大连庄河建设大桥防洪影响评价研究

(庄河市林业水利服务中心，辽宁 庄河 116400)

河道水文情势势必会受到建筑工程的影响，主要体现在桥墩上游和下游区域，可形成圆形的局部壅水和带状的减速区域，因此桥墩处会因较高的水流速度而产生挑流作用，从而增加了桥墩下游两岸的流速[1]。跨海、跨河、跨高山河谷等一大批桥梁工程随着国民经济的不断发展，在全国各地得到规划兴建并已成为保证经济增长的基础性设施，为了保障河道与桥梁的长期安全运营，有必要对其防洪影响开展深入研究[2-3]。跨河桥梁防洪评价经过长期的研究发展，已逐渐形成了较为系统完善的防治措施和评价体系，通常情况下可根据合理的防洪标准和水文数据资料，计算分析桥梁的冲淤和壅水，从而确定防洪影响程度[4-6]。经验公式算法通常是河道桥梁防洪影响分析的常用方法，而物理模型试验或数学模型法往往是计算河道防洪影响较大的壅水范围与高度的方法。物理模型是一种投入资金大、模拟周期长较为直观的方法，在实际工程应用中具有一定的局限性。数学模型法随着计算机技术的不断发展逐渐引起人们的关注，并在桥梁防洪影响分析中得到广泛的应用。

据此，本文深入探讨了防洪影响评价内容、指标以及计算方法，并在此基础上以大连庄河建设大桥为例，验证了评价体系与计算方法的合理性与实用性[4]，以期为促进跨河桥梁建设管理提供一定参考依据。

1 确定防洪影响评价指标

1.1 评价内容

部分河道被临时工程与桥梁桥墩的修建侵占，可使得河道过水断面收窄，水流受到桥孔的挤压作用提升了桥梁上游区域的壅水高度，并改变了河流的水位与洪水特征。在发生洪水时，河道过水断面的缩窄可加大河道流速，桥孔上下游床面的泥沙被经过桥孔的水流冲走，从而对床面产生冲刷作用并使得桥墩、桥台前缘附近出现绕流现象，显著改变了水流的流向与速度，引起较大的床面切力与折冲水流和涡旋[5]。长期的冲刷作用会在局部产生冲刷坑，对桥梁的稳定与安全构成潜在的威胁。因此，对跨河桥梁的防洪影响评价主要包括河道水流对桥梁安全以及桥梁建设本身对河道行洪两个方面的影响作用。

1.2 评价指标

根据已有研究与防洪影响具体内容，可分别从以下几个方面选择评价指标：以相关规范规定和规划标准为依据，判定桥梁设计洪水是否满足标准要求；对桥墩布置、桥梁长度与河道水文情势的合理性进行判断[6]；判断梁底高程是否满足允许最低要求，按照规范超高与行洪要求计算壅水曲线长度与高度；桥梁修建是否引起桥墩与堤岸的冲刷，能否改变河道行洪方向与局部流速状况；其他指标，如跨河桥梁防护措施是否科学，建设施工与工期对防汛抢险工作是否造成影响等。

2 计算分析

2.1 设计洪水计算

对设计洪水的计算应充分利用历史洪水调查资料与实测流量数据，通常采用的方法有当地《水文手册》经验公式法以及频率分析法等。如果没有河道治理规划的河段设计洪水，可根据相关河道实测断面状况、土壤类型、地形特征、流域状况以及植被生长等状况，利用最新的水文资料进行不同设计标准洪水的推导[7]。

2.2 河道水力计算

为满足天然河道行洪条件，非均匀更定水流法通过将行洪滩地与主河槽相结合，系统反映滩地与主河槽的分流情况，推求水面线法为较为常用的水力计算方法。能量守恒理论为水面曲线法的主要依据，在天然河道中其表达式为

(1)

式中v上、Z上——上游断面流速与水位,m；

v下、Z下——下游断面流速与水位,m/s、m；

Q、ΔS——设计流量与断面流段长度,m3/s、m；

K、α、ξ——流量模数、动能修正系数与局部损失系数。

度量河道水流阻力的重要参数为河道糙率，该参数是影响河道泄洪能力预测、水库回水末端位置和蓄水高度模拟、各种泥沙冲淤和水力计算等方面的关键参数[8]。选择最下游水位作为起始水位推求河段断面的设计流量并选取滩地与河槽的计算糙率，然后利用逐断面试算法根据河槽类型、水位等资料向上游进行逐断面推算。

