探討橋梁工程對河道行洪安全的影響

呂美云，陳穎歡

（廣西壯族自治區柳州水利電力勘測設計研究院，廣西 柳州 545000）

1 橋梁工程概況

某工程6 號路橋跨越竹鵝溪，橋址下游135m 有一座滾水壩，下游320m、435m、535m，上游280m 處各有一座橋梁。

根據設計方案，6 號路橋設計洪水標準為50 年一遇，橋梁的設計基準期為100 年，設計使用年限為50年。橋梁全長47.04m，橋梁寬度為24m，雙向12m，單向3m 人行道，2m 分隔帶，7m 行車道。

橋梁設置1 組橋墩、2 組橋臺，橋臺采用樁柱式，帽梁高1.3m，寬1.8m，基礎形式采用樁基礎，樁徑為1.5m；橋墩采用蓋梁柱式墩，蓋梁高1.3m，寬1.6m，墩柱直徑1.3m。橋墩承臺均埋于河床或地面以下[1]。

2 橋墩阻水分析計算

根據工程斷面處的設計洪水位、斷面資料及6 號路橋橋墩設計方案，采用投影法計算各頻率設計水位下橋墩的阻水面積比，如表1 所示。

表1 建設項目阻水面積

由表1 可見，6 號路橋50 年、20 年、10 年、5 年一遇的阻水面積分別為4.46m2、4.15m2、3.89m2、3.62m2，阻水比分別5.24%、5.37%、5.49%、5.63%。

3 壅水和行洪能力分析計算

本次水面線計算采用HECˉRAS 建立河網模型進行計算。HECˉRAS 適用于河道穩定和非穩定流一維水力計算，可進行各種涉水建筑物（如橋梁、涵洞、防洪堤、堰、水庫、塊狀阻水建筑物等）的水面線分析計算，同時可生成橫斷面形態圖、流量及水位過程曲線、復式河道三維斷面圖等各種分新圖表，本次計算范圍內涉及的水陂（堰）及橋梁均通過特征參數輸入模型當中由軟件計算其壅水影響[2]。

3.1 基礎資料

3.1.1 洪峰流量

設計暴雨采用某水文站年最大1h、6h、24h 暴雨成果，利用《廣西壯族自治區暴雨徑流查算圖表》中的瞬時單位線法與推理公式法進行計算[3]。橋址斷面處不同頻率下的設計洪峰流量如表2 所示。

表2 6 號路橋斷面洪水流量

3.1.2 斷面

斷面資料為實測1:1000 河道地形圖以及1:10000實測地形圖，充分考慮河道斷面形狀、平面形態變化和跨河建筑物的分布及回水影響范圍，本次共選取斷面10 個。

3.1.3 糙率

竹鵝溪流域已進行相應整治，經過多次擬合試算，主槽糙率n 取0.037，灘地糙率取值為0.052。3.1.4 起推水位

6 號路橋梁下游135m 處有一座滾水壩，橋梁水位受滾水壩控制，故本次計算以滾水壩作為控制斷面，采用滾水壩的水位流量關系曲線推算水位。滾水壩中間有3 個寬0.6m 的缺口，缺口底高程為94.350m，壩頂高程為97.35m；根據《水力計算手冊》中的實用堰公式：

式中：Q——流量（m3/s）；m——流量系數；ε——側收縮系數，ε=1-0.2[K+（n-1）K0]H0/（nb），其中H0為堰前水頭，；B——總凈寬，m；H0——包括行近流速水頭的堰前水頭，即

根據式（2），可算出滾水壩的泄流曲線。結合橋址斷面處不同頻率下的設計洪峰流量，查滾水壩泄流曲線，可得出滾水壩不同頻率（2%、5%、10%、20%、50%）設計洪水的設計水位，如表3 所示。

表3 滾水壩各頻率水位與流量的關系

3.2 計算方法

河流水面線采用現狀河道一維恒定非均勻流數學模型（水流能量平衡方程）進行計算，以控制斷面由下游往上游推算。水面線計算原理采用伯努里方程：

式中：Z1、Z2——河道水位，m；Y1、Y2——斷面水深，m；V1、V2——斷面 平 均 流速，m/s；α1、α2——動能修正 系數，一般在紊流時取α=1，層流時取α=2；g——重力加速度；hw——能量損失。

3.3 水面線計算成果

把6 號路建橋前后斷面參數輸入HECˉRAS 建立的河網模型后，可得其水位變化值，如表4 所示。發生50 年、20 年、10 年、5 年一遇設計洪水時，橋梁較天然河道產生的壅水分別為0.063m、0.056m、0.042m、0.037m，壅水影響范圍約為橋梁上游400m。建橋之后，橋址處50 年一遇設計洪水位為99.284m，橋梁底板高程為99.93m，橋梁底板高程高于設計洪水位0.646m。由此可見，橋梁工程實施后對河道會產生一定的壅水影響，但壅水影響的范圍較小[4]。

