跨河桥梁工程防洪评价关键技术框架与应用

王鹏全，吴元梅

(1.青海民族大学土木与交通工程学院，西宁 810007；2.青海省水利水电科学研究院有限公司，西宁 810001；3.青海省流域水循环与生态重点试验室，西宁 810001)

0 引 言

洪水灾害是我国最频繁的自然灾害之一。“自然-社会”二元水循环模式下，人类活动成为洪水致灾的主要因素。随着经济社会的发展，越来越多的非防洪建设项目在河道管理范围内修建，人水争地导致行洪断面压缩束窄，蓄滞洪区萎缩，流态改变，这不仅影响工程本身安全，而且可能损害河道管理范围内已建成的防洪工程体系，显然与时下“洪水管理”的理念相违背[1,2]。为避免或降低建设项目对防洪的影响和洪水对建设项目的影响，《河道管理范围内建设项目管理的有关规定》要求“建设单位编制立项文件时必须按照河道管理权限，向河道主管机关提出申请，并提供防洪评价报告，经河道主管机关审查同意后，方可开工建设”。因此，为了规范河道管理范围(包括蓄洪区和滞洪区)内所有涉水项目防洪评价报告编制工作，2004年水利部制定了《河道管理范围内建设项目防洪评价报告编制导则(试行)》(办建管[2004]109号)[3]；为进一步适应洪泛区、蓄滞洪区内非防洪建设项目洪水影响评价及其报告编制工作，2014年水利部制定了《洪水影响评价报告编制导则》(SL520-2014)。

近年来随着我国基础建设能力的增强和物流运输业的持续发展，跨河桥梁逐渐成为公路渡河的重要建筑物。然而国内因洪水发生的交通断道和安全事故时有报道，因此通过建立完善的防洪评价制度，研究桥梁建设对河道行洪的影响以及河道水流对桥梁安全的影响，在前期设计阶段提出工程建设的不利影响并及时提出补救措施，对提高跨河桥梁工程项目审批决策水平，防治水毁水灾具有重要意义[4]。

本文针对跨河桥梁工程防洪评价的特点，提出防洪评价报告编写的框架结构，对工作内容、评价指标、评价要求、评价方法和技术依据进行了梳理，并将关键技术要点应用于洮河流域某跨河桥梁防洪评价报告的编写，期望对河道管理范围内跨河桥梁的防洪影响评价工作提供技术参考[5]。

1 跨河桥梁防洪评价技术要点

根据《河道管理范围内建设项目防洪评价报告编制导则(试行)》，跨河桥梁防洪评价重点可概括为“十个是否”[6]：①是否影响桥梁所在河段综合规划、防洪规划、治导线规划和河道整治规划的实施；②是否符合防洪防凌标准和有关技术管理要求；③是否妨碍河道泄洪能力；④是否对河势稳定、水流形态和冲淤变化产生影响；⑤是否对堤防、护岸和其他涉水工程及设施产生影响；⑥是否妨碍防汛抢险；⑦是否符合建设项目抵御洪水的标准与措施；⑧是否影响第三人合法水事权益；⑨是否符合其他有关规定和协议商定的内容；⑩桥梁工程本身在洪水影响下是否安全。为了提高防洪评价报告编制的质量，本次针对上述十个方面内容提出报告编写的一般内容框架结构，并总结了报告中常见的技术问题[7,8]。跨河桥梁防洪评价报告编制结构框架与常见问题见表1。

表1 跨河桥梁防洪评价报告编制结构框架与常见问题归纳Tab.1 Institutional framework and common problems of flood control assessment report for bridges across rivers

续表1 跨河桥梁防洪评价报告编制结构框架与常见问题归纳

为了将以上内容框架进一步定性或者定量刻画，本次从跨河桥梁防洪标准、水文成果、河势演变、桥梁布置、壅水影响、桥梁安全、桥下冲刷、三者影响和补救措施等10方面提出重点评价内容、评价指标、评价要求、评价方法和评价依据[9]。跨河桥梁防洪评价的技术要点见表2。

表2 跨河桥梁防洪评价关键技术要点Tab.2 Key technical points for flood control assessment of bridges across rivers

