跨河桥梁对河道防洪影响综合分析评价

乔连朋，郑翔龙，张德喜

(1.河南水利与环境职业学院，郑州 450000； 2.湖库水生态环境保护与修复河南省工程实验室，郑州 450000； 3.中山翠亨新区管理委员会，广东 中山 528400)

在涉河建设项目中，如果在设计阶段没有充分分析论证项目实施对河道的影响，将会在施工期与运行期对河道的安全运行产生不良影响，甚至引起一些灾害的发生[1-3]。为了保证建设项目的实施不影响河道行洪与管理，按照国家有关法律法规的规定，应对河道管理范围内的建设项目进行防洪影响评价[4-5]，并给出结论和建议，以指导建设项目的下一步设计工作。基于此，本文以实际涉河建设项目为例，分析论述了公路桥梁工程跨越河道对其防洪影响。

1 基本概况

拟建大桥轴线方向与河道主流线方向交角约75°，桥墩顺水流布置，采用100年一遇设计防洪标准。拟建桥梁全长276 m，全桥共9跨2联：4×30 m+5×30 m；上部结构采用预应力混凝土(后张)小箱梁，先简支后连续；下部结构为柱式墩，墩台采用桩基础。桥梁底板最低高程为66.068 m。拟建大桥0#和9#桥墩布置在河道两岸堤防断面内，1#桥墩布置在河道左侧滩地上，6#-8#桥墩布置在河道右侧滩地上，2#-5#桥墩布置在河槽内。桥墩采用柱式墩，墩台采用钻孔灌注桩基础，每排3根圆柱桩，桩间距为4.5～5.5 m，圆柱桩直径为1.6 m。

拟建大桥工程附近河段，除涝为5年一遇，防洪标准为20年一遇。拟建桥址交叉断面附近河段左右两岸均存在堤防，现状左岸堤顶高程为67.40 m，右岸堤顶高程约67.32 m，两岸堤顶宽均为3～4 m。河道汛期洪水较大，汛期漫滩行洪。拟建大桥工程施工期选在枯水季节，并力争在一年中可连续施工的季节将其完成。跨河桥梁施工方法采用墩台围堰法，梁部架桥机架设；桥梁墩台施工方法采用现浇施工；基础采用钻孔桩，现场灌注施工；简支箱梁采用工厂预制，架桥机架设施工。工程完成后，围堰拆除，恢复河道原断面。

2 防洪评价计算

2.1 水文分析计算

拟建大桥桥址上游约79 km处建有一座中型水库，拟建大桥桥址断面设计洪水是水库下泄流量和水库-拟建桥址断面区间相应洪水的叠加。水库相关水文设计成果见表1、表2、表3。

表1 水库设计洪水成果

表2 水库水位-库容、泄量关系

表3 不同频率洪水条件下水库进出库流量

水库-拟建大桥桥址断面区间集水面积为432.5 km2。水库以下区间为平原河道，设计洪水采用平原排涝公式计算，采用间接法，由设计暴雨通过产流、汇流进行设计洪水计算，得到各频率设计洪水。通过分析计算，水库至拟建大桥桥址断面区间不同频率洪水成果见表4。

表4 水库至拟建大桥桥址断面区间洪水计算成果

拟建桥址断面处不同频率设计洪水成果应考虑水库调蓄后下泄洪水与水库至大桥桥址断面区间洪水演进的综合影响。河道洪水演进计算采用马斯京根法，经计算，拟建大桥桥址断面不同频率洪水成果见表5。

表5 拟建大桥桥址断面设计洪峰流量成果表

拟建大桥桥址断面施工期采用5年一遇洪水设计流量，即为12 m3/s。根据施工期洪峰流量成果、河道特性和资料情况，采用明渠均匀流法求得相应的施工期洪水位为60.86 m。

2.2 壅水分析计算

本文壅水计算采用《铁路工程水文勘测设计规范(TB10017-1999)》推荐的公式[6]，公式如下：

1) 桥前最大壅水高度公式。公式如下：

式中：ΔZm为最大壅水高度，m；η为系数；v为断面平均流速，为设计流量被全河过水断面(包括边滩和河滩)除得之商，m/s；vM为桥下平均流速，m/s。

2) 壅长计算公式。公式如下：

式中：Ly为壅水曲线全长，m；I0为桥址河段天然水面坡度。

3) 桥下净空高度公式。公式如下：

H梁=H设+Δh

式中：H梁为梁底高程，m；H设为桥下设计洪水位，m；Δh为根据河流具体情况，分别考虑桥下壅水、浪高、局部股流涌高、河床淤积等影响确定。

根据拟建大桥桥梁的阻水情况，桥址断面η值取为 0.07。经计算，拟建大桥桥址断面壅水计算成果见表6。

表6 拟建大桥交叉断面壅水成果表

注：20年一遇及以上频率洪水属于超标准洪水，洪水已漫堤行洪，洪水漫堤后河道水位迅速下降，洪水位最高与河道堤顶高程齐平，因此20年一遇及以上频率洪水水位取为右侧堤顶高程67.32 m。

