跨河桥梁及施工对河涌防洪引水与排水影响分析

2014-08-10朱秋菊冯志鹏郑江丽

东北水利水电 2014年1期

朱秋菊，冯志鹏，郑江丽

（珠江水利委员会珠江水利科学研究院，广东广州 510611）

1 研究背景

南洲立交工程跨河桥梁工程设计防洪标准为100年一遇，跨河桥梁工程与河网内3条河涌相交，其中纵向跨黄冲涌（河涌内布置直径1.2 m的桥墩8个），横跨土华涌（河涌内布置直径1.2 m的桥墩24个）、石榴岗河（河涌内布置直径1.2 m的桥墩21个），所跨土华涌断面宽约240 m，所跨石榴岗河断面宽约60 m，黄冲涌断面宽10～25 m。跨河桥梁工程实施时，考虑先拓宽黄冲涌河道断面。该工程在河涌内布置桥墩众多，跨涌桥梁阻水比在6.8%～13%之间，工程建设后可能对这3条河涌乃至周边河网的防洪、排涝等产生不利影响。

由于当时要改良河网内河涌水质，石榴岗河南、北片及北濠－石溪片很多水闸都在施工，与后航道相连的河涌涌口的水闸除黄冲水闸已建成可使用外，其余水闸均处于施工阶段，该区河涌的换水途径只能是从石榴岗河引水，从黄冲涌排水，黄冲涌成为唯一一个可排入后航道的通道；而南洲立交工程施工期恰与临时调水期相冲突，为确保跨黄冲涌桥梁施工期时临时调水能得到保证，进行施工期的引、排水计算分析也是很有必要的。

2 数学模型

由于该区河网水系复杂，考虑利用一维水流数学模型，模拟计算工程后南洲立交工程跨河桥梁工程对附近河网的防洪影响和施工期对该片区引、排水的影响。

2.1 数学模型基本方程

工程壅水计算采用一维明渠非恒定流数学模型，采用圣维南方程组：

式中：H——断面水位，m；Q——流量，m3/s；u——平均流速，u=Q/S，S为河道过水断面面积，km2；g——重力加速度；B——不同高程下的过水宽度，m；qL——旁侧入流流量，m3/s；R——水力半径，m；C—谢才（Chezy）系数；x，t——位置和时间的坐标。

方程离散采用Abbott 6点隐式格式，该离散格式在每一个网格点并不同时计算水位和流量，而是按顺序交替计算水位或流量，分别称为h点和Q点。求解方法同时适用于树枝状和环状水系，计算网格布置为交叉网格方式（交替水位点和流量点）。有断面数据的点设置为水位点，流量点自动布置在相邻水位点的中间和水工建筑物点。

2.2 研究范围及断面布置

一维数学模型模型断面间距约200 m。其中断面最小间距为30 m。一维河网水动力模型的模拟河涌27条，搭建成河网。

2.3 边界条件

上游采用流量边界。片区河网内部缺乏实测流量资料，流量边界条件采用《海珠区河涌水系规划深化实施方案》中20年一遇设计洪峰流量。模型中下边界均有水闸与外江后航道隔开，采用各水闸的实际运行水位。

1.2.2 样品的制备与测定。参考行业标准方法《YC/T 380—2010 烟草及烟草制品铬、镍、砷、硒、镉、铅的测定电感耦合等离子体质谱仪法》[12]进行分析测试。准确称取0.2 g(精确至0.000 1 g)烟草样品放置于微波消解罐中，依次加入5 mL 65%硝酸和2 mL 35%双氧水，旋紧密封后进行微波消解。消解程序如表1所示。冷却至室温后，将消解罐内的试样溶液用超纯水冲洗2次，所得洗液一起合并于50 mL容量瓶中，超纯水定容至50 mL，混合摇匀。用同样的方法制备试剂空白溶液。

2.4 水闸模拟

模拟河网内有水闸12座。根据调查，海珠区的挡潮水闸一般在涨潮时关闸挡潮，落潮时开闸排涝。在这些构筑物处，圣维南方程组已经不再适用，必须根据闸的水力学特征作特殊处理。在模型中闸通常作为流量点处理，根据水闸闸内外相临水位点的水位关系采用闸的流量公式计算过闸流量。

3 壅水计算

由于该工程纵向跨过黄冲涌，沿河涌350 m范围内都有桥墩布置，占用了河道过流断面，采用扩宽河涌断面的方法来解决此问题。壅水计算分现状和工程后（同时考虑黄冲涌断面拓宽和拟建工程桥墩的影响）两种情况来考虑。

