赤化大橋防洪影響分析

郭 婭，張瑋清

(廣東源豐水務有限公司，廣東 河源 517000)

赤化大橋屬于連接線公路工程的跨河工程，是主線重要的控制節點，大橋建成后將極大的方便地區居民的出行，促進區域協調發展并帶動經濟發展。但橋梁的建設會導致河道行洪斷面的變化，可能對區域防災、救災產生影響，因此對河道內的建設項目進行防洪影響分析十分必要，本文基于Mike11建立河段水動力模型，分析工程建設對河道水位、流速的影響；并根據Mike11模型結果，采用水力學公式進一步計算橋址處的壅水情況、使用經驗公式進行沖淤計算，以分析赤化大橋建設對河道行洪的影響。

1 工程概況

擬建赤化大橋橋址位于河源市龍川縣麻布崗鎮赤化村，河源市位于廣東省東北部，地處東江中上游，是粵東西北唯一同時近距離接受三個國際都市輻射帶動的地級市。赤化大橋屬于河惠莞高速公路麻布崗互通出口至興寧市羅浮連接線公路工程的跨河工程，橋梁橫跨尋烏水，全長606.4m，根據相關規范，赤化大橋設計規模為大橋，公路等級為二級，設計洪水頻率為1%。赤化大橋兩岸現狀為天然山地，工程所在河段規劃防洪標準為20年一遇。橋址上下游2km范圍內暫無水利工程與規劃，但下游23km處有廣東省第二大水庫：楓樹壩水庫，且赤化大橋處于楓樹壩水庫蓄水影響區。楓樹壩水庫是一個以航運、防洪、發電等綜合利用的水利樞紐工程，流域面積5150km2，總庫容19.5億m3。

赤化大橋起點里程為K3+916.0，終點里程為K4+516.0，中心里程為K4+216.0，單孔跨徑為30m，橋梁共20跨，有5組橋墩，橋長606.4m，上部結構采用預應力砼組合箱梁，結構簡支橋面連續。下部結構橋墩采用柱式墩，起終點橋臺根據填土高度和地質情況分別采用柱式臺和座板臺，基礎均采用鉆孔灌注樁基礎。

2 研究方法

本文采用Mike11建立洪水模型，并進一步采用實用水力學計算公式對工程引起的壅水情況進行計算，以分析赤化大橋對行洪可能產生的影響，并根據經驗公式進行沖淤計算。

2.1 Mike11模型構建

2.1.1模型原理

Mike11基于垂向積分的物質和動量守恒方程，即一維非恒定流圣維南(Saint-Venant)方程組來模擬河流或河口的水流狀態，采用Abbott-Ionescu六點隱式差分格式對方程進行求解，模型的詳細原理及求解原理可參考相關文獻。

2.1.2模擬范圍及斷面布設

本次模擬河道起點為工程下游777m，終點為工程上游1480m，全長2257m。為了較好反映河道走勢及斷面變化，本次模擬根據尋烏水平面特點布置模擬斷面共13個，斷面平均間距100～300m。將橋墩模型概化進工程斷面，模型計算范圍及斷面設置情況如圖1所示。

圖1 Mike11模型斷面布置示意圖

2.1.3邊界條件

模型的上游邊界為流量邊界，下游邊界為下游起推斷面的水位。

流量根據赤化大橋壩址處不同頻率的設計洪水確定。流域內楓樹壩水文站距赤化大橋橋址20km，氣候、下墊面條件相似，且有相對完整的設計洪水計算成果和枯水期流量觀測數據，故本文用水文比擬法，選用楓樹壩水文站為參證站計算赤化大橋壩址處設計洪水。楓樹壩水文站的水文實測序列為42年(1974—2016年)，調查到特大洪水發生在1964、1961、1966年，洪峰流量分別為7660、6700、6080m3/s，用P-III適線法確定楓樹壩的設計洪水。根據相關統計資料，赤化大橋橋址以上流域集雨面積為2385.1km2，參證站集雨面積5150km2，根據式(1)推求赤化大橋斷面的設計洪峰，最終計算橋址處100年一遇設計洪峰流量為4716.77m3/s，50年一遇洪峰流量為4131.65m3/s，20年一遇設計洪峰流量為3343.53m3/s。

(1)

式中，Q設—橋址河段設計洪峰流量，m3/s；Q參—參證資料(本次計算選取參證站為岳城水文站)的洪峰流量，m3/s；F設—橋址控制斷面以上流域的集雨面積，km2；F參—參證站的控制集雨面積，km2；n—面積比指數，依據《工程水文及水利計算》(成都科技大學、華東水利學院、武漢水利電力學院合編)，小流域n一般為2/3，出于防洪安全考慮本次取n=0.67。

下游水位由曼寧公式計算得到。橋址下游起推河段斷面為樁號XWS0+000，河底高程為99～103m，河床糙率選取為0.035，河道比降為0.00242，該河段仍屬于楓樹壩水庫回水影響區域，考慮楓樹壩水庫的防洪調度原則，對比在相應洪水頻率下楓樹壩水庫的洪水，最終計算得到100、50、20年一遇設計洪水對應的下游斷面河道水位分別為170.118、169.5、169.358m。

2.1.4糙率確定

河道屬天然山區河流，依據天然河道糙率表，糙率參考取值范圍為0.03～0.05，工程河段屬于大河即汛期水面寬度大于30m，糙率n值略小，故本文選值為0.035。

2.2 壅水計算

本文結合一維模型的結果，進一步采用“水力學公式”計算橋梁的最大壅水高度、及壅水長度，綜合分析橋梁建設產生的壅水影響。壅水高度根據式(2)計算，壅水長度根據式(3)計算。

(2)

