淺析橋梁跨越河流防洪綜合評價

盧偉升

（湖南省水務規劃設計院有限公司，湖南 長沙 410005）

1 工程簡介

1.1 項目概況

根據當前湖南省及國家高速公路網規劃計劃可知，桑植至龍山高速公路為張家界——南充國家高速公路G5515 的重要組成部分。2010 年6 月湖南省張家界市高速公路建設辦公室委托中交第一公路勘察設計研究院針對該路段進行可行性研究，為后續建設方案決策提供科學依據。2019 年湖南省交通規劃勘察設計院針對該路段開展初步設計。

根據建設方委托合同，本項目針對桑植至龍山高速公路桑植段賀龍特大橋等23 座涉河橋梁進行防洪影響評價。根據各橋所處位置及主管單位要求，其中賀龍特大橋和陳家河大橋由湖南省水利廳進行涉河橋梁防洪影響評價審查；李家坡大橋、李家溝大橋、兩河口澧水大橋、巖壁大橋、鳳陽坡大橋、陳家灣大橋、魯家2 號大橋、獅子山大橋、官山坪大橋、彈簧坪大橋和上河溪互通A 匝道橋等11 座橋梁由張家界水利局進行橋梁防洪影響評價審查；其余位于湘西州境內的10 座橋梁由湘西州水利局進行橋梁防洪影響評價審查。

1.2 評價內容及指標

對于跨河橋梁工程來說，《中華人民共和國防洪法（2016 修正）》規定，其建設必須滿足相應的防洪標準、規劃要求，建設運營過程中要滿足防洪安全管控要求，且經水行政主管部門進行審查、同意。跨河橋梁基礎及施工區域會占據部分河道面積，河道過水斷面縮小，橋梁基礎之間的孔隙對水流的擠壓作用增加，導致橋梁上游水位壅高，引發水位特征發生改變。若河道發生洪水災害，河道內流量會短時間內暴漲，水流裹挾河床沖出泥沙，在橋臺前緣及橋墩附近發生繞流，水流方向、速度都會發生變化，持續沖刷會造成局部沖刷坑，影響橋梁基礎及整體安全[1]。

所以，對于跨河橋梁工程建設來說，需要對河道、洪水、水流、橋梁安全等因素進行分析、評價，從而把控跨河橋梁工程建設成效。具體來說，跨河橋梁工程防洪影響評價指標主要包括以下幾點：

1）確保橋梁洪水設計標準與規劃標準完全相符。

2）針對橋梁梁底高程數值，確保滿足河道防洪泄洪工作標準要求。

3）關注橋梁設置是否會造成河道水流在局部流速過大，甚至改變河道防洪泄洪方向，及其對河道堤岸的沖刷情況是否影響河道周邊安全，橋墩能否承受相應標準的水流沖刷。

4）橋梁整體長度、橋墩尺寸及布置等重要參數要滿足河道防洪泄洪工作標準。

5）橋梁壅水高度、曲線長度要滿足工程建設及防洪泄洪工作標準。

6）其它指標因素，如施工工期、工藝、流程及橋梁防護等是否滿足防洪泄洪工作標準。

2 橋梁跨越河流防洪綜合評價

2.1 橋址設計洪水位

本涉河橋梁建設項目各個大橋設計洪水位的計算，主要是依據現狀橋址控制斷面的水位流量關系曲線進行推導求取，由設計流量插值相應水位。根據《湖南省桑植縣賀龍水庫樞紐第一期工程初步設計書》魚潭口壩址澧水南源回水計算成果表可以推算出兩河口澧水大橋、李家溝大橋設計洪水位處10 年一遇回水高程。其他橋梁橋址因上下游無控制斷面，計算設計洪水位時需要結合河段實際情況、天然河道糙率表、洪調水面比降、測時水面線比降、河道橫斷面實測資料等數據確定[2]，其中本項目河道糙率取值范圍在0.030～0.045 之間。綜合以上數據，根據曼寧公式可知各橋址不同水位級的相應流量，推求橋位處Z～Q 關系，具體結果見表1。

表1 各橋位設計洪水位成果表

2.2 施工洪水分析

在涉河橋梁建設項目建設期間，需要考慮施工現場臨時建筑對于河道行洪的影響，本項目按照5 年一遇施工洪水標準進行計算。可以選用周邊水文站實測資料、參數，綜合現場踏勘情況進行計算。

本次選用涼水口水文站1959—2018 年實測資料計算施工洪水，選取10 月至次年3 月最大流量，組成各時段流量數據，以P-Ⅲ型頻率曲線法，依據以下公式計算相應頻率：

目估適線，確定統計參數并計算各頻率設計值。涼水口水文站施工洪水小于《賀龍至涼水口（新街）開發方案論證報告》結果，且該成果已通過審查，與《澧水流域規劃》基本一致，基于工程安全性考慮，設計洪水采用賀龍至涼水口（新街）開發方案論證階段成果。

