G107跨木刀沟大桥改建防洪影响评价

张世宝，鲁西西，马 军

（1.华北水利水电学院，郑州 450011；2.郑州市水利建筑勘测设计院，郑州 450007）

G107跨木刀沟大桥改建防洪影响评价

张世宝1，鲁西西1，马 军2

（1.华北水利水电学院，郑州 450011；2.郑州市水利建筑勘测设计院，郑州 450007）

木刀沟大桥是G107公路网的重要组成部分，工程跨越磁河，研究其对防洪影响具有重要意义。该文根据河流多年实测资料和防洪标准，计算桥位处的水位、壅水高度与长度、浪高及冲刷等。结果表明，大桥改建后，对河道行洪、河势稳定及防洪安全等满足防洪标准要求。

防洪评价；河道；跨河大桥；木刀沟

1 工程概况

木刀沟大桥改建项目位于G107保定界至正定新安镇段，木刀沟中游。木刀沟大桥为双幅桥，全桥12孔16m的标准跨径，桥梁全长192m，设计梁底高程为74.576m。木刀沟京广铁路桥位于木刀沟公路大桥上游74m。木刀沟是大清河水系南支潴龙河主要支流，古名磁河，发源于河北省灵寿县五岳寨。木刀沟大桥桥位处控制流域面积1007km2，其中横山岭水库控制流域面积440km2，横山岭水库至交叉断面区间面积567km2。其上游2.78km处建有南水北调中线总干渠穿磁河倒虹吸工程，其控制流域面积982 km2。河道纵坡2‰，桥位断面处左右岸有浆砌石护坡，左岸高度约3.5m，坡度1∶2，右岸高度2m，坡度1∶1.5。 桥位处河道断面宽约200m。 根据文献［1］，规划治导线宽度横山岭水库至冯家庄段为250m，冯家庄至南伏流公路桥段宽300m，南伏流以下段宽350m。规划堤顶设计超高1.0m，堤顶宽6.0m，内外边坡均为1∶3［2］。

2 防洪评价计算

2.1 设计洪水计算

设计洪水标准［3］选取100a一遇、10a一遇2个标准。 G107跨木刀沟大桥控制断面设计洪水的计算，采用水库设计、区间相应和区间设计、水库相应两种组合方式考虑，选其大者作为设计洪水成果。区间洪水采用瞬时单位线法［4］计算，并根据设计暴雨查P～R关系计算相应洪量。

因横山岭水库至G107木刀沟大桥区间流域面积567km2。根据设计洪峰流量计算公式和不同洪水组合方案，计算桥位交叉断面设计洪峰流量见表1。

由于木刀沟桥位处至南水北调中线总干渠穿磁河倒虹吸工程处，区间流域面积占桥位总控制流域面积的2.5%，流域范围变化不大，设计洪水成果见表2。

表1 G107木刀沟大桥交叉断面设计洪峰流量成果

从表2可以看出，本次设计洪水成果考虑本工程流域面积与南水北调控制流域面积十分接近，取其大者作为选用成果比较合理。10a一遇防洪标准选取1215m3/s，100a一遇防洪标准选取3550m3/s。

表2 南水北调设计洪水成果

2.2 水力计算

根据天然河道水面线法，运用均匀流公式计算水位作为起始水位，按河道设计流量计算出桥位断面水位。天然河道水面线法主要理论依据是伯努利能量守恒方程式，具体如下：

式中 Z上、Z下为上、下断面洪水位（m）；V上、V下为上、下断面平均流速（m/s）；Q为设计流量（m3/s）；ΔL为上、下断面间距（m）；α为动能校正系数；为平均局部阻力系数；为上、下断面平均流量模数。

水面线推算时，取下游不小于2km处河道断面作为控制断面起推，起推断面的水位～流量关系在缺乏实测流量资料时，可按均匀流公式计算确定。10a一遇防洪标准计算洪水位为71.577m,100a一遇防洪标准计算洪水位为73.452m。

2.3 壅水计算

依据文献，壅水影响高度与长度计算公式：

式中 ΔZ为最大壅水高度（m）；η为系数，按规定取0.10；Vm为建筑物布置后断面平均流速（m/s）；L为壅水长度（m）；ΔZ为最大壅水高度（m）；I为桥址河段天然水面比降。桥梁分现状和改建后两种情况。计算结果详见表3。

表3 壅水计算成果

2.4 浪高计算

浪高依据文献［6］中的公式进行计算：

式中 hb为波浪高度（m）；th为双曲正切函数；Vw为风速，水面上10m高度多年测得的洪水期间自计2min平均最大风速的平均值（m/s）。

推求桥面高程时，取计算浪高值的2/3作为浪高值。经计算，大桥100 a一遇的浪高计算值为0.319m。

2.5 桥梁底高程计算

桥梁允许梁底高程由100a一遇设计洪水位、壅水高度、2/3风浪高、桥下净空参数确定，由上计算值得梁底最低允许高程为74.349m。

2.6 冲刷与淤积计算

桥位处一般冲刷范围内为中砂，选用非粘性土河床的桥下一般冲刷公式：

式中 hp为桥下一般冲刷后的最大水深 （m）；Q2为桥下河槽部分通过的设计流量 （m3/s）；Qc为天然状态下河槽部分设计流量（m3/s）；Bcg为桥长范围内的河槽宽度（m）；λ为设计水位下，在Bcg宽度范围内，桥墩阻水总面积与过水面积的比值；μ为桥墩水流侧向压缩系数，根据设计流速及跨径选用0.96；Ad为单宽流量集中系数。

