北洺河大桥桥墩布设对河道防洪安全的影响

2020-06-06路明,姜锋

科学技术与工程 2020年12期

路明,姜锋

(河北工程大学水利水电学院，邯郸 056001)

随着中国经济社会的快速发展，公路建设速度也在不断加快，公路与河流交叉现象广泛存在。在众多实际工程中，桥梁与河道正交及直线斜交较为常见，很多学者对正交及直线斜交桥梁开展了深入全面的数值模拟及物理试验研究。王开等[1]结合水工模型试验资料对桥墩壅水计算方法进行了比较，得出D’Aubuisson公式、Yarnell公式、Henderson公式、无坎宽顶堰公式的适用条件。张大茹等[2]利用MIKE21HD建立数值模型，开展了不同等级桥梁对山区河流防洪安全影响的研究。严建科等[3]通过定床水槽试验对桥墩轴向与水流不同夹角时流速分布特性研究，得出多排桥墩相互影响，下游桥墩水流结构受邻近、剪切和尾流三类机制干扰的结论。赵苏磊等[4]、陈雄波等[5]通过数值模型的方法对多组桥梁和桥群进行动力学分析，结果表明多组桥墩压缩过流断面，流速加大，水面横比降明显增大。在河床冲刷方面。赵嘉恒等[6]对复杂边界条件下斜交桥通过物理模型进行研究，利用折减系数对一般局部冲深对应水深进行拟合，得到了只有表面流速和水深情况下弯道斜交桥一般冲刷深度公式。田勇等[7]利用物理模型研究斜交桥局部冲刷坑形态，当单宽流量为10 m2/s，斜交角度为15°以上时桥墩出现共轭冲刷坑，而且水流强度较大时规范计算公式小于试验值。武永新等[8]、谈广鸣等[9]分别通过数值模型和物理模型对斜交桥斜交角度对水流偏转作用、过流能力和桥墩布置对下游河床冲刷演变的影响进行了研究。李彬等[10]通过MIKE21软件，研究了桥墩布置形式对桥墩局部流场的影响，结果表明圆柱桥墩非顺水流布置时对桥墩周围局部水流流态影响较大，桥墩应尽可能顺水流布置。韩露等[11]对明渠单圆柱阻流特性规律进行水工模型研究，确立了桥墩影响范围。王玲玲等[12]对平原河道桥墩阻水比与壅水特性进行了研究，建议大中型桥梁阻水比不大于7%为宜。许栋等[13]对河道斜交桥壅水特性开展研究，总结了其壅水规律，同时指出，斜交桥对水流的偏导作用造成了两岸流速分布不均匀。肖洋等[14]运用超声波地形仪对桥墩冲刷动态过程进行了观测，总结了桥墩局部冲坑发展过程。

由于曲线桥梁斜穿弯道河流在实际中较为少见，因此前人研究大多集中在桥梁直线布设条件下与河流正交、斜交方面。拟建北洺河大桥与弯道河流曲线斜交，一方面，所在北洺河河段为大角度弯道，在重力及受离心惯性力的双重作用下作用，产生螺旋流并形成横向水面超高[15]；另一方面，受地形条件限制，交叉段桥梁中心线为弧线，桥墩与河流最大交会角达21°。弧形布置桥梁、扇形布设桥墩及大角度弯道河流，使得水流条件更为复杂，工程建设对该河段防洪工程安全造成重要不利影响。为此，以该工程为研究对象，建立正态河工物理模型，开展试验研究，验证该桥梁现状布设对该弯道河段防洪安全及水流形态的影响，提出优化方案，以期为工程实际提供指导。

1 工程概况

北洺河发源于太行山，全长59 km，流域面积516 km2。流域内多年平均降水量为591.1 mm，降雨量年际变化较大，最枯年份降水量仅为289.1 mm (1986年)，最大丰水年(1963年)降雨量为1 472 mm。年内分布极不均匀，年内降雨主要集中于6—9月，约占全年降水量的74.3%。

拟建北洺河大桥位于北洺河武安市北，北接邢峰公路，南接S312省道。大桥全长367 m，跨径3×40 m+3×40 m+3×40 m。1号桥墩组到7号桥墩组呈扇形状位于河道内，每组由四个圆柱桥墩组成，单根桥墩直径1.8 m，桥梁整体呈弧线布置。桥面全宽26 m，设计时速80 km/h，桥面纵坡-0.50%，为一级公路。原设计方案1号～7号桥墩组与水流交角如表1所示。

表1 桥墩与水流夹角Table 1 Clockwise angle between each group of piers and flow direction

拟建桥梁段左岸为武安市重点采矿区，右岸为多家大型企业。两岸护坡为浆砌石或混凝土形式，护脚基础埋深为2 m，河道内受人工整治后河床较为平整。该段北洺河河道防洪标准为50 a一遇，北洺河大桥设计标准为100 a一遇。50 a一遇洪峰流量为1 834 m3/s，100 a一遇洪峰流量为2 327 m3/s。