2 防洪评价计算实例研究

2.1 工程概况

某桥梁建设项目由北向南正交跨越洮河，北面桥台通过引道与公路X420相连，南侧桥台与公路S306相接，桥梁全长107.08 m，共5跨，桥梁整体采用“上部结构5～20 m预应力简支小箱梁+下部结构桩柱式墩台”结构形式。直接受洪水影响的桥墩为4座(桥墩编号1～4号)，4座涉水桥墩跨径均为20 m，墩型均为圆柱形桥墩，每一处桥墩由上下游两个直径为1.3 m桥墩组成。

地质勘查的最大揭露深度30.20 m，根据钻孔揭露，勘察场地勘探深度范围内地层自上而下依次为杂填土、卵石、砂岩。砂卵砾石的天然密度2.05 g/cm3，相对密度0.43，卵石含量73.9%，砂含量21.7%；中数粒径d50=23.57 mm，平均粒径20.10 mm；不均匀系数Cu=64.09，曲率系数Cc=7.04。工程所在河段平面布置见图1。

桥位断面两侧现状无堤防工程以及其他引水渠、水文测验等设施。桥梁下游左岸300 m处规划堤防工程防护等级为Ⅳ等，洪水标准为P=10%(重现期)，防洪工程级别5级，护堤采用贴坡式护岸；上游有一水电站枢纽，采用明渠引水发电，厂房位于桥位上游2.3 km。右岸上游20 m处有一处混凝土排水涵洞，底板高程2 371.48 m，该涵洞自南向北横穿S306道，主要排泄S306道南侧边沟农业灌溉排水。

图1 桥梁平面布置图Fig.1 Bridge floor plan

2.2 水文分析

按照《防洪标准》(GB50201-2014)和《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)规定[10]，本桥为一级公路，桥梁级别为大桥，工程设计防洪标准为百年一遇(重现期)。该桥梁设计断面邻近无水文站点，复核利用下式推求设计站洪水。

(1)

式中：Qm设、Qm参分别为设计站和参证站洪峰流量，m3/s；F设、F参分别为设计站和参证站集水面积，km2；n为指数，一般为2/3，变化范围在0.5～0.8之间。

桥址上游2.3 km处水电站枢纽控制流域面积13 552 km2，由于桥址至水电站枢纽间未汇入较大支流，桥址断面设计控制面积与电站一致采用F=13 552 km2。利用下游岷县水文站作为参证站，利用长系列年最大洪峰流量并考虑加入1904年特大洪水，推求桥址断面百年一遇设计洪峰流量1 917 m3/s，与上下游已批复水电站设计洪水资料比较接近。在桥址断面上下游选用两个水文勘验断面，利用大断面实测资料，率正河道糙率、河底比降、河床高程、河道断面等参数，利用曼宁公式和能量方程计算确定百年一遇设计洪水位2 368.10 m。为进一步验证水力计算成果的合理性，在桥址中心设计断面上下游120 m处各选择两个验证断面，通过能量方程法分析上下游断面设计洪水位衔接与水面比降基本一致。

2.3 河道演变

根据桥位处河道1984-2014年的谷歌遥感地图分析，河道近30年不存在明显摆动，桥梁跨越河段阶地和滩地较发育，河道主流相对稳定。根据相关研究[11]，洮河流域水沙关系具有同步性，流量与输沙率的变化趋势基本一致，河流泥沙主要来源于强降雨产生的水土流失。其次，洮河下游梯级电站开发，特别是九甸峡水电站枢纽工程建成后，近10年拦截了大量泥沙，洮河下游输沙量有减少趋势。但本工程位于九甸峡枢纽上游，河道经过洪水多次冲刷、淤积，仍然处于自然状态，冲刷淤积基本趋向平衡，评价河段在今后很长一段时间内也不会出现持续的淤积或冲刷，未来河势将趋于稳定。河床演变理论提出河道断面形态和纵剖面与流量因素之间存在某种定量关系，采用《河床演变学》和《桥渡水文》中推荐的方法定量评价河道纵横向稳定性[12]，其成果见表3。