式中 hb为桥墩局部冲刷深度（m）；Kξ为墩形系数；B1为桥墩计算宽度（m）；Kη2为河床颗粒影响系数（mm）；V为一般冲刷后墩前行进流速（m/s）；V0为河床泥沙起动流速（m/s）；V0′为墩前泥沙起冲流速（m/s）。

计算结果详见表4。

表4 木刀沟大桥冲刷深度计算成果

3 防洪影响综合评价

3.1 对河道行洪及河势稳定的影响分析

原工程上下游桥墩顺河道方向交错布置，不利于河道行洪，拆除重建后使其布置一致，加大了行洪断面，降低了上游壅水，减小了桥下洪水流速，对上下游防洪有利，所以工程的修建对10a一遇标准河道行洪没有产生新的不利影响。

跨河桥梁的修建压缩了部分河道断面，桥位流速加大，冲刷加剧，对河势流态产生一定影响，但可以通过采取桥梁防护措施确保安全。

3.2 对现有防洪工程和其他水利设施的影响

10a一遇计算洪水位71.577m，桥位处现状左岸堤顶高程为75.10m，右岸堤顶高程为76.0m。现状堤顶高程满足规划堤顶超高的要求；本工程在铁路桥和G107下游公路桥之间布置，与河道规划堤防不产生矛盾。

木刀沟大桥遇河道规划标准10a一遇洪水时，桥前壅高0.031m，壅水长度31m；遇100a一遇洪水时，桥前壅高0.078m，壅水长度78m，较改建前壅水影响程度大大降低。且公路运行数十年，原影响范围也无村庄和工矿企业等，所以工程项目的实施不会对上游增加淹没影响。

4 结语

（1）改建后木刀沟大桥长度和结构同下游桥一致，且桥梁布置方向与河道水流方向垂直，新旧桥墩为顺水流方向一线布置，桥长大于京广铁路桥（桥长243.86m），改善了目前枢纽的行洪条件。

（2）与现状相比，木刀沟大桥改建后增大行洪断面，减小了壅高和影响范围，因此改建工程对河道行洪影响较小。

（3）跨河桥梁的修建压缩了部分河道断面，桥位流速加大，冲刷加剧，因此，建议按100a一遇标准冲刷深度防护桥台，并复核桩基承载力。

（4）设计时必须做好本桥至京广铁路桥之间河道两岸堤防的连接；对桥梁新扩出部分的河底进行疏浚，达到公路桥和铁路桥之间水流平顺衔接。

［1］河北省水利水电勘测设计研究.大清河流域防洪规划报告（河北省部分）［R］.2002.

［2］石家庄交通设计勘察设计院.G107保石界至正定及南二环至青银高速段改建工程可行性研究报告［R］.2010.

［3］GB50201—94，防洪标准［S］.

［4］SL278—2002，水利水电工程水文计算规范［S］.

［5］JTG C30—2002，公路工程水文勘测设计规范［S］.

［6］JTJ062—1991，公路桥位勘测设计规范［S］.

［7］刘涛，杨文海，于清霖.保阜高速引线跨越沙河大桥防洪影响评价［J］.水科学与工程技术，2008（3）：35-36.

［8］王宏伟，余建星.跨河道桥工程防洪风险管理体系研究［J］.自然灾害学报，2007，16（3）.

［9］董新美.跨河大桥防洪影响评价研究［J］.水利发展研究，2008（4）.

［10］孙庆磊，周波，李超.跨河桥梁防洪影响评价指标体系及影响防治措施研究［J］.水利科技与经济，2010，16（4）：432-435.

Flood Control Effect Assessment of Mudaogou Bridge Reconstruction by G107 Road Crossing

ZHANG Shi-bao1，LU Xi-xi1，MA Jun2
（1.North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power,Zhengzhou450011，China；2.Zhengzhou City Water Conservancy Construction Survey Design Institute，Zhengzhou450007，China）

Mudaogou Bridge is an important part of G107 highway network.The project spans the Ci River，and it is significant to study its flood control influence.Based on the observation data and the river flood control standard for many years， calculate the result of the water level， the heat and length of swell， the wave elevation and the erosion.Results show that the flood-flowing，flood control safety and the stability of river all meet the standard requirement after the bridge rebuilt.

influence on flood control;river;river-crossing bridge;Mudaogou

TV87

A

1672-9900（2011）03-0057-03

2011-03-16

张世宝（1966—），男（汉族），河北蔚县人，教授，主要从事水利工程研究，（Tel）15003898921。