泗張攔水壩潰決洪水對下游橋梁影響分析與評價

2023-09-28 00:55:18陳建鋒柳文杰

山東水利 2023年8期

崔魁，陳建鋒，柳文杰

（1.山東省水利科學研究院，山東濟南 250014；2.山東省水資源與水環(huán)境重點實驗室，山東濟南 250014；3.山東省調(diào)水工程運行維護中心，山東濟南 250100；4.山東省調(diào)水工程運行維護中心萊州管理站，山東萊州 261400）

攔河壩或其他擋水建筑物瞬時潰決，發(fā)生水體突泄所形成的洪水稱為潰決洪水。潰決洪水及其演進分析是編制涉水工程安全管理應(yīng)急預(yù)案的基礎(chǔ)，是水利工程發(fā)生突發(fā)性安全事故時科學應(yīng)對、避免或減少人員傷亡和財產(chǎn)損失的重要非工程措施。本文以濟寧市泗水縣泗張攔水壩為研究對象，對泗張攔水壩潰決洪水計算及洪水演進進行分析，對類似攔水壩潰決洪水災(zāi)害預(yù)防和對下游橋梁運行安全分析評價具有一定的借鑒和參考意義。

1 項目概況

泗張攔水壩位于泗水縣泗張鎮(zhèn)西北部，控制流域面積3.97 km2，河道干流坡度為0.025，河道長2.85 km，設(shè)計洪水標準為10 年一遇，設(shè)計最大洪峰流量59.15 m3/s；攔水壩為漿砌石壩，壩軸線長31.5 m，其中中間溢流段寬16.5 m，右岸擋水壩段長10 m，左岸擋水壩段長5 m；最大壩高4.5 m，其中中間溢流段高3 m，兩岸擋水壩段高4.5 m；壩頂寬1.2 m。

李莊特大橋位于泗張攔水壩下游170 m 處，共64 個橋墩，2 個橋臺，全長2 121.097 m，橋式類型為“雙線簡支箱梁＋連續(xù)梁”。根據(jù)設(shè)計單位提供的橋梁平面位置圖和橋型布置圖，經(jīng)現(xiàn)場查勘，李莊特大橋采用（32+24+32）m 簡支箱梁跨越邢家莊河，河道中共布置2 個橋墩。

2 潰決洪水計算

2.1 計算范圍確定

潰決洪水計算分析范圍為：上游自泗張攔水壩壩體處，下游至李莊特大橋以西，東西向長度約為170 m；左側(cè)自泗張攔水壩左岸起，右側(cè)至泗張攔水壩右岸，寬度約為31.5 m，區(qū)域總面積為5 355 m2。計算區(qū)域內(nèi)的主要設(shè)施為泗張攔水壩、李莊特大橋等。

2.2 潰決洪水分析

1）潰口寬度。進行潰決洪水分析時，考慮最不利工況，即泗張攔水壩壩體瞬間全潰，則壩體長度即為潰口寬度31.5 m。

2）最大潰決流量。壩體全潰時的最大潰決流量按式（1）計算：

式中：Qm為潰決最大流量，m3/s；B 為壩長，m；H 為壩高，m。

經(jīng)計算，最大潰決流量為112.24 m3/s。

3）潰決流量過程。假設(shè)潰決流量過程線的線型為四次拋物線。根據(jù)潰決最大流量Qm和攔水壩潰決時攔蓄水量V 初步確定泄空時間T 為155 s，流量過程線見表1。

表1 潰決流量過程

4）橋址處最大流量和最大流速。橋址處最大流量按式（2）計算：

式中：QLM為當潰壩最大流量演進至距壩址為L 處時，在該處出現(xiàn)的最大流量，m3/s；V 為攔水壩潰壩時的蓄水量，取3 870 m3；Qm為壩址處的潰壩最大流量，取112.24 m3/s；L 為橋距壩址的距離，取170 m；U 為河道洪水期斷面最大平均流速，考慮最不利工況，取3 m/s；K 為經(jīng)驗系數(shù)，取K=1。

經(jīng)計算，潰壩洪水工況下，橋址處最大流量QLM為42.46 m3/s。

5）潰壩洪水傳播時間。將流量過程線概化為三角形，經(jīng)計算，洪水起漲時間t1為13.54 s，最大流量到達時間t2為111.39 s，洪水終止時間為t3為195.83 s，相應(yīng)流量分別為112.2 m3/s、69.6 m3/s、195.83 m3/s。

6）壩址斷面潰壩洪水最大流速。壩址斷面潰壩洪水最大流速可采用圣維南-A.Rittter 公式計算，經(jīng)計算，泗張攔水壩壩址斷面潰壩洪水最大流速為3.43 m/s。