表3 桥址断面河道纵横向稳定性计算结果Tab.3 Calculation results of vertical and horizontal stability of river channel section

通过分析可知河道纵向稳定性较好，横向稳定性较差，河道变形以侧蚀为主。建议在桥梁断面上下游200 m范围内修建堤防工程，其治导线宽度下限不小于稳定河宽，上限以历史最大洪水淹没外包线确定。

2.4 桥墩附近流场分析

本次桥墩附近流场结构分析应用大型有限元ANSYS ICEM CFD技术处理，建模时水流区域用长方体模拟，桥墩用圆柱体模拟，涉水桥墩为1～4号桥墩，1号桥墩和4号桥墩布置于距离河岸4 m处，桥墩间距20 m，顺水流方向6 m，桥墩直径1.30 m，初始流速为断面平均流速v0=4.46 m/s。建模时对桥墩周围和水体交界面附近网格进行加密，以保证计算精度。物理模型和计算网格划分如图2。采用大涡理论对桥墩附近二维流场进行了模拟，得出了桥墩附近流场分布的特征和流速变化，模拟结果见图3～图5。

图2 桥墩附近有限元网格剖分Fig.2 Finite element mesh near the pier

图4 桥墩周围流速分布图 Fig.4 Flow velocity distribution around the pier

建桥后由于桥墩压缩河道，其断面压缩比约5.69 %，桥下平均流速增加为4.60 m/s。流向桥墩的水流受到墩身的影响，桥墩周围的水流结构较自然情况发生变化明显。一部分水流在桥墩正前方受阻后流速减到最小为0.26 m/s，另一部分绕墩流过，流速在桥墩两侧60°～70°范围达到最大(6.05 m/s)。在桥墩后方，由于负压的作用形成涡街，并一直延伸到桥墩后方一定距离。床面静止的泥沙在墩前涌波和墩后漩涡共同作用下将产生随机运动状态，桥墩下游两侧漩涡汇集，从而形成沙脊。由于桥墩迎水面两侧附近绕流流速最大，“束水攻沙”的作用最强烈，当此处流速达到泥沙起动速度时，将导致桥墩局部产生冲刷[13,14]。

2.5 壅水计算与桥梁高程复核

桥梁修建后桥墩侵占自然河道，桥梁墩台对过水面积存在一定的压缩，天然水流的流态受到挤压破坏，桥址处形成整体壅水。壅水高度不仅决定桥梁的高度，而且还会涉及两岸堤防工程的高度及安全。根据桥墩大小，计算每处桥墩的阻水宽度为1.3 m，总阻水宽度为5.2 m。建桥前桥位处百年一遇的过水面积为429.7 m2，建桥后阻水面积为24.44 m2，断面压缩率为5.69%。本次计算百年一遇洪水条件下桥位处最大壅水高度为0.288 m，壅水长度180 m。

洮河为不通航河流，不通航河段桥梁底部最低高程用下式确定：

Hmin=Hs+∑Δh+Δhj

(2)

式中：Hmin为按设计洪水位计算桥梁底部最低高程，m；Hs为设计洪水位，取2 368.10 m；∑Δh为考虑壅水、浪高等因素的总和，计算取0.29 m；Δhj为桥下净空安全值，考虑床面淤积、漂浮物高度等影响，本次复核取1.50 m。

按设计洪水位计算桥梁底部最低高程2 370.178 m，桥梁设计下弦杆高程2 370.500 m(4号桥墩)，桥梁高程设计满足行洪要求，且有0.322 m的富余高度。

表4 桥梁设计高程安全复核Tab.4 Bridge design elevation safety review

2.6 桥下冲刷计算

为了保证桥梁的安全和顺利宣泄洪水，不但要有足够的桥梁长度和桥梁高度，还需要墩台基础有足够的埋置深度，以避免桥梁受河水冲刷而产生安全问题。桥梁墩台冲刷，除河床自然演变冲刷外，还有桥孔压缩水流和墩台阻水所引起的冲刷变形。桥梁墩台冲刷深度包括河床自然演变冲刷、一般冲刷和局部冲刷三部分。

