大跨連續剛構行洪與河勢穩定分析

邵 林, 宋松科, 劉 洋

(四川省交通勘察設計研究院有限公司 橋梁分院，四川成都 610017)

1 概述

1.1 工程概述

本工程為G317線友誼隧道至映秀段改建工程跨越岷江紫坪鋪庫區所設映秀岷江大橋。所涉河流為岷江，橋址處位于汶川縣映秀鎮張家坪村。本橋起點樁號為K9+685.50，終點樁號為K9+935.50，全長245 m。橋梁上部結構采用(62+115+62) m連續剛構。橋跨布置為(62+115+62) m預應力混凝土三跨連續剛構；主梁采用單箱單室截面，主墩采用圓柱箱型墩。映秀岷江大橋起止點與岷江兩岸基巖岸坡銜接， 0#、4#橋臺位于兩岸岸坡上，1#、2#橋墩位于主河槽中(圖1)。

圖1 映秀岷江大橋橋型布置

1.2 擬建橋梁防洪標準

本建設項目為橋梁工程，根據JTJ B01-2014《公路工程技術標準》，映秀岷江大橋總長為245 m(屬100 m≤L≤1000 m)，最大單孔跨徑為115 m(屬40 m≤Lk≤150 m)公路等級為二級公路，確定映秀岷江大橋防洪標準為100 a一遇。

圖2 映秀岷江大橋橋位平面

1.3 評價河段范圍

按照《四川省河道管理范圍內建設項目行洪論證與河勢穩定評價報告編制大綱》的要求，本報告評價河段范圍為：橫河距離為評價河段擬建項目100 a一遇洪水位以外兩岸各10 m，順河距離為對上下游河道產生的影響以外各300 m。

1.4 一般要求

工程位于岷江上游，岷江流域水文及雨量站點較多，布設合理。本次工程采用水文比擬法計算設計洪水[1]。利用設計洪水成果，根據實測斷面圖，采用一維數學模型分兩段分析計算出橋梁工程建設前、后洪水水面線，同時進行橋下壅水計算，確定橋梁工程建設后橋梁上游壅水高度和壅水長度，論證評價河段在橋梁工程建設后的泄洪能力，以及對各涉河建筑物行洪安全的影響[2]。

2 壅水分析計算

本次壅水分析采用一維河流數學模型和JTGC 30-2015《公路工程水文勘測設計規范》中經驗公式進行計算10 a、100 a一遇洪水水面線壅水變化，分析計算其計算結果，合理選用該河段壅水分析成果[3]。

2.1 基本方程

天然河道蜿蜒曲折，過水斷面不規則，斷面形狀、粗糙系數及河道底坡沿程都有變化，其水力因素十分復雜。根據天然河道水流沿程變化微分方程式：

(1)

式中：Z為水位；S為流程；V為斷面平均流速；g為重力加速度9.81 m/s2；Q為流量；K為輸水率；K=1/n·R2/3·A，其中：A為過水斷面面積，n為糙率，R為水力半徑；α為動能改正系數；ζ為局部阻力(損失)系數。

把河道分成若干計算流段，同時把微分方程改寫成差分方程，即認為有限長的計算河段內，一切可變的水流要素均成線性變化。

式(1)變為：

(2)

將以上各式代入式(2)中，并把方程中同一斷面的水流要互助分別列在等式的兩端，得到：

(3)

以上各式中凡有s、x腳標者分別表示河段上、下游斷面的水流要素。由式(2)或式(3)可知，式中局部水頭損失為：

(4)

根據上、下斷面流量相等原理則有Vs=AxVx/As代入式(4)有：

(5)

式(5)為《橋梁水力學》介紹計算局部水頭損失的漢德遜公式。本次評價采用式(5)計算局部水頭損失。

2.2 計算條件

2.2.1 計算范圍及河道大斷面

采用9個實測河道橫斷面，控制河道范圍(由下游往上游)：CS1～CS9，CS4、CS5斷面代表橋址，CS4斷面代表過江通信線，CS9斷面代表G317老橋。CS1斷面作為下游起算控制斷面，計算河道長度825 m。

2.2.2 計算邊界條件

評價河段屬于單一、寬淺式河床，河床主要由沙卵石組成，河道兩岸為天然岸坡和已建堤防[4]。

2.2.3 設計洪水標準及洪峰流量

工程河段采用防洪標準10 a一遇洪水重現期(P=10 %)，Q=2310 m3/s，建設大橋采用標準為100 a一遇洪水重現期(P=1 %)，Q=3050 m3/s[5]。

2.2.4 特征水位

CS1：P=10 %，Q=2310 m3/s，H=861.24 m；P=1 %，Q=3050 m3/s，H=863.41 m。

2.2.5 糙率

本次計算的工程河段的河道糙率n值是參照已有成果而確定。按照《四川水文手冊》以及《洪水調查資料》，根據河段的灘槽實際情況，取得工程河段上下游河段糙率為0.035。

2.3 計算成果

橋址斷面涉河橋墩經投影后，水位、流速計算成果及變化比較見表2～表3；表1～表3成果表明，項目建設后，河道行洪斷面有所減少，水位、流速發生一定變化。根據計算結果，成果分析如下：

