重慶某橋涉河工程防洪關鍵技術研究

胡曉光

（重慶交通大學 河海學院， 重慶 400074）

0 引言

2020年南部的大雨導致河流和湖泊水位上升，許多地方洪水泛濫和嚴重洪災。由于最近的大雨，許多橋梁的水位急劇上升，但是此時，橋梁的承載能力增加了，以防止洪水沖刷掉橋梁。橋梁的負擔加重，大雨過后由于河流的沖擊而造成的橋梁損壞不容忽視。國內學者開展防洪研究很多，何書琴等[1]對穿橋地鐵隧道進行防洪分析研究，為隧道防洪提供借鑒；張娜等[2]采用二維模型,研究涉河建筑物游船碼頭施工完成后,對河道泄洪、防汛搶險等影響，并提出相應的措施；劉娟等[3]考慮河道地形、河長等條件,沖刷計算采用平均低潮位，對壅水和沖刷計算采用現水位；蔣友祥等[4]研究橋梁建設對防洪的影響,建立二維模型對橋梁建設前后水流條件特性進行了模擬計算。

1 工程概況

道路全長369.443m，橋梁工程主橋橋長215m、寬20m、車行道寬15m，雙向四車道，引橋橋長127.8m、寬12m，該橋梁所在公路等級定為三級,橋梁設計安全等級為二級。主橋橋梁設計全長222.500m(主橋長215.00m，右岸橋墩 7.5m)，雙向縱坡，坡度分別為 3%和 1%。橋梁為一聯，主梁為預應力混凝土連續箱梁，跨徑布置為；40m+3×45m+40m，橋寬為 20m。引橋橋梁全長127.800m，雙向縱坡，坡度為5.31%。橋梁分三聯設置，各聯之間分別采用牛腿連接，第一聯與第三聯為預應力混凝土箱梁，跨徑分別布置為；2×25m和2×20m，橋寬為11m。第二聯為普通鋼筋混凝土異形箱梁，跨徑布置為2×18m。

2 水文分析計算

2.1 暴雨洪水特性

工程所處流域為降水補給河流，洪水主要由暴雨形成，暴雨集中在 5～10月。年最大洪峰流量出現在汛期5～10月，多集中于6、7兩月，尤以6月中、下旬發生的機會最多。由于暴雨急驟，山區性河流坡降大，匯流迅速，洪水漲落快，峰型尖瘦，洪量集中。下游一次洪水過程約 20d，其中大部分水量集中在7d內，7d洪量占15d洪量的65%以上，3d洪量占7d洪量的60%，而一天洪量占3d洪量的40%，大水年份則更為集中。

2.2 設計洪水

工程下游據河口僅400m，故擬建橋位處設計洪水直接采用河口處設計洪水成果。成果見表2-1。

表2-1 河口處設計洪峰流量成果表

3 壅水分析計算

根據《公路工程水文勘測設計規范》（JTG C30-2002）[5]中的壅水計算公式計算橋前最大壅水高度，計算公式及參數如下：

式中： Δh——橋前最大壅水高度，m；

η——系數，與水流進入橋孔的阻力有關，查表得；

——橋下平均流速，m/s；

——天然斷面平均流速，m/s；

根據建橋前后水流要素，計算得阻斷流量與總流量的比值均小于10，根據規范查表得η=0.05，由此計算得橋前最大壅水高度見表4-14。

表3-1 經驗公式法計算橋墩最大壅水高度成果表

橋梁最大壅水長度按照以下公式進行計算：

式中： I——橋位以上水面比降；

Δh——橋前最大壅水高度，m；

L——橋梁最大壅水長度，m；

計算成果見表3-2。

表3-2 經驗公式法計算橋墩最大壅水長度成果表

由表3-1、表3-8可以看出，采用經驗公式法計算的橋前最大壅水高度、最大壅水長度計算結果可以看出：遭遇 50年一遇洪水時，橋前最大壅水高度為0.007m，最大壅水長度為218m；遭遇25年一遇洪水時，橋前最大壅水高度為0.006m，最大壅水長度為186m；遭遇20年一遇洪水時，橋前最大壅水高度為0.005m，最大壅水長度為183m；遭遇10年一遇洪水時，橋前最大壅水高度為0.005m，最大壅水長度為155m。

