高速公路跨潇河桥梁防洪影响的防治措施

2015-12-25董霞

山西水利科技 2015年2期

董霞

（山西省水利水电勘测设计研究院山西太原 030024）

1 工程概况

某高速公路在晋中市北合流村西南约200 m、潇河大坝上游约2.5km处跨越潇河，跨越处上距涂河汇入口约220 m，下距潇河大坝2.5km。所涉河道两岸无堤防，主槽呈“U”型断面，宽约30 m左右，深约3m，河床质为黄土夹砾石。跨越处拟建潇河大桥全长910 m，共30 跨，桥跨布置为：左幅2×（4×35）m＋2×（5×30）m＋（4×30）m＋（3×30）m＋（4×30）m，右幅2×（4×35）m＋3×（5×30）m＋（6×30）m 装配式预应力混凝土连续箱梁，桥面净宽31m，桥面设计高程810.413～817.856m，桥梁采用单排六柱式墩，桥墩直径1.5～1.6m，主槽内布置有1组桥墩，桥墩与主槽水流方向成30°夹角，该桥设计防洪标准为100年一遇。经防洪影响评价由于该桥桥墩与水流夹角30°，相应桥墩阻水比大于10%，将影响河道的安全行洪，为消除影响应采取相应的防治措施。

2 设计洪水

潇河大桥位于潇河大坝上游2.5km，控制流域面积3050 km2，与潇河大坝控制流域面积3090 km2相差1.3%，可以采用潇河大坝洪水分析成果作为桥址段设计洪水。

根据潇河大坝1957-2009年共53年洪峰流量系列，加入历史调查洪水（1913年历史洪峰流量3100 m3/s，重现期为140年），实测洪水系列中1962年洪水（洪峰流量为2403m3/s）作为特大值处理，采用P-Ⅲ型曲线[1]进行适线。通过适线求得潇河大坝设计洪水成果及统计参数见表1，其频率曲线见图1。

图1 潇河大坝频率分析曲线图

表1 潇河大坝洪水分析成果表

3 径流

按潇河大坝1957-2001年实测径流系列统计，工程区多年平均流量3.89m3/s，其中汛期6～9月份为8.27m3/s，7～10月份最大为8.47m3/s。在实测系列中，最大来水发生在1959年，年平均流量为11.2m3/s，最小来水发生在2000年，年平均流量为0.24m3/s。

4 防治措施设计

4.1 治理原则

按照大桥设计方案，主槽内布置一组桥墩，桥墩与河道夹角30°，阻水比较大，对河道过流能力有一定影响，由于改变大桥设计方案的防治措施造价太高不经济，本次提出调整局部主槽流向，对主槽进行拓宽整治，加大主槽过流能力，以减小其与桥墩的夹角，降低桥墩阻水比，减小桥梁建设对潇河防洪影响的防治措施。具体治理原则如下：

（1）整治后主槽水流方向应与北合流新桥以及潇河大桥桥墩轴线尽量一致；

（2）整治后主槽位置应尽量照顾现状主槽位置，与上下游河势平顺衔接，不改变下游的河势，此外应跟河道综合治理规划进行适当衔接，以免做重复性工作造成浪费；

（3）尽量不改变涂河入河口位置，如果无法避免，也应使其平顺衔接至潇河。

4.2 治理范围

由于潇河大桥主要影响了潇河主河槽的行洪，根据大桥行洪影响范围及整治原则，经过方案对比本工程治理范围最终确定为从潇河大桥桥址上游涂河入潇河口至龙城高速潇河大桥桥址下游640 m转弯处，岸线与原主河槽衔接，总长1000 m。

4.3 治理标准

现状河道分主槽和左右河滩。主槽两侧为树木，树木外侧左右滩地为农民种植庄稼的河滩地。治理方案可从平时小水行主槽，保护河滩地；洪水时漫滩保证大堤的安全。本次整治方案以210 m3/s作为主槽过流标准流量进行方案设计。