(3)

式中，α—動能校正系數，本文取值1.1；ξ—過水面積收縮系數，取0.85～0.95；B—河寬，m；V—建橋前斷面平均流速，m/s；h—建橋前斷面平均水深，m；ΔZ—最大壅水高度，m；∑b—建橋后過水斷面總寬，為河寬減去橋墩總寬，m；Ly—壅水曲線全長，m；I0—橋址河段天然水面坡度，取值根據一維模型計算結果得到。

2.3 沖淤計算

橋墩的建設縮窄了河床過水斷面，引起橋孔附近流速增加，挾沙能力也相應增加，破壞原有的輸沙平衡，河床發生沖刷，對橋梁安全有一定隱患。總沖刷深度由一般沖刷和局部沖刷組成，而工程所在河段的沖刷體現為河槽沖刷，依據地質勘察報告河槽部分為非黏性土，根據JTG C30—2015《公路工程水文勘測設計規范》中的公式進行計算。一般沖刷計算公式見式(4)，局部沖刷公式見式(5)。

(4)

(5)

3 結果分析

根據赤化大橋的設計標準、工程所在河段以及水工建筑物的防洪標準，本文分別計算遇20年一遇、50年一遇和100年一遇洪水時的河道水位情況。

3.1 模型結果分析

將邊界條件輸入模型，模擬工程建成前后的水位、流速、過水面積和水面寬度變化情況，從而分析赤化大橋在遇20年一遇、50年一遇和100年一遇洪水時對河道的壅水和沖淤影響。根據模擬結果，得到工程前后河段平均水力坡度，見表1；各頻率下河道各斷面工程前后(工程后的值減工程前的值)水位變化、流速變化、水面寬度變、過水斷面面積變化如圖2—5所示。

表1 各頻率下工程前后河段平均水力坡度

由圖2—5可知，20年一遇洪水時，工程后橋址段面流速增大了0.034m/s，水面凈寬減小了37.742m，過水面積減小了438.065m2，橋址上游水位最大壅高值為0.002m；50年一遇洪水時，工程后橋址段面流速增大了0.041m/s，水面凈寬減小了37.871m，過水面積減小了444.535m2，橋址上游河段水位最大壅高值為0.003m；100年一遇洪水時，工程后橋址段面流速增大了0.045m/s，水面凈寬減小了38.402m，過水面積減小了471.225m2，橋址上游河段水位最大高值為0.004m。

圖2 各頻率下河道各斷面工程前后水位變化

圖3 各頻率下河道各斷面工程前后流速變化

圖4 各頻率下河道各斷面工程前后水面寬度變化

圖5 各頻率下河道各斷面工程前后過水斷面面積變化

3.2 壅水計算結果分析

結合實際資料及模型模擬結果，用2.2節中的公式可計算得到橋址處最大壅水高度及壅水長度，見表2。

表2 各頻率下橋指出壅水長度及最大壅水高度

由表2可知，遇100年一遇洪水時橋址處壅水曲線全長為364.22m，最大壅水高度為0.0061m；遇50年一遇洪水時橋址處壅水曲線全長362.50m，最大壅水高度為0.0052m；遇20年一遇洪水時橋址處壅水曲線全長336.18m，最大壅水高度為0.0035m。

綜合Mike和實用水力學公式的壅水計算結果，赤化大橋最大壅水高度為0.0061m，壅水曲線全長為364.22m，橋梁建設引起的最大壅水高度十分微小。

3.3 沖淤分析

根據2.3節中的公式，計算河槽總沖刷。式中，單寬流量集中系數Ad為1.065，橋下河槽凈寬Bcg為199.15m，天然狀態下河槽寬度Bc為210.59m，λ取值0.0541，一般沖刷后的最大水深hp根據一維模型水位計算結果及河底高程計算得到，墩形系數Kξ為1，橋墩計算寬度B1為1.6m，河床顆粒影響系數Kη2為0.507，一般沖刷后的行近流速v根據一維模型流速計算結果得到，根據相關經驗公式可計算得到墩前泥沙啟動流速v0′、河床泥沙啟動流速v0分別為0.257m/s、0.574m/s，河槽沖刷計算結果見表3。

表3 河槽沖刷計算結果

由表3可知，100年一遇洪水工況下河槽一般沖刷深度為3.581m，橋墩局部沖刷深度為0.721m，總沖刷深度為4.302m；50年一遇洪水工況下河槽一般沖刷深度為3.493m，橋墩局部沖刷深度為0.730m，總沖刷深度為4.233m；20年一遇洪水工況下河槽一般沖刷深度為4.302m，橋墩局部沖刷深度為0.738m，總沖刷深度為4.173m。

赤化大橋單孔跨徑為30m，橋梁共20跨，5組橋墩均位于河槽處，兩端橋臺高于設計洪水位。依據橋和安全墩沖刷計算值，河槽橋墩需滿足基地最小埋深約為8m，河灘橋墩需滿足最小埋深約為7m，本次橋墩埋深均大于38m，符合規范的要求。

4 結論

(1)100年一遇洪水條件下橋梁產生的最大水位壅高為0.0061m，最大壅水長度約為364.22m，赤化大橋的建設滿足規范要求，對河道行洪不會造成較大的不利影響。

(2)工程建成后遇100年一遇、50年一遇和20年一遇洪水時的總沖刷深度分別為4.302、4.233、4.173m，橋墩的埋深均滿足計算和規范要求。設計洪水條件下，本工程會受到一定的沖刷影響，但因為河床粗化層的存在以及下游楓樹壩水庫的蓄水影響，工程實際受到沖刷影響要比計算成果偏小，在采取一定的工程措施對橋墩進行沖刷防護后，整體影響不大。