2 模型试验

2.1 模型比尺

根据《河工(常规)模型试验规程》(SL99—2012)，模型满足重力相似准则条件下的几何相似，水流运动相似和动力相似。

长度比尺：

Lr=Lp/Lm

(1)

时间比尺：

Tr=Tp/Tm

(2)

流量比尺：

(3)

流速比尺：

(4)

糙率比尺：

(5)

水流含沙量及水流挟沙力比尺：

Sr=S*r

(6)

式中：L为特征长度；r、p、m分别为比尺、原型、模型标识的相关物理量；T为时间，h；Q为流量，m3/s；V为流速，m/s；n为糙率；Sr为水流含沙量比尺；S*r为水流挟沙力比尺。

综合试验场地、水流条件以及上述比尺关系，拟定主要比尺如表2所示。

表2 模型比尺及主要参数Table 2 The scales and parameters of test

续表2

参数相似条件比尺原型参数模型参数时间Tr=L0.5r17.7572/h9.29/h流量Qr=L2.5r127 885——糙率nr=L1/6r11.980.0350.018中值粒径dr=Lr16033/mm5/mm

2.2 模型沙选取

模型试验中考虑河床冲刷问题时，在重力相似准则下，泥沙起动流速参考窦国仁[16]、张瑞瑾[17]的泥沙起动理论，考虑泥沙内部渗透作用对泥沙起动流速影响[18]，以及闫红杰等[19]的研究成果，并结合工程实际对模型沙进行选择和适配。模型动床部分模型沙与原型河道沙的粒径比尺按式(7)计算：

(7)

式(7)中：γ为水容重，kN/m3；γm为原型沙容重，kN/m3；γp为模型沙容重，kN/m3；dr为泥沙粒径比尺。

为了确定原型河道的泥沙粒径，在原型河道中取样筛分，筛分结果如表3所示。动床模型部分模型沙采用天然河沙选配，颗分试验结果如表4所示。

根据筛分结果以及相关资料确定原型河道的河沙中值粒径为33 mm，模型沙中值粒径为0.5 mm。

表3 北洺河河床质颗粒级配Table 3 Bed material particle distribution of Beiming river

表4 模型沙颗粒级配Table 4 Particle size distribution of model sand

根据泥沙起动相似要求，各级粒径占比上模型与原型河道泥沙粒粒径比值接近比尺，模型沙选取满足试验要求。

2.3 模型布置与设计

试验范围自桩号17+100～18+800 m，其中17+100～18+100 m为定床模型，18+100～18+800 m为动床模型(图1)。

图1 模型范围图Fig.1 Boundary diagram of physical model

定床部分采用混凝土铁丝网加糙，动床部分铺设模型沙。在17+200、17+500、18+000、18+7 00 m安装四组测针，用于模型糙率及水位验证。桥墩位置由左岸18+500 m起弧线布置，跨越河流到右岸18+300 m段，模型布置及各桥墩与水流夹角分别如图2、表1所示。测量数据布点：18+200～18+700 m布设22个断面，断面间距40 cm，同一断面布设测点，测点间距10 cm，桥墩附近范围内适当加密。

图2 模型平面布置Fig.2 Layout of model

2.4 试验工况

试验工况分为三组：①无桥墩；②原方案(表1)；③优化方案，即7号桥墩组调整为与水流方向夹角为9.9°，同时对右岸18+248～18+464 m河床底部铺设宾格石笼防护，防护区宽36 m。根据水文资料和相关规范，对洪水过程、历时和含沙量进行模拟。

3 结果与分析

3.1 水位与流量

3.1.1 右岸水位

北洺河大桥所在河段堤防防洪标准为50 a一遇。50 a一遇洪水堤顶超高试验结果如图3所示。

图3 50 a一遇洪水堤顶超高Fig.3 Levee freeboard of 50-year frequency flood

依据《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013)，考虑波浪爬高、风浪壅高及安全加高的堤顶超高为0.84 m。由图3可知，受原方案扇形大角度桥墩布设的影响，水流向右岸产生折冲，流量越大折冲现象明显。50 a一遇工况下右岸局部水位最大壅高0.48 m，18+632 m断面堤顶超高仅0.75 m，防洪不安全。优化方案减少了桥墩对水流的折冲作用，右岸堤顶最小超高0.87 m，满足防洪要求。