4.4 治理方案

4.4.1 设计方案

本次治理方案主要是在保证行洪通畅、河势稳定的基础上，根据治理原则在所确定的堤距范围内，选用三种治理方案进行比选。

方案一

1）治理范围

治理起点为北合流新桥，终点至潇河大桥下游1.5km处。

2）主槽走向

起点为北合流新桥第三孔桥孔至第五个桥孔（从榆次方向数起），主槽与桥梁轴线一致，然后以外半径R=305m的弧度向西南方向延伸，至潇河大桥14#～16#桥墩下穿过，主槽方向与桥梁轴线一致，然后以外半径R=647m向西延伸至潇河大桥下游1.5km处汇入原主槽，见图2。

方案二

1）治理范围

治理起点为北合流新桥，终点至潇河大桥下游450 m处。

2）主槽走向

起点为北合流新桥第三孔桥孔至第五个桥孔（从榆次方向数起），与方案一一致，主槽与桥梁轴线一致，然后以外半径R=226m的弧度向西南方向延伸，至潇河大桥17#～19#桥墩下穿过，主槽方向与桥梁轴线一致，然后向西延伸至距潇河大桥下游450 km处汇入原主槽，见图2。

方案三

1）治理范围

治理起点为涂河汇入口，终点至潇河大桥下游640 m处。

2）主槽走向

起点为涂河汇入口，然后以外半径R=130 m的弧度向西南方向延伸，至潇河大桥20#～22#桥墩下穿过，主槽方向与桥梁轴线一致，然后向西延伸至距潇河大桥下游640 m处汇入原主槽，见图2。

图2 设计方案布置图

4.4.2 方案选取

将上述三方案进行比选，三种方案整治后桥墩轴线与主槽水流方向均一致，阻水比均减小，但方案三开挖护砌主槽约1000 m，比方案一（开挖护砌主槽500 m）工程量小，与方案二（开挖护砌主槽约900 m）接近。此外由于原河滩均辟为耕地，以原主槽为界，耕地分属两个村，整治后方案三新占耕地约0.03km2比方案一（新占耕地约0.09km2）、方案二（新占耕地约0.05km2）新占用耕地面积小，且新主河槽与原主河槽偏离造成的土地置换面积小。方案一对涂河入口口位置变动最大，对水流影响最大，方案三稍作改动，方案二基本保持不变，若方案三对涂河入河口进行防护，维持河口稳定，对水流和洪水影响不大。整治后方案三比方案一及方案二转弯半径小，水流条件不好，但若对弯道处进行防护加固，减小水流对岸坡的冲刷，可降低转弯半径小的影响。综合考虑方案三的优点大于缺点，方案合理可行。因此本次推荐方案三。

4.4.3 整治宽度选择

由于造床流量是中水河槽整治的控制流量，是造床作用与多年枯水流量过程综合造床作用相当的某一种流量。因此本次采用造床流量确定主槽拓宽宽度。

1）汛期平均流量

汛期平均流量根据潇河大坝1957～2001年实测径流资料，通过对资料分析，发现7～10月份平均流量较大，故汛期平均流量取7～10月份平均流量计算，得出结果8.47m3/s。

2）平摊流量

水位与河漫滩相平时流量对河床塑造作用最大，称为平滩流量。平滩流量采用整治河段下游2339m至上游200 m范围内实测河道横断资料进行计算。采用一维恒定非均匀渐变流方程方法进行计算，结果为50 m3/s。

3）造床流量

造床流量是中水河槽整治的控制流量，是造床作用与多年枯水流量过程综合造床作用相当的某一种流量。它代表了在塑造河床形态过程中的主要来水、来沙因素。目前在实际工作中，一般采用下述方法计算。