表1 映秀岷江大橋工程評價河段設計洪水位成果

(1)項目建成后，防洪標準10 a一遇情況下，橋址斷面建橋后水位比建橋前水位最大壅高0.08 m；橋址斷面建橋后流速比建橋前流速最大增加0.25 m/s；橋址斷面建橋后行洪寬度比建橋前行洪寬度最大減小9.9 m，河道縮窄率最大為4.80 %；橋址斷面建橋后行洪面積比建橋前行洪面積最大減小34.92 m2，河道阻水率最大為6.01 %。

(2)項目建成后，防洪標準100 a一遇情況下，橋址斷面建橋后水位比建橋前水位最大壅高0.12 m；橋址斷面建橋后流速比建橋前流速最大增加0.28 m/s；橋址斷面建橋后行洪寬度比建橋前行洪寬度最大減9.90 m，河道縮窄率最大為4.68 %；橋址斷面建橋后行洪面積比建橋前行洪面積最大減小39.4 m2，河道阻水率最大為5.85 %。以上成果表明，項目建成后，防洪標準10 a和100 a一遇河道行洪斷面有所減少，水位、流速發生了一定變化，壅水新增淹沒范圍影響較小，流速變化幅度較小，因此，項目的建設對評價河段泄洪影響較小。

表2 映秀岷江大橋評價河段各斷面水力要素變化情況(10 %)

表3 映秀岷江大橋評價河段各斷面水力要素變化情況(1 %)

3 橋墩沖刷計算

根據JT GC30-2015《公路工程水文勘測設計規范》，橋墩沖刷應包括河床自然演變沖刷、一般沖刷和局部沖刷三部分[6]。在確定基礎埋深時，應根據橋位河段情況，取其不利組合作為基礎埋深的依據。通過河段地形圖、實地踏勘及鄰近工程調查，工程河段河床基本為穩定河床，自然演變沖刷不明顯，河床自然演變基本已趨于穩定，因此，綜合考慮確定本次河床演變沖刷深度計算取值為1 m[7]。

3.1 橋下一般沖刷計算

非粘性土河床的一般沖刷河槽沖刷按JTGC30-2015《公路工程水文勘測設計規范》64-2簡化式計算：

式中：hp為橋下一般沖刷后最大水深(m)；Qp為設計流量(m3/s);Q2為橋下河槽部分通過的設計流量(m3/s)；當河槽能擴寬至全橋時用Qp；Qc為天然狀態下河槽部分設計流量(m3/s)；Qt1為天然狀態下橋下河灘部分設計流量(m3/s)；λ為設計水位下，在Bcg寬度內，橋墩阻水總面積與過水面積比值；μ為橋墩上匯流側向壓縮系數，根據JT GC30-2015《公路工程水文勘測設計規范》表8.3.1-1；Bc為天然狀態下河槽寬度(m)；Bcg為橋長范圍內河槽長度(m)；當河槽能擴寬至全橋時取橋孔總長度；Bz為造床流量下河槽寬度(m)；對復式河床可取平攤水位時河槽寬度；hcm為河槽最大水深(m)；Ad為單寬流量集中系數；山前變遷、游蕩、寬灘河段當Ad>1.8時，Ad值可采用1.8；hz為造床流量下河槽平均水深(m)；對復式河床可取平攤水位時河槽平均水深。

經計算，JTG C30-2015《公路工程水文勘測設計規范》64-2公式成果見表4。

3.2 橋墩局部沖刷計算

非粘性土河床橋墩局部沖刷按JTG C30-2015《公路工程水文勘測設計規范》65-2式計算橋墩局部沖刷深度(表5)。

表4 一般沖刷計算成果表(p=1%)

當V≤V0：

當V>V0：

式中：hb為橋墩局部沖刷深度(m)；Kε為墩形系數，可按附錄C選用；B1為橋墩計算寬度(m)；hp為般沖刷后的最大水深(m)；d50為河床泥沙平均粒徑(mm)；Kη1、Kη2為河床顆粒影響系數；V為一般沖刷后墩前行近流速(m/s)，按本規范8.3.3條規定計算；V0為河床泥沙起動流速(m/s)；V0＇為墩前泥沙起沖流速(m/s)；n1、n2為指數。

表5 局部沖刷計算成果表(p=1%)

3.3 橋墩沖刷成果

根據JT GC30-2015《公路工程水文勘測設計規范》，橋墩最大沖刷成果應為上述三項成果之和,見表6。

表6 橋墩最大沖刷計算成果(p=1%)

根據上述總沖刷深度計算結果，映秀岷江大橋橋墩最大沖刷深度7.07 m。結合橋梁設計文件，映秀岷江大橋橋墩設計基礎埋深為河床線以下25 m，即橋梁基礎埋深滿足要求。

