大跨连续刚构行洪与河势稳定分析
2021-07-06宋松科
邵 林, 宋松科, 刘 洋
(四川省交通勘察设计研究院有限公司 桥梁分院，四川成都 610017)
1 概述
1.1 工程概述
本工程为G317线友谊隧道至映秀段改建工程跨越岷江紫坪铺库区所设映秀岷江大桥。所涉河流为岷江，桥址处位于汶川县映秀镇张家坪村。本桥起点桩号为K9+685.50，终点桩号为K9+935.50，全长245 m。桥梁上部结构采用(62+115+62) m连续刚构。桥跨布置为(62+115+62) m预应力混凝土三跨连续刚构；主梁采用单箱单室截面，主墩采用圆柱箱型墩。映秀岷江大桥起止点与岷江两岸基岩岸坡衔接， 0#、4#桥台位于两岸岸坡上，1#、2#桥墩位于主河槽中(图1)。
图1 映秀岷江大桥桥型布置
1.2 拟建桥梁防洪标准
本建设项目为桥梁工程，根据JTJ B01-2014《公路工程技术标准》，映秀岷江大桥总长为245 m(属100 m≤L≤1000 m)，最大单孔跨径为115 m(属40 m≤Lk≤150 m)公路等级为二级公路，确定映秀岷江大桥防洪标准为100 a一遇。
图2 映秀岷江大桥桥位平面
1.3 评价河段范围
按照《四川省河道管理范围内建设项目行洪论证与河势稳定评价报告编制大纲》的要求，本报告评价河段范围为：横河距离为评价河段拟建项目100 a一遇洪水位以外两岸各10 m，顺河距离为对上下游河道产生的影响以外各300 m。
1.4 一般要求
工程位于岷江上游，岷江流域水文及雨量站点较多，布设合理。本次工程采用水文比拟法计算设计洪水[1]。利用设计洪水成果，根据实测断面图，采用一维数学模型分两段分析计算出桥梁工程建设前、后洪水水面线，同时进行桥下壅水计算，确定桥梁工程建设后桥梁上游壅水高度和壅水长度，论证评价河段在桥梁工程建设后的泄洪能力，以及对各涉河建筑物行洪安全的影响[2]。
2 壅水分析计算
本次壅水分析采用一维河流数学模型和JTGC 30-2015《公路工程水文勘测设计规范》中经验公式进行计算10 a、100 a一遇洪水水面线壅水变化，分析计算其计算结果，合理选用该河段壅水分析成果[3]。
2.1 基本方程
天然河道蜿蜒曲折，过水断面不规则，断面形状、粗糙系数及河道底坡沿程都有变化，其水力因素十分复杂。根据天然河道水流沿程变化微分方程式：
(1)
式中：Z为水位；S为流程；V为断面平均流速；g为重力加速度9.81 m/s2；Q为流量；K为输水率；K=1/n·R2/3·A，其中：A为过水断面面积，n为糙率，R为水力半径；α为动能改正系数；ζ为局部阻力(损失)系数。
把河道分成若干计算流段，同时把微分方程改写成差分方程，即认为有限长的计算河段内，一切可变的水流要素均成线性变化。
式(1)变为：
(2)
将以上各式代入式(2)中，并把方程中同一断面的水流要互助分别列在等式的两端，得到：
(3)
以上各式中凡有s、x脚标者分别表示河段上、下游断面的水流要素。由式(2)或式(3)可知，式中局部水头损失为：
(4)
根据上、下断面流量相等原理则有Vs=AxVx/As代入式(4)有：
(5)
式(5)为《桥梁水力学》介绍计算局部水头损失的汉德逊公式。本次评价采用式(5)计算局部水头损失。
2.2 计算条件
2.2.1 计算范围及河道大断面
采用9个实测河道横断面，控制河道范围(由下游往上游)：CS1～CS9，CS4、CS5断面代表桥址，CS4断面代表过江通信线，CS9断面代表G317老桥。CS1断面作为下游起算控制断面，计算河道长度825 m。
2.2.2 计算边界条件
评价河段属于单一、宽浅式河床，河床主要由沙卵石组成，河道两岸为天然岸坡和已建堤防[4]。
2.2.3 设计洪水标准及洪峰流量
工程河段采用防洪标准10 a一遇洪水重现期(P=10 %)，Q=2310 m3/s，建设大桥采用标准为100 a一遇洪水重现期(P=1 %)，Q=3050 m3/s[5]。
2.2.4 特征水位
CS1：P=10 %，Q=2310 m3/s，H=861.24 m；P=1 %，Q=3050 m3/s，H=863.41 m。
2.2.5 糙率
本次计算的工程河段的河道糙率n值是参照已有成果而确定。按照《四川水文手册》以及《洪水调查资料》，根据河段的滩槽实际情况，取得工程河段上下游河段糙率为0.035。