2.3 壅水与冲刷计算

壅水高度可根据《公路桥涵设计手册》推荐的经验公式以及河道边界条件计算，计算公式为

(2)

式中 Δz——最大壅水高度,m;

η——根据阻断流量确定的计算系数(一般为0.05～0.15)；

已有研究和相关资料给出了多个河道一般冲刷深度计算方法，本文综合考虑桥梁建设实际状况和有关规范，采用设计规范推荐使用的局部冲刷与一般冲刷计算公式[9]，具体如下：

(3)

(4)

(5)

式中Q2、Bcj——通过桥下河槽部分的设计流量与河槽宽度，m3/s、m；

μ、E——侧向压缩系数和含沙量相关系数；

hcm、hcq——河槽最大水深与平均水深，m；

hb、Kξ——桥墩局部冲刷深度与墩形系数；

B1、hp——桥墩计算宽度与一般冲刷最大水深，m；

Kη2、n2——河床颗粒影响系数与相关指数；

2.4 允许最低梁底高程

河道的桥梁防洪评价不仅仅是冲刷、壅水计算，更重要的是对桥梁梁底最小高程和河道水位进行对比分析。一般情况下，大多数河道没有航运通行的要求，对梁底最低允许高程可根据水利相关规定与公路工程设计规范确定，综合考虑河道下游具体情况以及河道两岸现状确定山区河道的最低允许梁底高程，不考虑通航要求的梁底高程按下式确定：

Hmin=Hp+∑Δh+Δhj

(6)

式中Hmin、Hp——梁底最低高程与设计水位；

Δhj、∑Δh——桥下净空高度安全值与综合考虑浪高、壅水、漂浮物高度、床面淤高、河弯超高水拱等河流具体情况总和之值，m。

2.5 堤防抗滑稳定分析

对于2级堤防抗滑移系数根据《堤防工程设计规范》要求不得小于1.25，特殊情况下不得小于1.15；对于4级堤防不得小于1.15，非常情况下不得小于1.05。在100年一遇洪水设计标准下，对堤防抗滑移稳定性安全系数利用不同模型进行计算，如图1所示。由图1可知，堤防抗滑移安全系数在三种模型下的计算结果均不小于1.4，远远高于规范设计标准值，并且各模型计算结果相差不大，由此表明在安全可靠方面该堤防工程具有较高的可行性与科学性。

图1 不同模型的堤防抗滑移安全系数

3 实例应用

3.1 工程概况

大连庄河建设大桥是庄河市重要的城市主干道，采取双向4车道机动车道，道路主干路为1级，桥梁中央分隔带4.50m，两端分别为2.25m人行道+8.50m机动车道+1.30m索区，总宽28.60m。桥梁轴线与桥台夹角为56°，全长260m，其中跨经38.40m+183.20m+38.40m。桥梁体系为半漂浮式，跨中采用的自锚体系可显著缩短工期和降低工程投入。自锚式斜拉悬索协作体系为大桥结构设计体系，其中主梁设计为1.50%双向横坡，梁宽28.60m。依据桥梁实际状况，对大连庄河建设大桥防洪影响，利用上述评价体系与计算方法进行综合评价[10]。

3.2 桥梁防洪影响计算

由于规划治理标准没有对大连庄河提出具体要求，因此对设计供水计算可按照桥梁设计标准复核，利用当地《水文手册》经验公式对桥梁上游一定范围内100年一遇洪峰流量进行计算，结果为752m3/s，从而确定河流过桥流量。根据文中式(1)和水面线推求方法，计算出大连庄河建设大桥桥址处水位在100年一遇洪峰流量752m3/s时为92.46m。然后根据式(2)与河道过水断面面积在建设大桥前后的变化，确定水位壅水高度为0.88m，进而确定壅水长度为93m。依据设计院提供的地质勘探资料，确定桥址处河道地质状况，河道平均流速在大桥建设前后改变了1.35m/s，由此可利用上述公式确定冲刷坑深度为3.86m；根据河道水流实际状况和上述计算结果选择0.50m为桥梁安全超高，然后利用式(5)可得到梁底允许最低高程为93.87m。通过计算成果分析，设计的桥梁梁底高程高于对应桥位的100年一遇防洪标准要求的桥梁梁底高程，也就是说该桥梁的100年一遇防洪标准的设计桥梁高程满足河道行洪要求[11-12]。