涂启华公式：Q造=56.3Q0.61汛

式中：Q造——计算造床流量，m3/s；

Q汛——汛期平均流量，m3/s。

通过对潇河大坝水文资料分析，发现7～10月份平均流量较大，故汛期平均流量取7～10月份平均流量计算。

各种方法计算成果见表2。

表2 潇河潇河大坝段造床流量计算成果表单位：m3/s

4）规模确定

从以上计算结果看，汛期平均流量与平摊流量分别为8.47m3/s与50 m3/s。远小于5年一遇洪峰流量522m3/s，如果按汛期平均流量和平滩流量治理，则主槽两侧滩地将会频繁遭遇洪水淹没，从而引起左右两岸村民利益者与河道管理单位的纠纷，给河道管理造成较大的难度。按照洪水计算结果5年一遇洪峰流量522m3/s，10年一遇洪峰流量914m3/s，通过采用明渠均匀流公式初步估算，需要将现有主槽扩宽110～195m。将现状主槽宽度大幅度扩宽也将影响两侧村庄耕地，因此实施难度较大。

涂启华公式法所计算的造床流量为210 m3/s。如前所述，造床流量是中水河槽整治的控制流量，是造床作用与多年枯水流量过程综合造床作用相当的某一种流量。它代表了在塑造河床形态过程中的主要来水、来沙因素。以此流量进行河道整治，即可以保持河槽形态的稳定，避免河槽过度淤积冲刷；也可以宣泄一定标准的流量，避免左右两侧滩地遭洪水频繁侵袭，便于河道管理；同时使整治断面规模适中，利于实施。因此，选择造床流量作为整治方案的标准较为合理可行。

本工程主河槽行洪流量确定为210 m3/s，按《水利计算手册》梯形断面河槽恒定均匀流公式计算河道正常水深。

式中：Q——设计洪峰流量，210 m3/s；

b——渠道的底宽，55m；

按照国际SOLAS公约要求，船舶实施国际保安规则需要对自身的安保硬件和标识方面进行改造，2004年7月1日前建造的国际营运船舶，需要在2004年7月1日前实施。2004年7月1日之后建造的船舶，需要在船舶正式营运前按公约要求完成。

m——边坡系数，2；

i——水力坡降，0.000286；

n——河道糙率，取0.0275。

经计算，当主河槽行洪流量为210 m3/s，主河槽水深2.95m，主槽岸墙高3.0 m。

主槽拓宽55m洪水位计算成果见表3

表3 主槽拓宽55m洪水位计算成果表

4.4.4 冲刷深度计算

1）水流平行于岸坡产生的冲刷深度计算

水流平行于岸坡冲刷深度计算，采用《水利计算手册》[2]护岸冲刷按以下公式计算。

hp——冲刷处的水深，以近似设计水位最大深度代替，m；

Vcp——平均流速，m/s；

V允——河床面上允许不冲流速，m/s；

n——与防护岸坡在平面上的形状有关，一般取n=1/4。

经计算，水流平行于岸坡产生的冲刷深度为0.3m。

2）弯道冲刷深度计算

弯道水流对凹岸形成冲刷，其冲刷深度采用《水力计算手册》[2]中的与河面宽和曲率半径之比有关的系列冲刷计算公式计算。

式中：Hmax——最大冲深值，从水面算起；

Hm——计算断面平均水深；

B——河面宽；

R1——凹岸曲率半径。

经计算，弯道水流对凹岸冲刷深度为1.83～2.54m。

4.4.5 主河槽岸墙设计

主河槽岸墙基本断面形式均为土堤，防护型式采用斜坡式干砌石和根系较深的草皮护坡。稳定边坡为1∶2，岸墙高3.0 m，凹岸、桥上下游20 m及涂河入口对面的迎水面采用干砌石防护，防护厚度为0.3m，防护基础埋深1.5m。其余河段的迎水面采用根系较深的草皮护坡。背水面直接与现状滩面斜接。岸墙回填土料采用河床开挖料，或就近取用。

4.4.6 防冲设计

本工程主河槽的行洪流量为210 m3/s，经计算，洪水时堤脚冲刷深度为1.83m，冻土厚0.9m，为保证基础安全，本次基础取为1.5m。为了防止弯道凹岸段、桥梁上下游和涂河入口段河流冲刷对岸墙的破坏，对岸墙采用石笼护脚保护，堤脚防护共两层：上层宽度10 m，石笼厚500 mm；下层宽度5m，石笼厚500 mm。