4 河道演變及穩定性分析

4.1 穩定河寬計算

沖積河流穩定性指標是反映來水來沙變化時，表現出來的局部的、暫時的相對變幅。由于工程的興建，或多或少改變了原有河流的基本特性，包括河流的穩定性[8]。但只要對原有河流的穩定性參數改變不大，河床經過一定的調整，將恢復到原有的平衡狀況，而不致發生較大的河型轉化，形成大規模的再造床過程[9]。項目建設后，由于河道水流流態和河相關系受到工程建設影響而有一定程度的改變，可能會造成河床的再造床運動，決定這一現象的控制參數一般采用穩定河寬這個參數，只要河道的河寬滿足穩定河寬，河床基本上是趨于穩定的[10]。穩定河寬一般采用如下的經驗公式：

式中：Bs為橫向穩定河寬(m)；K為1/10030/33；K=0.0151；Q為造床流量(m3/s)，取2 a一遇設計洪水；(P=50 %，Q=1650 m3/s)；J為比降；取枯水期水面比降；(J=0.0057)n為糙率；參照已有成果；造床流量對應的n=0.035。

通過上式計算河段的穩定河寬，從而判斷河道的橫向穩定性，經計算，工程河段的穩定河寬約為91 m，工程建成后河道主河槽行洪河寬大于120 m；且工程河段兩岸均為堤防，導流邊界條件已穩定，對水流有歸束作用，可以說本河段的河床是穩定的。

4.2 縱向穩定指標

河床縱向穩定指標中，絕大多數的基本出發點是一致的，認為河床的縱向穩定程度取決于水流對河床泥沙的作用力與河床泥沙抵抗力之間的對比關系[11]。比值越大，泥沙運動強度愈弱，河床因沙坡、成型堆積體運動與之相應的水流變化產生的變形愈小，因而河床愈穩定；相反，比值愈小，泥沙運動強度愈大，河床產生的變形愈大，因而河床愈不穩定[12]。屬于這種類型的指標有常用的洛赫金提出的縱向指標計算公式：Ks=d/(h×J),式中：Ks為縱向穩定系數;d為床沙粒徑，以m計，本工程取d50=0.12 m；J為河道平均比降，以mm/m計，取J=0.0057;h為縱向一般條件下水深，工程建設前后縱向穩定指標見表7。

根據《河流橫向混合系數的研究進展》水利學報2014年4月第45卷、《長江中下游河床穩定系數計算》長江科學院、《長江中下游干流河道的造床流量與河床穩定性系數計算》全國泥沙基本理論研究學術討論會2005等相關文獻資料，Ks>3即屬于縱向基本穩定河床，35即屬于縱向穩定河床，Ks越大代表河床越穩定，由上表計算成果可知，Ks指標范圍4.06～10.3，無論建設前后均屬于3

表7 映秀岷江大橋工程河段縱向穩定指標(p=1%)

4.3 橫向穩定指標

橫向穩定系數與河岸穩定關系密切相關，而決定河岸穩定的因素主要是主流的沖積地點及其走向和河岸土壤的抗沖能力。由于缺乏實測資料，通過參考相關資料，間接的用河岸變化結果來描述河岸的穩定性，本工程橫向穩定指標釆用武漢水利水電學院把阿爾杜林公式計算的穩定河寬與實際河寬相比較，用以表征河床橫向穩定性程度[13]。公式為：

Kw=Q0.5/B/J0.2

式中：Kw為橫向穩定系數；Q為造床流量(Q=1650 m3/s)；J為造床流量下水面比降(J=0.0057)；B為造床流量下水面寬(一般地，取穩定河寬B=91m)。

根據《河流橫向混合系數的研究進展》水利學報2014年4月第45卷、《長江中下游河床穩定系數計算》長江科學院、《長江中下游干流河道的造床流量與河床穩定性系數計算》全國泥沙基本理論研究學術討論會2005等相關文獻資料，Kw>1即為橫向穩定河床，Kw越大越穩定。由于本工程建設前后河寬均大于穩定河91.0 m，因此，項目建設前后橫向穩定系數不變，經計算，項目建設河段Kw=1.25。即工程河段為橫向穩定河床。

5 結論

(1)根據工程所在河段的河道特點、工程布置情況，工程實施后，河道在汛期河流造床時，水流條件與天然情況相比，變化較小，河道本身處于沖淤平衡狀態。從現場查勘情況來看，工程河段水流穩定，測流斷面呈“U”型，沖淤變化甚小。工程所在河段附近河道斷面有一定的沖淤變化，主要表現泥沙在該河段周期性小幅淤積，即枯水期該河段有輕微的淤積，但隨著汛期來臨，沖刷的加劇，河道淤積會有一定的改善，總體來說河道近期基本趨勢基本穩定。工程建成后，通過穩定河寬計算，工程河段的穩定河寬約為91 m，而工程河段主河槽行洪河寬至少在120 m以上；加之工程河段兩岸已建堤防，導流邊界條件已基本穩定，對水流有一定歸束作用，可以說本河段的河床是比較穩定的。從長遠來看，河道演變趨勢基本穩定。

(2)項目建設后，河道行洪斷面水力要素變化較小，因此，項目的建設對評價河段泄洪影響較小。

(3) 橋梁建設后，工程河段水力要素變化較小，橋梁建設對河道河勢穩定影響較小。