāo)準(zhǔn)50 a一遇河床沖淤變化結(jié)果如圖7所示。

圖7(a)無橋時(shí)，水流對河床凹岸沖刷，凸岸淤積，與彎道河流特點(diǎn)吻合。原設(shè)計(jì)方案中，呈扇形布設(shè)的多組橋墩引起橋梁下游右岸局部沖刷面積擴(kuò)大[圖7(b)]。而在優(yōu)化方案下，7號橋墩與水流方向夾角減小并結(jié)合局部防護(hù)，減緩了右岸河床變形，主河槽大體偏移于河道中間[圖7(c)]。試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化方案調(diào)整主流使之趨于河道中心，河床右側(cè)的賓格石籠對河床起到了很好的保護(hù)作用。

3.3 水流流態(tài)

建橋后，7號橋墩與水流方向夾角最大為21°，受扇形布設(shè)橋墩組合影響，主流更加趨于集中，邊墩與右岸河堤之間水流流速加大，紊動劇烈，下游主河槽偏向右岸，不利于岸坡穩(wěn)定[圖8(a)]。根據(jù)工程實(shí)踐及試驗(yàn)結(jié)果，沿堤平順流更利于工程安全[20]。增設(shè)防護(hù)區(qū)并調(diào)整7號橋墩與水流夾角為9.9°，主河槽調(diào)整至河道中部位置，河流流態(tài)分布均勻，橋墩與邊坡之間過流趨于平順。7號橋墩與岸堤之間水流流態(tài)平緩，折沖作用減弱[圖8(b)]。

圖8 橋墩處流態(tài)Fig.8 Flow pattern at piers

表7 7號橋墩與河堤之間的流速Table 7 Velocity of flow between pier No.7 and levee

從表7試驗(yàn)結(jié)果可知，以50 a一遇設(shè)計(jì)工況為例，優(yōu)化方案相對于原方案7號橋墩與河堤之間的流速減小了36.3%。調(diào)整橋墩與水流方向夾角后有效改善了水流流態(tài)，邊墩與河岸間的流速顯著降低，減少了扇形布設(shè)橋墩對堤岸的折沖作用。

4 結(jié)論

基于大曲率河流彎道布設(shè)弧形橋梁特殊工程實(shí)際，兼顧水利及交通的雙重要求，開展1:60動床物理模型，探索研究可行的工程技術(shù)方案，得到以下結(jié)論。

(1)原方案擬建北洺河大橋受大角度扇形布置橋墩的影響，水流偏向右岸，頂沖形成壅水明顯。流量越大，壅水越高。局部堤防超高不足，不滿足河道防洪安全要求。

(2)相對于建橋前，橋梁與河流交會處及其下游河床沖淤規(guī)律變化明顯，右岸局部沖刷深度顯著增大。原方案最大沖坑3.48 m，影響距離264 m，不利于右岸堤坡穩(wěn)定。

(3)適度調(diào)整7號橋墩與水流方向夾角，同時(shí)在河堤右岸輔助鋪設(shè)賓格石籠。試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化方案不僅改善了水流流態(tài)，提高了河道過流能力，而且有效減小了水流對岸堤底部沖刷深度。