根据大桥桥跨布置情况及水力计算结果，桥梁底板设计高程偏低，设计单位须抬高桥梁底板高程，使桥梁底板高程高于河道规划治理后堤顶高程。河道规划治理堤顶高程为防洪标准设计水位加超高1.5 m。抬高桥梁底板高程后，不同频率洪水条件下拟建大桥桥址断面壅水计算成果见表7。

表7 拟建大桥交叉断面壅水成果表(抬高桥梁底板高程后)

2.3 冲刷分析计算

根据桥址断面河道土质情况，本文采用《铁路工程水文勘测设计规范》(TB10017-1999)中推荐的黏性土计算公式，进行冲刷深度计算。

2.3.1 一般冲刷计算

1) 河槽部分。公式如下：

2) 河滩部分。公式如下：

式中：A为单宽流量集中系数,A=1.0～1.2；IL为冲刷范围内黏性土样的液性系数，IL=0.16～1.19；其余符号意义同前。

2.3.2 局部冲刷计算

公式如下：

式中：IL为冲刷范围内黏性土样的液性系数，IL=0.16～1.48；其余符号意义同前。

经计算，拟建大桥与河道交叉断面处冲刷深度见表8。拟建桥址断面100年一遇洪水条件下总冲刷深度河槽与滩地分别为1.266和0.475 m。

表8 拟建桥址断面不同频率下冲刷计算成果

3 防洪影响综合分析评价

3.1 建设项目对河道泄洪影响分析

拟建桥梁低于河道现有防洪标准，桥墩与箱梁部分将会壅高水位，设计洪水下壅高水位为0.088 m，壅长为1 390.4 m，对河道行洪影响明显，设计单位须抬高桥梁底板高程，抬高后最低点高程不低于68.82 m(充分考虑了该河道后期治理堤顶抬高要求)。抬高桥梁底板高程后，设计洪水条件下，水位最大壅高0.010 m，壅长为159 m，对河道行洪影响较小。

根据施工洪水计算，河道非汛期5年一遇洪峰流量为12 m3/s，非汛期洪峰流量远小于除涝流量，洪水不出槽，主槽内桥墩采用钢板桩围堰施工，施工期影响过流面积很小；滩地上的桥墩采用草袋围堰施工，因此施工期基本不影响河道泄洪。

3.2 拟建大桥工程对河势稳定的影响分析

大桥在非汛期施工，主槽及滩地桥墩施工对河势影响较小。

拟建大桥对河道流速改变仅在桥位附近，其影响只在工程附近区域，整体流场变化较小。工程建成后，主桥墩之间的水流流速有所增加，水流挟沙能力相应增大，对河床造成一定冲刷；边孔的水流流速减小，水流挟沙能力下降，边孔河床产生一定的淤积，但其冲淤变幅不大，因此建桥工程对河道河势稳定有一定影响。另外，桥梁建成后，由于一般冲刷和局部冲刷的作用，对左右侧滩地及岸坡将造成一定程度冲刷，对桥址附近岸坡的稳定会产生一定的不利影响。

3.3 拟建大桥工程对防护工程的影响分析

拟建工程桥面排水孔布置应充分考虑排水对堤防的影响，避免桥面排水冲刷、浸泡堤防等，如有影响须重新设计桥面排水设施的布置，确保桥面排水不影响堤防安全。工程建成后，桥位上游附近流速减小，流向基本没有变化，对堤防冲刷影响较小。在桥位下游附近，近岸流速有所增大，在河岸地质情况薄弱的地段，应加强河道护岸。桥梁施工过程中，尽量避免对河岸的影响，如有影响应注意河堤堤脚的保护，确保河堤河岸线的稳定，将行洪影响降低到最小程度。拟建大桥0#和9#桥墩布置在河道两岸堤防断面内，桥梁设计对河道规划治理工程的实施、两岸堤防渗透与稳定等将产生较大影响。