2.3 计算成果
桥址断面涉河桥墩经投影后，水位、流速计算成果及变化比较见表2～表3；表1～表3成果表明，项目建设后，河道行洪断面有所减少，水位、流速发生一定变化。根据计算结果，成果分析如下：
表1 映秀岷江大桥工程评价河段设计洪水位成果
(1)项目建成后，防洪标准10 a一遇情况下，桥址断面建桥后水位比建桥前水位最大壅高0.08 m；桥址断面建桥后流速比建桥前流速最大增加0.25 m/s；桥址断面建桥后行洪宽度比建桥前行洪宽度最大减小9.9 m，河道缩窄率最大为4.80 %；桥址断面建桥后行洪面积比建桥前行洪面积最大减小34.92 m2，河道阻水率最大为6.01 %。
(2)项目建成后，防洪标准100 a一遇情况下，桥址断面建桥后水位比建桥前水位最大壅高0.12 m；桥址断面建桥后流速比建桥前流速最大增加0.28 m/s；桥址断面建桥后行洪宽度比建桥前行洪宽度最大减9.90 m，河道缩窄率最大为4.68 %；桥址断面建桥后行洪面积比建桥前行洪面积最大减小39.4 m2，河道阻水率最大为5.85 %。以上成果表明，项目建成后，防洪标准10 a和100 a一遇河道行洪断面有所减少，水位、流速发生了一定变化，壅水新增淹没范围影响较小，流速变化幅度较小，因此，项目的建设对评价河段泄洪影响较小。
表2 映秀岷江大桥评价河段各断面水力要素变化情况(10 %)
表3 映秀岷江大桥评价河段各断面水力要素变化情况(1 %)
3 桥墩冲刷计算
根据JT GC30-2015《公路工程水文勘测设计规范》，桥墩冲刷应包括河床自然演变冲刷、一般冲刷和局部冲刷三部分[6]。在确定基础埋深时，应根据桥位河段情况，取其不利组合作为基础埋深的依据。通过河段地形图、实地踏勘及邻近工程调查，工程河段河床基本为稳定河床，自然演变冲刷不明显，河床自然演变基本已趋于稳定，因此，综合考虑确定本次河床演变冲刷深度计算取值为1 m[7]。
3.1 桥下一般冲刷计算
非粘性土河床的一般冲刷河槽冲刷按JTGC30-2015《公路工程水文勘测设计规范》64-2简化式计算：
式中：hp为桥下一般冲刷后最大水深(m)；Qp为设计流量(m3/s);Q2为桥下河槽部分通过的设计流量(m3/s)；当河槽能扩宽至全桥时用Qp；Qc为天然状态下河槽部分设计流量(m3/s)；Qt1为天然状态下桥下河滩部分设计流量(m3/s)；λ为设计水位下，在Bcg宽度内，桥墩阻水总面积与过水面积比值；μ为桥墩上汇流侧向压缩系数，根据JT GC30-2015《公路工程水文勘测设计规范》表8.3.1-1；Bc为天然状态下河槽宽度(m)；Bcg为桥长范围内河槽长度(m)；当河槽能扩宽至全桥时取桥孔总长度；Bz为造床流量下河槽宽度(m)；对复式河床可取平摊水位时河槽宽度；hcm为河槽最大水深(m)；Ad为单宽流量集中系数；山前变迁、游荡、宽滩河段当Ad>1.8时，Ad值可采用1.8；hz为造床流量下河槽平均水深(m)；对复式河床可取平摊水位时河槽平均水深。
经计算，JTG C30-2015《公路工程水文勘测设计规范》64-2公式成果见表4。
3.2 桥墩局部冲刷计算
非粘性土河床桥墩局部冲刷按JTG C30-2015《公路工程水文勘测设计规范》65-2式计算桥墩局部冲刷深度(表5)。
表4 一般冲刷计算成果表(p=1%)
当V≤V0：
当V>V0：
式中：hb为桥墩局部冲刷深度(m)；Kε为墩形系数，可按附录C选用；B1为桥墩计算宽度(m)；hp为般冲刷后的最大水深(m)；d50为河床泥沙平均粒径(mm)；Kη1、Kη2为河床颗粒影响系数；V为一般冲刷后墩前行近流速(m/s)，按本规范8.3.3条规定计算；V0为河床泥沙起动流速(m/s)；V0＇为墩前泥沙起冲流速(m/s)；n1、n2为指数。
表5 局部冲刷计算成果表(p=1%)
3.3 桥墩冲刷成果
根据JT GC30-2015《公路工程水文勘测设计规范》，桥墩最大冲刷成果应为上述三项成果之和,见表6。
表6 桥墩最大冲刷计算成果(p=1%)
根据上述总冲刷深度计算结果，映秀岷江大桥桥墩最大冲刷深度7.07 m。结合桥梁设计文件，映秀岷江大桥桥墩设计基础埋深为河床线以下25 m，即桥梁基础埋深满足要求。
4 河道演变及稳定性分析
4.1 稳定河宽计算