从最不利的角度考虑，水闸调度分以下7种工况来考虑。工况1：现状规划河涌，各水闸均定向控制，洪水排入后航道，闸内水位高于闸外水位，开闸排水，反之则关闸；工况2：在工况1基础上，以石榴岗河为主要研究对象，与石榴岗河相连的北片河涌不分流，土华涌下游水闸关闭；工况3：在工况1基础上，以土华涌为主要研究对象，石榴岗水闸关闭；工况4：在工况1基础上，以黄冲涌为主要研究对象，石榴岗水闸、土华涌下游水闸关闭；工况5：在工况1的基础上，不考虑黄冲涌的存在，闸内水位高于闸外水位，开闸排水，反之则关闸；工况6：在工况5的基础上，关闭土华水闸，土华西闸，洪水仅从石榴河水闸排入后航道；工况7：在工况5的基础上，关闭石榴岗河水闸，洪水从后航道各水闸排出。

计算结果表明，在各种工况下，考虑黄冲涌断面拓宽和桥梁工程的叠加影响，水位最大壅高幅度只有0.01 m，水位壅高发生在各条河涌跨涌桥梁工程上下游3 km范围内，拟建工程实施产生的壅水对石榴岗河、土华涌和黄冲涌行洪影响很小，对工程附近其他河涌行洪基本无影响。

4 枯季施工期景观水换水计算与分析

4.1 引、排水的水闸调度原则

石榴岗河南、北片及北濠－石溪片引、排水时，水闸调度遵循以下原则：石榴岗水闸和黄冲水闸均定向控制水流，引水从石榴岗水闸处引入，只进不出，当石榴岗水闸内水位达到0.8 m景观水位时关闸；排出则从黄冲水闸处排出，只出不进，当闸内水位排至-0.7 m时，或石榴岗水闸闸内水位排至0 m时，关闸；位于土华涌的虾九水闸（土华水闸）正在修建，土华新水闸关闭，截断了土华涌与石榴岗河的连通；位于赤沙涌的沙涌水闸定向控制水流，当闸内水位高于闸外水位时开闸，水流从赤沙涌流向后航道，反之关闸，当闸外水位高于1.2 m时亦关闸。

4.2 引排水计算边界

因施工期为枯水期，故采用距离模型上、下游边界最近的黄埔站、浮标厂站的2001年2月的枯水典型潮位过程作为上、下游水位边界条件。

4.3 引、排水计算方案设计

对比计算工程前和施工期2种工况的引、排水情况。

施工期工况，河涌断面采用施工步骤中工程占河道过水面积最大时的河道断面。

4.4 引、排水计算成果分析

计算结果表明，工程前，该片区平均引水流量为119.33 m3/s，引水 3 h，引水总量为 128.87万 m3；平均排水流量为29.73 m3/s，排水13 h，排水总量为139.13万m3。因此可以看出，在一个潮周期内，引水量小于排水量，水可从黄冲涌顺利排出。

施工期时，该片区平均引水流量126.84 m3/s，引水3 h，引水总量 136.98万 m3；平均排水流量 28.69 m3/s，排水15 h，排水总量为154.93万m3。同样，在一个潮周期内，引水量小于排水量，水亦可从黄冲涌顺利排出。

对比工程前与施工期，引水量均小于排水量，即水均可从黄冲涌顺利排出。且施工期引水量有所增大，这是由于施工期时黄冲涌河涌拓宽而使得施工期河涌净过水断面面积总体大于河涌原断面面积引起的。但因受施工影响，排水时间较工程前长2 h。

5 河涌排涝调蓄能力影响分析

根据工程前后河涌容积统计，工程后由于黄冲涌断面扩宽，扣除桥墩影响，整个模型计算范围内河网涌容还有一定增加，不同水位下涌容增加百分比在1%～2%之间。

以20年一遇24 h时暴雨过程遭遇外江（以浮标厂站为准）多年平均最高潮位潮型，进行河涌调蓄计算，计算工况共7种，与壅水计算工况一致。汛期排涝按照能排就排，不能排尽量蓄在河涌内的原则。计算结果表明，在各种工况下，工程后河涌内蓄水量均有所增加，而出流量相应减小。各工况中工程后河涌内蓄水量最大增大值为5.58 m3，小于河涌工程后涌容增加量（最小为水位为1.4 m时的8.72万m3）。因此，工程后对其附近片区排涝调蓄影响较小。

6 其他影响

6.1 河道冲淤和河势稳定分析

对河涌冲淤和河势稳定分析主要通过建立二维数学模型来实现。二维模型范围主要包括有拟建跨涌桥梁的3条涌，范围小于一维模型范围；水文计算边界条件从一维模型中提取。计算结果表明，工程后各河涌整体流态依然平顺，工程流态变化仅局限于工程附近水域，且工程附近流速变化幅度有限，定型分析工程对河涌冲淤影响不大。由于各河涌整治后河岸固化，工程对河涌河势稳定影响有限。