3.4 拟建大桥工程对防汛抢险的影响分析

拟建大桥须结合河道规划治理要求按照堤防设计规范，在桥址断面河道两岸的上下游背水侧修建绕行辅道，用于连接桥位处上下游堤顶防汛道路，从而满足河道防汛抢险与维修等需要。拟建工程及其附属设施的布置不能够影响防汛抢险与维修通道，其布置与防汛抢险、维修交通的设置及相互配合需与水利主管部门协调解决。

河道堤岸的安危关系到沿岸人民的生命财产，防汛仍是一项十分重要的任务。因此，防汛期间，首先要组织好人员对河道水情和堤防状况进行实时观测，对沿岸居民安全和财产有威胁的洪水，要及时通过电台、电视台、长鸣警报等现代通讯手段告知相关人员采取防范措施。其次，要充分做好抢险组织，要对防洪工程险情做好抢险的各种人、财、物的准备，要实行岗位责任制，分段落实抢险任务。对被破坏的堤防和泄洪设施进行及时维修和加固。此外，本次工程施工期间由于施工物料及土石方随意堆放易将阻碍防洪通道(路面、河道)，为此还应做好防洪避险措施。

4 结论与建议

4.1 结 论

1) 拟建大桥与河流成75°角布置，桥址处河道比较顺直。大桥建成后，河道两岸顺岸流速有所增大，将引起一定的冲刷，故对河道演变规律、发展趋势及河势稳定性有一定影响。

2) 根据拟建大桥原设计方案，计算得知形成水位壅高较大，壅长较长，影响河道行洪，桥梁底板高程设置偏低。

3) 大桥0#和9#桥墩布置在河道两岸堤防断面内，桥梁设计对河道规划治理工程的实施、两岸堤防渗透与稳定产生较大的影响。拟建桥梁桥面排水孔布置尚不明确，桥面排水对堤防冲刷、浸泡等影响尚不能定论。

4) 拟建大桥桥墩施工安排在非汛期完成，对河道行洪影响较小。

5) 拟建工程及其附属设施的布置应充分考虑对防汛抢险与维修通道等的影响。目前，设计方案中尚未设置在桥址断面河道两岸的上下游背水侧绕行辅道。

6) 拟建大桥底板抬高后，引起上游水位壅高的影响程度及范围较小，对其它水利设施的影响不大。

4.2 建 议

根据上述分析计算，并结合工程实际情况提出如下建议：

1) 桥梁设计底板高程偏低，须抬高桥梁底板高程，使之最低点高程不低于68.82 m。

2) 跨河桥梁工程施工前，建设单位应首先征得当地河道主管部门的同意，并把施工方案提交河道主管部门审批。在施工方案中，应增加防洪及河道管理方面的有关内容，项目设计单位需对拟建大桥的防汛抢险通道进行相关设计。

3) 对于桥位河段两岸堤防以及防洪排涝设施存在的隐患及时监控、消除和维护；设计阶段进一步完善桥梁排水措施，建议采用分散排水方式。

4) 在工程建设时，必须严格监控施工废渣的弃卸，禁止非法倾倒于河道附近，以免增大行洪影响而危及两岸岸坡稳定和堤防安全。

5) 施工场地布置如生活区、施工区、料场、施工临时道路等应充分考虑对防洪抢险造成影响；汛期不在河道内堆放阻水设施；施工中禁止将工程弃渣排入河道；工程施工结束后尽快恢复河道原貌。

6) 拟建大桥0#桥墩与9#桥墩对河道规划治理工程的实施、两岸堤防渗透与稳定等产生影响较大，因此建议调整相应桥墩位置；如桥墩位置无法调整，为避免桥墩施工产生渗流通道，防止发生渗水、管涌等险情，须在施工时进行防渗处理。建议采取土工合成材料进行防渗处理，即在上述桥墩上下游各50 m范围内临河侧堤坡(10 m)与滩地(10 m)铺设防渗土工合成材料；同时应在工程施工及运行期加强观测，落实险情抢护措施。

7) 由于建桥后对天然水流的挤压，引起水流对岸坡的冲刷，将在一定程度上影响到桥位上下游岸坡的稳定和安全。因此，对桥位上下游两岸岸坡采取衬砌等防洪补救措施，确保河道的行洪能力，衬砌范围为桥位上游50 m，桥位下游150 m，具体措施应进行专项设计。