冲积河流稳定性指标是反映来水来沙变化时，表现出来的局部的、暂时的相对变幅。由于工程的兴建，或多或少改变了原有河流的基本特性，包括河流的稳定性[8]。但只要对原有河流的稳定性参数改变不大，河床经过一定的调整，将恢复到原有的平衡状况，而不致发生较大的河型转化，形成大规模的再造床过程[9]。项目建设后，由于河道水流流态和河相关系受到工程建设影响而有一定程度的改变，可能会造成河床的再造床运动，决定这一现象的控制参数一般采用稳定河宽这个参数，只要河道的河宽满足稳定河宽，河床基本上是趋于稳定的[10]。稳定河宽一般采用如下的经验公式：
式中：Bs为横向稳定河宽(m)；K为1/10030/33；K=0.0151；Q为造床流量(m3/s)，取2 a一遇设计洪水；(P=50 %，Q=1650 m3/s)；J为比降；取枯水期水面比降；(J=0.0057)n为糙率；参照已有成果；造床流量对应的n=0.035。
通过上式计算河段的稳定河宽，从而判断河道的横向稳定性，经计算，工程河段的稳定河宽约为91 m，工程建成后河道主河槽行洪河宽大于120 m；且工程河段两岸均为堤防，导流边界条件已稳定，对水流有归束作用，可以说本河段的河床是稳定的。
4.2 纵向稳定指标
河床纵向稳定指标中，绝大多数的基本出发点是一致的，认为河床的纵向稳定程度取决于水流对河床泥沙的作用力与河床泥沙抵抗力之间的对比关系[11]。比值越大，泥沙运动强度愈弱，河床因沙坡、成型堆积体运动与之相应的水流变化产生的变形愈小，因而河床愈稳定；相反，比值愈小，泥沙运动强度愈大，河床产生的变形愈大，因而河床愈不稳定[12]。属于这种类型的指标有常用的洛赫金提出的纵向指标计算公式：Ks=d/(h×J),式中：Ks为纵向稳定系数;d为床沙粒径，以m计，本工程取d50=0.12 m；J为河道平均比降，以mm/m计，取J=0.0057;h为纵向一般条件下水深，工程建设前后纵向稳定指标见表7。
根据《河流横向混合系数的研究进展》水利学报2014年4月第45卷、《长江中下游河床稳定系数计算》长江科学院、《长江中下游干流河道的造床流量与河床稳定性系数计算》全国泥沙基本理论研究学术讨论会2005等相关文献资料，Ks>3即属于纵向基本稳定河床，3 表7 映秀岷江大桥工程河段纵向稳定指标(p=1%) 横向稳定系数与河岸稳定关系密切相关，而决定河岸稳定的因素主要是主流的冲积地点及其走向和河岸土壤的抗冲能力。由于缺乏实测资料，通过参考相关资料，间接的用河岸变化结果来描述河岸的稳定性，本工程横向稳定指标釆用武汉水利水电学院把阿尔杜林公式计算的稳定河宽与实际河宽相比较，用以表征河床横向稳定性程度[13]。公式为： Kw=Q0.5/B/J0.2 式中：Kw为横向稳定系数；Q为造床流量(Q=1650 m3/s)；J为造床流量下水面比降(J=0.0057)；B为造床流量下水面宽(一般地，取稳定河宽B=91m)。 根据《河流横向混合系数的研究进展》水利学报2014年4月第45卷、《长江中下游河床稳定系数计算》长江科学院、《长江中下游干流河道的造床流量与河床稳定性系数计算》全国泥沙基本理论研究学术讨论会2005等相关文献资料，Kw>1即为横向稳定河床，Kw越大越稳定。由于本工程建设前后河宽均大于稳定河91.0 m，因此，项目建设前后横向稳定系数不变，经计算，项目建设河段Kw=1.25。即工程河段为横向稳定河床。 (1)根据工程所在河段的河道特点、工程布置情况，工程实施后，河道在汛期河流造床时，水流条件与天然情况相比，变化较小，河道本身处于冲淤平衡状态。从现场查勘情况来看，工程河段水流稳定，测流断面呈“U”型，冲淤变化甚小。工程所在河段附近河道断面有一定的冲淤变化，主要表现泥沙在该河段周期性小幅淤积，即枯水期该河段有轻微的淤积，但随着汛期来临，冲刷的加剧，河道淤积会有一定的改善，总体来说河道近期基本趋势基本稳定。工程建成后，通过稳定河宽计算，工程河段的稳定河宽约为91 m，而工程河段主河槽行洪河宽至少在120 m以上；加之工程河段两岸已建堤防，导流边界条件已基本稳定，对水流有一定归束作用，可以说本河段的河床是比较稳定的。从长远来看，河道演变趋势基本稳定。 (2)项目建设后，河道行洪断面水力要素变化较小，因此，项目的建设对评价河段泄洪影响较小。 (3) 桥梁建设后，工程河段水力要素变化较小，桥梁建设对河道河势稳定影响较小。
4.3 横向稳定指标
5 结论