2.3 工程阻水要素分析

本涉河橋梁建設項目中包含11 座跨越河道橋梁，其建設會對河道行洪面積產生影響。根據橋位斷面實測河道大斷面，結合橋址上下游河段的實際地形，才能確定建設區域河道實際過水面積及水面寬度[3]。綜合橋梁設計單位方案計算河道防洪標準洪水位時，需要掌握各個橋梁的阻水面積、占用河道水面寬度，同時在設計水位條件下，計算橋梁阻水率（阻水結構在垂直于水流方向上的投影面積與河道過水斷面面積之比），確定各個阻水要素的實際數值。

本建設項目中除兩河口澧水大橋橋位以上流域面積553 km2外，其余橋梁橋位以上流域面積均小于200 km2，據此橋梁阻水率控制指標均可按照7%進行控制。

2.4 水位壅高計算及壅水范圍的確認

阻水建筑水位壅高計算當前主要是依靠水面曲線法和經驗公式法兩種方式進行確認。而在橋梁建設完成后，上下游河段水流流態會出現變化，上游河段水位出現壅高，壅水范圍受橋梁阻水作用決定[4]。本項目相應水位壅高計算及壅水范圍的確認公式如下：

式中 L——壅水長度；

△Z——橋前水位最大壅高值；

S——水面比降。

2.5 岸坡及墩臺沖刷分析

涉河橋梁建設完成后，過水斷面面積會縮小，在橋址斷面附近的水流速度會增加，水流挾沙力增強，對橋址斷面附近進行沖刷，主要體現在對橋位兩岸岸坡的沖刷和橋梁墩臺的沖刷上。

對于岸坡沖刷來說，其沖刷計算主要依據《湖南省涉河橋梁水利規范技術規定（暫行）》確定的公式：

式中 hB——局部沖刷深度；

h、hp——分別為沖刷前和一般沖刷后水深；

Vp——建橋后計算水位時的主河槽平均流速；

VH——河床面上允許不沖流速；

n——與防護岸坡在平面上的形狀有關，一般取0.25；

t——一般沖刷深度；

ω1、ω2——建橋前后計算水位時的過水斷面面積；

P——沖刷系數。對于橋梁墩臺的沖刷來說，其主要是由河床演變、一般沖刷、局部沖刷三部分共同組成。在洪水沖刷過程中，這三種現象同步進行，河床演變屬較為復雜的自然過程，無法使用簡單的公式進行計算[5]。而為了便于分析和計算，假定局部沖刷是在一般沖刷完成后的基礎上進行的，沖刷深度為這兩種沖刷深度的疊加。

2.6 確立洪水影響綜合評價的相關信息

綜合此次涉河工程建設實際情況及現場具體需求來說，各個工程體系均能滿足相關規劃、設計要求。其中李家坡大橋、李家溝大橋、兩河口澧水大橋、巖壁大橋、鳳陽坡大橋、陳家灣大橋、魯家2 號大橋、獅子山大橋、官山坪大橋、彈簧坪大橋以及上河溪互通A 匝道橋在河道河槽及兩岸預留用地范圍內設置了橋墩。

通過優化建設方案、制定防洪補救措施盡可能降低影響河道行洪成效。兩河口澧水大橋位于陳家河兩河口至下洞街段堤防護岸加固工程左岸K0+000～K0+500 加固堤護岸段，由于橋梁跨河橋墩均位于灘地，對護岸工程近岸流速、流向影響甚微，結合現場踏勘成果確認不會對河道已修建護岸工程穩定性產生不利影響。其余各座橋梁的建設不會對水利工程設施運行以及第三人合法水事權益產生影響。

2.7 主要的防治處理措施

當跨河橋梁工程建設完成后，受橋梁基礎影響，附近水流會出現紊亂，水流流速在小范圍內增大，對于橋梁周圍堤岸及基礎的沖刷力變大。為避免這種沖刷影響，結合張家界至南充國家高速公路桑植至龍山段（張家界段）涉河橋梁周邊各處的水文、地質勘查情況確立相應的防治處理措施，具體如下：

為防治局部沖刷，保護現有河道，根據現場初步踏勘成果，本次擬對局部沖刷明顯且河岸房屋較密集的河段采取護岸處理，處理范圍如下：陳家灣大橋，河道護砌范圍為橋位兩岸上下游各80 m；魯家2號大橋，河道護砌范圍為橋位右岸上下游各100 m；獅子山大橋，河道護砌范圍為橋位兩岸上下游各50 m；上河溪互通A 匝道橋，河道護砌范圍為橋位左岸上下游100 m，右岸上游100 m。河道護岸均采用漿砌石擋墻或漿砌石護坡，護坡從河底護至河坎地面高程，按現狀坡比護砌。

3 結 語

跨河橋梁工程的防洪綜合評價工作非常重要，需要綜合現場建設區域的各項因素進行處理，建立科學、合理的防洪綜合評價工作體系，借助有效的理論、方法，使防洪影響評價能夠真實、有效地反應建設工程項目對河道洪水的影響，具體分析實際案例，以期獲得實用、科學、完善的防洪綜合評價體系，為后續跨河橋梁工程建設提供有力依據。