考虑到河床演变是十分复杂的自然过程，且桥位河段河势较稳定，经治理后横向变形不大，河床变形多表现为单向切蚀，且速度相当缓慢，流速沿程分布比较均匀，流态比较平稳，桥位附近没有出现集中冲刷地段。因此，河床自然演变冲刷可忽略不计。

一般冲刷按照《公路工程水文勘测设计规范》(JTGC30-2015)[15]推荐的“64-1”修正式和“64-2”简化式分别计算，以最不利因素考虑，选取较大值作为计算结果。百年一遇洪水条件下桥墩最大一般冲刷深度6.29 m，一般冲刷高程2 361.81 m，经论证涉水桥墩桩基底底系梁高程埋置深度不够，建议将底系梁埋设于一般冲刷线以下，以满足冲刷要求。

局部冲刷根据《公路工程水文勘测设计规范》(JTGC30-2015)推荐的“65-1”修正式和“65-2”式分别计算，考虑桥位处河道土质均为非黏性土，百年一遇洪水条件下，桥墩局部冲刷深度采用2.33 m。

确定基础埋深时，取自然冲刷、一般冲刷和局部冲刷的最不利组合作为基础埋深设计的依据，同时要考虑河道采砂导致河床大幅下降的不利影响。通过以上分析可得最不利冲刷组合下断面总冲刷深度8.62 m(水面起算)，理论计算最低冲刷线高程2 359.48 m，考虑支墩基底埋深2.5 m安全深度，涉河桥墩理论计算桩基埋深安全冲止高程为2 356.98 m，桥墩桩基埋深满足要求。

经防洪评价论证和建议，设计单位从桥梁高程、桥墩底系梁高程、引道布置、桥墩基底埋深及桥梁上下游河段断面防护等方面均做了优化调整，达到了防洪评价的目的。桥梁防洪评价综合断面见图6。

图6 桥梁防洪评价综合断面图(单位：m)Fig.6 Comprehensive section of bridge flood control assessment

2.7 对第三者影响分析

桥梁建成后最大壅水高度0.288 m，壅水长度180.00 m，考虑到上游电站距离桥位断面2.3 km，桥墩壅水对上游水电站尾水不会产生顶托作用，电站运行不会受到影响。

遭遇百年一遇设计洪水时，桥址右岸上游20 m涵洞处洪水位2 368.74 m(考虑壅高)，小于涵洞底板高程2 371.48 m，故不会对排水涵洞产生影响。除该排水涵洞外，拟建桥位壅水范围内无其他水文测站、水资源监测网点以及供水、灌溉等建筑物，不涉及对其他水工程安全运行影响问题。

复核桥址下游300 m左岸规划护堤局部冲刷深度(从深泓线算起)为1.06 m，根据设计文件本段护堤基底高程按深泓线以下2.50 m埋置，护岸基底埋深满足规范及安全要求。桥梁建设不会影响下游左岸堤防的规划建设与工程安全。

3 结 语

防洪评价专题报告是项目立项审批时建设单位必须提供的材料之一，也是设计前期进行项目方案论证、优化、补救的重要环节，涉及河道河势稳定、行洪安全及桥梁安全运行、工程投资等内容，是保证河道防洪体系、涉水设施及桥梁安全运行的关键。因此，防洪评价工作的地位举足轻重。

近年来洪水灾害事件影响下，为保证涉水工程防洪安全，行业内出现一味提高防洪标准的通病，造成工程规模和投资加大，未能通过防洪评价从工程方案自身优化挖掘。其次，防洪评价工作往往滞后开展，不能及时在可行性研究报告或初步设计阶段提出优化方案和补救措施，导致就项目审批而论证，未达到防洪评价专题报告的真正目的和意义。

利用本次提出的防洪评价技术要点，通过在洮河流域某桥梁防洪评价中进行实例研究，在完善桥梁设计方案、施工导流和施工组织设计以及桥址所在河段边坡加固等方面均起到了积极意义。本文所提出的结构框架和技术要点具有一定的实用性，期望能为跨河桥梁工程防洪评价报告编制提供技术参考，也能为项目的科学决策提供支持。

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