4 沖刷分析計算

4.1 河床自然演變沖刷

河床自然演變導致的沖刷，是由于河道中水沙運動，造成河道床面形態的改變，同時床面形態改變又會影響水沙運動，兩者相互依存、相輔相成。這種河道的自然演變無論在建橋前或建橋后，都在不斷地進行著，橋梁設計時必須考慮橋梁使用期間可能發生的河床變形。根據現場查勘和調查的結果分析，工程所在河段多年來基本沒有變化，因此，河床自然演變沖刷深度取為0m。

4.2 一般沖刷深度計算

在河流上建橋后，由于橋梁橋墩束窄水流，致使橋下流速增大，水流挾沙能力增強，在橋下產生沖刷。隨著沖刷的發展，橋下河床加深，過水面積加大，流速逐漸下降，待達到新的沖淤平衡狀態或橋下流速降低到河床質允許（不沖刷）流速時，沖刷即行停止。這種由于建橋后壓縮水流而在橋下河床全斷面內發生的沖刷稱為一般沖刷。一般沖刷深度hp系指橋下河床在一般沖刷完成后從設計水位算起的最大垂線水深。

由于橋墩位于河槽，故采用河槽部分一般沖刷深度hp計算公式[5]：

式中：hp——橋下河槽一般沖刷后的最大水深（m）；

Bcj——橋下河槽部分橋孔過水凈寬（m），當橋下河槽能擴寬至全橋時，即為全橋橋孔過水凈寬；

hcm——橋下沖刷前河槽部分最大水深（m）；

hcq——橋下沖刷前河槽平均水深（m）；

——河槽泥沙平均粒徑（mm）；

E——與汛期含沙量有關的系數；

Q2——橋下河槽部分通過的設計流量(m3/s)；

μ——橋下水流側向壓縮系數；

Ad——單寬流量集中系數，

Bz、Hz——平灘水位時河槽寬度和河槽平均水深，變遷、游蕩、寬灘河當Ad＞1.8時，Ad值采用1.8。

根據上式計算得到建橋后橋位河槽一般沖刷的普遍沖深為0.14m。

4.3 局部沖刷深度計算

流向橋墩的水流受到橋墩阻擋，橋墩周圍的水流結構發生急劇變化，水流的繞流使流線嚴重彎曲，床面附近形成螺旋水流，劇烈淘刷橋墩周圍泥沙特別是迎水面的河床泥沙而形成沖刷墩的現象，稱為局部沖刷。局部沖刷墩外緣與墩底的最大高差用最大局部沖刷深度hb表示。影響局部沖刷的主要因素有流速、墩形、墩寬、水深和床沙粒徑等。河槽部分局部沖刷深度hb計算采用《公路工程水文勘測設計規范》[5]：

橋墩局部沖刷按上述公式進行計算，得到建橋后橋墩最大局部沖刷深度為2.10m。

4.4 沖刷計算結果分析

綜合橋址斷面一般沖刷和橋墩局部沖刷計算結果可知，由于橋位斷面河床組成基本為基巖，僅有0～3.5m厚的沙卵石層，由建橋引起的沖刷是較小的，且大橋主墩的鉆孔灌注群樁基礎深入地面線以下15m，橋墩引起的局部沖刷不會影響大橋的安全。

5 結論

通過以上分析計算，得出下列結論：

（1）根據工程建設布置情況，本工程防洪評價通過對水文資料的分析計算，就河道行洪能力進行了分析。

（2）通過工程實施前、后工程河段水流條件變化計算分析可知，遭遇各種頻率洪水條件下，修建后引起過水面積最大束窄率為 4.79%；水位變化均在0.01m以內；流速變化均在0.1m/s以內，故本次大橋工程的修建占據河道過水面積較小，引起的局部水位壅高和影響范圍都很小。

（3）由于橋位斷面河床組成基本為基巖，僅有0～3.5m厚的沙卵石層，由建橋引起的沖刷是較小的。

綜上所述，工程建設方案滿足河道安全行洪與河勢穩定的要求，因此，工程建設是合理可行的。