皖南地區厚墩連拱古橋阻水效應研究

鄢永輝，繆世強，王宏俊

(1.寧國市水利局，安徽 寧國 242500；2.長江勘測規劃設計研究有限責任公司上海分公司，上海 200439)

皖南地區古橋的建造(注：有史記載的古橋)最早可追溯到魏晉南北朝時期，而大量建造的時期成熟于磚石普及的明清時期[1]，橋梁類型以厚墩連拱橋為主。這些橋梁大多為不可移動文物。

厚墩連拱橋的主要特點為實腹厚墩厚拱，每孔跨度一般不超過15m，橋孔、橋墩較多；橋墩厚度一般3.0～5.0m，橋孔之間為實腹，橋梁阻水率可達15%～30%，如圖1所示。

近些年，特別是在2016、2019、2020年幾場大水的沖擊下，皖南地區的厚墩連拱古橋阻水嚴重、部分橋梁受沖損毀的問題凸顯。2020年7月6—8日連續3天，旌德縣三溪鎮樂成橋、黃山屯溪鎮海橋、婺源彩虹橋等3座宋、明時期的古橋接連被洪水沖毀，引發社會廣泛關注。目前，關于古橋特別是厚墩連拱古橋的行洪能力、阻水影響定量研究較少。本文通過洪水調查、經驗公式計算、二維水流數學模型等技術手段全面分析了典型厚墩連拱古橋的阻水效應，并提出緩解橋梁阻水的措施，可為皖南地區厚墩連拱古橋的修復和治理提供借鑒。

1 皖南地區厚墩連拱古橋概況

皖南地區水系發達，大江大河有新安江，主要支流有水陽江、青弋江、秋浦河、練江等，流域面積大于200km2的中小河流有東津河、西津河、中津河、郎川河、新郎川河、練江、豐樂水、橫江、閶江、率水、麻川河、清溪河、徽水河、九華河、白洋河、黃湓河、堯渡河等。自魏晉南北朝時期起，皖南地區的先賢在這些河流上陸續建成了大量的橋梁，以厚墩連拱橋最為普遍，橋長大于50m的厚墩連拱古橋見表1。

經統計，皖南地區厚墩連拱古橋橋長大于50m的達21座，絕大多數為文物保護單位，其中國家級文物2座，省級8座，市級7座，縣級2座。始建于明代之前的1座，始建于明代的16座，始建于清代的4座；橋長不小于100m的11座，50～100m之間的10座。

2 厚墩連拱古橋典型結構

以寧國市東津河上的河瀝溪橋為例。河瀝溪橋位于寧國市河瀝溪街道辦事處東津河上，又名永福橋，如圖2所示。

河瀝溪橋始建于明代，后多次修建，現存橋體部分為清代修建，是典型的厚墩連拱橋。該橋原為9孔石拱橋，高約11m，其中2#孔凈跨度為5.58m，其余8孔凈跨度為11.35～13m，橋墩寬度為2.68～4.93m。2014年在其西側增建1孔拱橋(1#橋孔)，跨度為30m，凈寬為25.3m。擴建后的河瀝溪橋共計10孔，9個橋墩，橋梁總跨度164.8m，橋孔總凈寬約130.6m。

圖1 皖南地區典型厚墩連拱古橋立面圖

表1 皖南地區橋長大于50m的厚墩連拱古橋統計表[2]

圖2 河瀝溪橋位置示意圖

1995年，在河瀝溪橋下游新建了1座5孔石拱橋(以下簡稱“河瀝溪新橋”)，橋長191m，寬7m，高11m，橋孔總凈寬約150m，單孔凈寬30m，橋墩寬度3.0m。

3 河瀝溪橋阻水效應分析

3.1 阻水率分析

通過對比河瀝溪橋阻水面積與橋址處河道行洪面積，分析河瀝溪橋阻水率。隨著水位上升，河瀝溪橋阻水率逐漸增加。當橋上水位達到53m時(相當于30年一遇洪水位)，河瀝溪橋阻水率達到28.9%，見表2。

表2 河瀝溪橋阻水率統計表

3.2 2019年洪水，河瀝溪橋壅水情況

根據安徽省水文局蕪湖水文水資源局洪水調查成果[3]，2019年8月“利奇馬”臺風暴雨洪水期間，河瀝溪橋上、下游最高水位見表3。

表3 2019年洪水，河瀝溪橋上、下游最高水位統計

2019年8月“利奇馬”臺風暴雨洪水期間，河瀝溪橋下約170m的河瀝溪水位站洪水位為51.99m，橋下47m處洪痕調查高程為52.13m，橋上13m處洪痕調查高程為52.61m，橋上500m處烏龜殼洪痕調查高程為52.99m。