3.1.2 桥后典型断面过流比

桥后典型断面18+512 m处各工况桥墩之间过流比如图4所示。建桥前原河道过流比由左岸至右岸依次为1:1:2.7:4.3:7.5，建桥后过流比为1:1.25:4:8.75:10。试验表明，建桥后水流受扇形布置桥墩的导流作用，流量偏向右岸更为集中。偏于右岸的集中水流不仅降低了河道过流能力，而且壅高了堤防处水位，同时加大了河堤底部河床的冲刷深度，对河道防洪安全极不利。优化方案下，过流比为1:0.67:1.47:2.13:1.4，河道过流比较原方案更为有利。

p为洪峰流量出现的累计频率图4 原方案18+512 m断面不同洪水重现期过流量分布Fig.4 Distribution in different flood reproduction periods at 18+512 m section of the original scheme

3.2 河床冲刷

3.2.1 影响范围及敏感性

桥墩改变了水流结构影响了河床的原有变化规律，分析原方案和无桥墩布置两种工况下河道冲刷深度相关试验数据，得到桥墩对河床的最大影响距离为264 m。

统计有无桥墩两种条件下各断面冲淤变化，并计算差值的均值与方差，分析桥梁对下游河道不同断面的影响程度。各断面均值、方差按式(8)～式(10)计算。

(8)

Δhij=|(hij-h1ij)-(hij-h0ij)|

(9)

(10)

式中：i为测量断面；j为测点；n为测点个数，n=36；hij为第i断面第j测点试验前初始高程，m；h0ij为无桥墩布置时第i断面第j测点试验后地面高程，m；h1ij为有桥墩布置时第i断面第j测点试验后地面高程，m；Ei(Δh)为第i断面两种不同条件下冲刷深度差值的均值，m；Si为第i断面两种不同条件下冲刷深度差值的方差。

在最大流量Q=2 327 m3/s时，原方案上游桥墩对下游的影响度分布如图5所示，不同洪水重现期桥墩对下游河床影响最值如表5所示。

由图5、表5可知，桥墩布置对河床变形产生了较大的影响，最大影响断面为桥墩所处的8断面，影响程度向下游逐渐减小，至下游264 m处桥墩扰动基本消失。

图5 最大流量时桥墩对河床冲淤的影响Fig.5 Influence of bridge pier on scouring and silting of riverbed at max discharge

表5 原方案桥墩对下游河床冲淤影响Table 5 Influence of bridge pier on scouring and silting of downstream riverbed of original design

图7 50 a一遇洪水冲刷结果地形Fig.7 Results of topographic 50-year frequency

3.2.2 右岸局部冲刷

桥墩布置对河床平均冲深和最大冲深影响较小，主要是在过境洪水水流挟沙力达到饱和河床冲刷演变趋于稳定，但是桥墩布置改变了下游河床冲刷分布，使局部最大冲深位置偏向右岸并向下游移动。在调整7号桥墩为顺水流方向并加强防护后，右岸河床平均冲刷深度明显减少。

原方案与优化方案右岸河床局部冲刷深度如表6所示。

表6 右岸河床平均冲深与最大冲深Table 6 Average and Max scouring depth of right riverbed

原方案，右岸局部最大深度在桥墩下游192 m处，50 a一遇和100 a一遇时最大冲深分别达到3.48 m和3.54 m，超过右岸河堤基础埋深，不利于堤防稳定。优化方案工况下，50 a一遇洪水冲刷深度为1.68 m，小于基础埋深2.0 m，满足河段防洪要求。50 a一遇设计洪水工况下不同方案典型河段冲刷试验结果如图6所示。

图6 50 a一遇洪水不同方案下冲刷结果Fig.6 Scouring results under different project of 50-year frequency flood

3.2.3 河床整体冲淤变化

在多组桥墩对水流扰动的综合作用下，河床形态发生较大变化。试验段河段整治标准50 a一遇河床冲淤变化结果如图7所示。

图7(a)无桥时，水流对河床凹岸冲刷，凸岸淤积，与弯道河流特点吻合。原设计方案中，呈扇形布设的多组桥墩引起桥梁下游右岸局部冲刷面积扩大[图7(b)]。而在优化方案下，7号桥墩与水流方向夹角减小并结合局部防护，减缓了右岸河床变形，主河槽大体偏移于河道中间[图7(c)]。试验结果表明，优化方案调整主流使之趋于河道中心，河床右侧的宾格石笼对河床起到了很好的保护作用。

3.3 水流流态

建桥后，7号桥墩与水流方向夹角最大为21°，受扇形布设桥墩组合影响，主流更加趋于集中，边墩与右岸河堤之间水流流速加大，紊动剧烈，下游主河槽偏向右岸，不利于岸坡稳定[图8(a)]。根据工程实践及试验结果，沿堤平顺流更利于工程安全[20]。增设防护区并调整7号桥墩与水流夹角为9.9°，主河槽调整至河道中部位置，河流流态分布均匀，桥墩与边坡之间过流趋于平顺。7号桥墩与岸堤之间水流流态平缓，折冲作用减弱[图8(b)]。