表4 6 號路橋壅水計算成果

4 沖刷淤積計算

4.1 橋下河槽一般沖刷

根據工程區地質勘查資料顯示，橋址處為非粘性土。根據《公路工程水文勘測設計規范》（JTG C30—2015）中非粘性土河床的橋下河槽沖刷公式進行計算[5]，計算公式為：

經計算，6 號路橋河槽最大沖刷值為0.662m（50 年一遇），橋墩埋深在白云巖地層，不易被沖刷。

4.2 橋墩局部沖刷

本次采用無粘性土河床的沖刷深度公式進行計算，計算使用《公路工程水文勘測設計規范》（JTG C30—2015）中的公式：

根據設計橋墩方案查表Kξ為1.0，橋墩設計寬度B1為1.3m。經計算，50 年一遇設計頻率洪水條件下橋墩局部沖刷深度為0.505m。

根據設計方案，橋墩埋深0.95m。50 年一遇設計頻率洪水條件下橋下河槽一般沖刷為0.662m，橋墩局部沖刷深度為0.505m。橋墩埋深在白云巖地層，不易被沖刷。總體而言，河道沖刷對橋墩影響不大。

4.3 數學模型的構建

本項目利用MIKE21 建立二維模型，構建二維水動力模型需要的基礎數據主要包括：①地形數據，計算范圍內河道地形數據；②水文數據，河道上下游邊界數據，流量、水位；③糙率。

4.3.1 建模地形資料

二維模型河道地形資料主要采用工程河段實測1:1000 河道地形圖及1:500 橫斷面圖、區域1/10000 航測圖等資料進行拼合。

4.3.2 邊界條件及計算步長

模型左、右岸邊的邊界為實際地形等高線。上游模型進口邊界：給出一種頻率洪水下的相應流量；下游模型出口邊界：給出一種頻率洪水下的相應水位；固體邊界：法向流速為零，水流邊界的切向流速不為零；初始條件：給出計算區域內各點初始時刻的水深、流速等物理量的初始值。計算最大時間步長為30s。

4.3.3 研究范圍及網格布置

二維數學模型的研究范圍確定為項目上游280m至下游140m。采用三角形網格進行二維模型計算區域剖分，模型共布置網格1374 個，網格節點數為790 個，網格最大面積為30m2。

4.3.4 模型的率定

選擇橋址斷面作為驗證斷面，糙率采用0.033～0.055，模型計算橋址斷面P=2%天然洪水位為99.245m，P=2%設計水位為99.221m，兩者相差0.024m，相差不大，滿足精度要求，因此，模型可用于工程方案的數值模擬計算。

4.4 河勢影響分析

河勢影響分析主要包括河道工程附近流速、流態的變化，動力軸線變化[4]。

為了便于分析，結合橋梁所在河流的實際情況，本次在模型上下邊界、河流轉彎處、橋梁上下游30m 處共布置了10 個斷面共30 個流速。

發生50 年一遇設計洪水時，工程斷面處取樣點最大流速3.65m/s，流速變化最大增加0.21m/s，最大減小0.54m/s，流向變化最大2.69°。

發生20 年一遇設計洪水時，工程斷面處取樣點最大流速3.37m/s，流速變化最大增加0.20m/s，最大減小0.39m/s，流向變化最大2.56°。

發生10 年一遇設計洪水時，工程斷面處取樣點最大流速3.17m/s，流速變化最大增加0.17m/s，最大減小0.30m/s，流向變化最大2.52°。

發生5 年一遇設計洪水時，工程斷面處取樣點最大流速2.89m/s，流速變化最大增加0.15m/s，最大減小0.18m/s，流向變化最大2.48°。

綜上分析，工程建設后，工程所在河段上、下游附近整體流態基本平順，工程對河段流速影響較大區域主要位于工程橋墩及下游附近，對上下游流速影響隨距離的增加也逐漸減弱，對河道整體水流動力環境影響不大。

5 建設項目對河道行洪安全影響評價

6 號路橋設計防洪標準為50 年一遇，根據壅水計算成果：50 年一遇設計洪水位為99.284m，6 號路橋梁底高程為99.93m，橋梁底高程高于50 年一遇設計洪水位。

在2%～20%不同頻率條件下，6 號路橋附近洪水水位最大壅高0.063m（P=2%），壅水影響范圍為工程斷面至上游400m 之間，橋梁上游約280m 處有一座飛鵝橋，雖然在橋梁壅水范圍內，但壅水高度較小，且距離工程越遠水位壅高影響越小。

6 結語

綜上所述，6 號路橋梁工程對不同頻率洪水（P=2%、5%、10%、20%），相對于天然河道，由6 號路橋建設引起的水位壅高值最大為0.063m，50 年一遇水位壅高后為99.284m，低于兩岸岸坡高程（左、右岸現狀岸坡高程101.10m）。6 號路橋在各頻率設計洪水條件下，壅水影響范圍為工程上游400m，橋梁上游約280m 處有一座飛鵝橋，雖然在橋梁壅水范圍內，但壅水高度較小，因此工程的實施引起的上游水位壅高對現有防洪工程措施影響不大。