7）橋址處平均流速。泗張攔水壩距下游李莊特大橋1 700 m，潰壩洪水屬于不穩(wěn)定流，水面線的計算可近似地視為穩(wěn)定流以簡化計算。經(jīng)計算，李莊特大橋斷面在潰壩洪水工況下平均水深0.26 m，斷面平均流速1.83 m/s。

3 數(shù)值模擬分析

采用HEC-RAS 軟件對潰決洪水影響進行數(shù)值模擬分析計算。

3.1 模型構(gòu)建

根據(jù)邢家莊河和李莊特大橋的基本資料建立幾何模型，以特大橋所在位置為界，將河道分為上、下游；同時，為避免河道邊界條件對計算結(jié)果的影響，上下游邊界應(yīng)盡量遠離特大橋位置，因此河道總長取4.5 km，上游河道長2.0 km，下游河道長2.5 km。河道模型如圖1 所示。

圖1 李莊特大橋模型圖

3.2 模擬條件和參數(shù)

模型以潰決洪水工況下經(jīng)過李莊特大橋的最大潰決洪水流量作為上游邊界條件，以下游足夠遠處斷面的正常水深作為下游邊界條件，計算最大潰決洪水流量經(jīng)過李莊特大橋時所形成的流速、水面線高程等水力學參數(shù)。

采用HEC-RAS 模型進行水力計算時，還需設(shè)定曼寧系數(shù)n 和擴張、收縮系數(shù)。根據(jù)河道基本情況，河道糙率取0.035；由于建模時，河道上下游斷面均與特大橋處河道斷面相同，即河道斷面沿河道不變，因此河道的擴張、收縮系數(shù)除特大橋附近分別取0.3 和0.1 外，其余河道斷面均取0.03 和0.01。

3.3 數(shù)值分析結(jié)果

經(jīng)采用HEC-RAS 軟件模擬計算分析，在潰決洪水工況下，李莊特大橋最大水深和最大流速位于50#~51#橋墩中間，其中上游斷面最大水深0.59 m，平均水深0.3 m，平均流速1.72 m/s，壅水高度0.05 m；下游斷面最大水深0.54 m，平均水深0.27 m，平均流速2.01 m/s。李莊特大橋上下游斷面在潰決洪水工況下水面線和流速分布如圖2、圖3 所示，平均流速、平均水深沿河道變化情況如圖4、圖5 所示。

圖2 上游斷面平均流速和水面線

圖3 下游斷面平均流速和水面線

圖4 邢家莊河平均流速沿程變化曲線

圖5 邢家莊河斷面平均水深沿程變化曲線

由圖4 和圖5 可以看出，李莊特大橋上下游河道各斷面平均流速在1.85 m/s 左右，平均水深在0.262 m 左右，這與橋址處計算結(jié)果平均流速1.83 m/s、平均水深0.26 m 基本吻合。

根據(jù)山東新匯建設(shè)集團有限公司編制并通過審核的《魯南快速鐵路客運通道臨沂至曲阜段泗水縣青界河特大橋等5 座橋梁防洪評價報告》，李莊特大橋100 年一遇設(shè)計洪峰流量為178.25 m3/s，100 年一遇一般沖刷后墩前行進流速為1.57 m/s。潰決洪水計算結(jié)果、數(shù)值模擬結(jié)果及特大橋設(shè)計工況下計算結(jié)果見表2。

表2 各工況計算結(jié)果匯總表

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié) 論

泗張攔水壩潰壩潰口寬度為31.5 m，最大潰決流量為112.24 m3/s。若出現(xiàn)潰決洪水，洪水可在13.54 s 到達李莊特大橋處，111.39 s 在李莊特大橋處形成的最大下泄流量42.46 m3/s。計算成果表明：在潰決洪水工況下，李莊特大橋跨越河道處斷面最大流量42.46 m3/s，平均水深0.26 m，斷面平均流速1.83 m/s。數(shù)值模擬結(jié)果表明：李莊特大橋上下游河道各斷面平均流速在1.85 m/s 左右，平均水深在0.262 m 左右，特大橋上游斷面最大水深0.59 m，平均水深0.3 m，平均流速1.72 m/s，壅水高度0.05 m；下游斷面最大水深0.54 m，平均水深0.27 m，平均流速2.01 m/s。

綜上，李莊特大橋跨越邢家莊河處，潰壩洪水工況下河道斷面最大流量小于特大橋設(shè)計洪峰流量，潰壩洪水工況下河道斷面平均流速較特大橋設(shè)計洪水工況下一般沖刷后墩前行進流速有所增大，采取一定措施后，整體防洪風險級別較低，可接受。