3.3 结果分析

根据庄河建设大桥桥型与路线布置图，河道水流方向与大连庄河建设大桥布置走向成56°夹角，为减少桥梁建设对行洪的影响范围可采用与水流方向相平行的桥墩布置方式，不仅保证了桥梁程度满足河道行洪要求，而且不会对河流水势整体产生较大的影响[13]。

结合梁底最低允许高程与河道水力计算结果，大连庄河建设大桥桥址处水位在100年一遇洪峰流量752m3/s时为92.46m，低于梁底允许最大高程的93.87m，根据桥梁设计资料和工程验收资料桥梁底高程为100.20m，梁底超高为6.33m。由此表明，桥梁的高程与布设虽然受到地形条件与河道水势的影响，但是在100年一遇洪峰流量下梁底高程仍大于最低允许值并满足河道行洪要求。对桥墩间的水流流态特征可根据计算流场分析，结果显示横向水流速度在桥墩上游局部区域发生了显著的改变，桥梁工程的修建增大了桥墩间区域的水流速度；桥墩具有一定的阻流作用，从而形成水流的绕流运动，但是在主槽区扰流作用很快消失并与以往形式保持不变，水流在桥墩的阻流作用下更加平缓，由此可说明河道主槽区流速受桥梁修建工程的影响较低。整体来看，相对于河道桥墩具有较小的尺寸，河道主流并未因设计流量出现大范围的不良流态，且未改变水流的主方向，由此可认为桥梁工程的修建对河道的影响仅仅是局部性的小范围影响。

平行于河道水流方向的桥墩布置方式使得大连庄河建设大桥不会对河道流势产生较大的影响作用。根据冲刷计算结果，桥下水流速度由于桥墩收窄过水断面而增大，使得建设大桥后流速增大1.35m/s，相应的冲刷坑深度可达到3.86m，因此该工程建设对河床冲刷产生的影响较为明显，为保证两岸防洪安全应加强对河床的保护。

3.4 防治补救措施

根据以上计算分析与评价，大连庄河建设大桥梁底高程满足最低允许值要求，并且桥梁布置形式较为合理，能够满足河道要求，河道防洪受桥梁建设的影响作用较低。跨河桥梁建设在一定程度上加大了断面水流速度，并且河道两岸受行洪河道冲刷作用增大。为保证河道两岸村庄安全以及公路桥梁的安全运行，相关部门应采取有效措施防护桥址处河岸，加强桥位上游河岸的防护和桥梁引道工程建设[14]。

充分利用汛情预报系统以及水文资料，并综合考虑汛期施工实际状况，尽可能降低工程建设对正常行洪的影响作用，同时避免因不当的施工安排造成的施工设备与项目建设的不必要损失。跨河桥梁建设完成后，应及时清除临时建筑物并拆除挡水围堰，对滩地断面以及原河床造成破坏与影响的区域，采取相应的修复措施，保证全部施工弃料的清除以防止影响河道的通畅。

4 结 论

本文深入探讨了防洪影响评价内容、指标以及计算方法，并在此基础上以大连庄河建设大桥为例，分别从设计洪水、河道水力、壅水高度、河床冲刷以及梁底最低允许高度等方面综合评价了防洪影响，得出如下结论：水流方向与大连庄河建设大桥布置走向成56°夹角，为减少桥梁建设对行洪的影响范围可采用平行的桥墩布置方式，不仅保证了桥梁程度满足河道行洪要求，而且不会对河流水势整体产生较大的影响；大连庄河建设大桥桥址处水位在100年一遇洪峰流量752m3/s时为92.46m，低于梁底允许最大高程的93.87m，桥梁的高程与布设虽然受到地形条件与河道水势的影响，但是在100年一遇洪峰流量下梁底高程仍大于最低允许值并满足河道行洪要求；为保证河道两岸村庄安全以及公路桥梁的安全运行，相关部门应采取有效措施防护桥址处河岸，加强桥位上游河岸的防护和桥梁引道工程建设。