3.3 阻水效應分析

3.3.1經驗公式法

鐵科院陸浩橋前壅水計算公式[4- 6]在鐵路、公路的新橋設計和現有橋梁過洪能力驗算中得到廣泛應用，也是《公路工程水文設計指南》推薦的公式。

本文采用陸浩公式分析了河瀝溪橋壅水影響，見表4。

表4 河瀝溪橋最大壅水高度成果表

由表4可知，當東津河遭遇20～50年一遇洪水時，河瀝溪橋壅水高度為0.52～0.62m。

3.3.2數學模型計算

HEC-RAS是由美國陸軍工程兵團水文工程中心開發的河道水力分析模型[7]。該模型早期采用恒定流或非恒定流一維建模方法，廣泛地應用于河道和洪泛區的模擬，最新的版本新增了二維非恒定流模擬板塊。HEC-RAS的二維建模方法適用于非恒定流模擬，尤其適用于堤壩潰堤、橋墩周圍、河道向洪泛區急轉彎等不同方向的水流[8～10]。

本文采用HEC-RAS二維水流模型分析河瀝溪橋阻水效應。

(1)模型建立

模擬河長約5.3km，下至寧國水文站，上界東、中津河匯合口。采用2020年8月實測河道大斷面資料。模型采用非結構化網格，網格邊長為5m，最大網格尺寸為50m2，最小網格尺寸為19m2，平均網格尺寸為25m2，網格總數為55540個，如圖3—4所示。主槽糙率取0.030～0.035，邊灘糙率取0.06。

河瀝溪橋采用連接構件模擬，橋梁模擬方法選擇能量方程。

模型邊界條件：上邊界條件采用“利奇馬”臺風暴雨實測洪水過程和不同設計頻率下的洪水作為模型入流，下邊界條件為寧國水文站處相應水位過程。

圖3 模型范圍

圖4 河瀝溪橋周邊網格

模型計算初始水位取開始時刻的上、下邊界的平均水位；初始流速取0,時間步長為10s。

(2)數學模型的率定驗證

采用2019年“利奇馬”臺風暴雨洪水期間，河瀝溪水位站實測水位資料進行率定和驗證，當主槽糙率取0.033，邊灘糙率取0.06時，河瀝溪水位站實測與模擬水位過程吻合程度較好，模型計算誤差符合技術規程的精度要求(洪水風險圖編制導則中規定誤差<0.2m)，如圖5所示。

圖5 河瀝溪水位站實測與模擬水位過程對比

(3)計算方案

通過比較有、無河瀝溪橋情況下的橋上水位來分析河瀝溪橋的阻水效應。方案0：現狀河道；方案1：假定河瀝溪橋拆除后的河道。

(4)計算成果

當東津河遭遇10～50年一遇洪水時，河瀝溪橋上游烏龜殼斷面最大壅水高度為0.45～0.81m，見表5。

表5 不同洪水重現期下，河瀝溪橋壅水高度統計

3.3.3小結

(1)陸浩經驗公式和HEC-RAS二維水流模型計算結果均表明，以河瀝溪橋為典型的厚墩連拱古橋阻水效應明顯。

(2)陸浩公式在等厚橋墩的鐵路、公路橋梁上有較多的應用，在拱橋壅水高度方面的研究成果很少，難以驗證適用性；HEC-RAS模型可以模擬拱橋，本次計算成果和實測資料吻合較好，說明HEC-RAS二維水流模型在模擬拱橋方面有較好的適用性[11]。

4 河瀝溪橋治理方案研究

2014年，為了減輕河瀝溪橋阻水影響，經安徽省文物局批復同意，河瀝溪橋向左岸拓寬1孔。

2017—2019年，寧國市東津河城區段進行了疏浚拓寬。由于河瀝溪橋上、下游兩岸房屋密集，河道拓寬征地拆遷費用較高，該段河道沒有進行治理。

2019年，“利奇馬”臺風暴雨洪水期間，河瀝溪橋上、下游水位差達1.0m，洪水災害給寧國市中心城區造成了巨大損失，寧國市人民政府及各部門充分認識到防洪治理的重要性和緊迫性，有強烈愿望系統治理東津河。在此背景下，為進一步降低河瀝溪橋壅水影響，本文提出河瀝溪橋擴孔方案。

4.1 河瀝溪橋擴孔方案

本次共布置2個方案，方案一在河瀝溪橋左岸新建1孔凈寬30m的橋孔，橋梁上、下游河道左岸岸線相應后退約33m；方案二在河瀝溪橋左岸新建2孔凈寬25m的橋孔，橋梁上、下游河道左岸岸線相應后退約56m。

4.2 模型分析成果

河瀝溪橋擴孔之后，方案一降低烏龜殼斷面洪水位約0.5m，方案二降低烏龜殼斷面洪水位約0.7m，見表6。

表6 河瀝溪橋擴孔前后，烏龜殼斷面水位統計

5 結論

(1)使用HEC-RAS二維水流模型模擬了“利奇馬”臺風暴雨洪水條件下河瀝溪橋上、下游觀測點水位，與實測資料和洪水調查成果較為吻合，充分驗證了HEC-RAS二維水流模型在模擬橋梁阻水效應方面的可靠性。

(2)當河道岸線存在退建可能性時，通過橋梁擴孔可較好地兼顧文物保護與河道治理的需要，是厚墩連拱古橋治理的可行措施[12]。但部分古橋由于阻水嚴重，擴孔后，橋址處設計洪水位與橋梁拱頂底面之間的關系可能還是不滿足規范要求，橋梁自身行洪安全能力依然不足。建議下一步可從流域系統治理角度研究城市防洪問題。