赤化大桥防洪影响分析

郭 娅，张玮清

(广东源丰水务有限公司，广东 河源 517000)

赤化大桥属于连接线公路工程的跨河工程，是主线重要的控制节点，大桥建成后将极大的方便地区居民的出行，促进区域协调发展并带动经济发展。但桥梁的建设会导致河道行洪断面的变化，可能对区域防灾、救灾产生影响，因此对河道内的建设项目进行防洪影响分析十分必要，本文基于Mike11建立河段水动力模型，分析工程建设对河道水位、流速的影响；并根据Mike11模型结果，采用水力学公式进一步计算桥址处的壅水情况、使用经验公式进行冲淤计算，以分析赤化大桥建设对河道行洪的影响。

1 工程概况

拟建赤化大桥桥址位于河源市龙川县麻布岗镇赤化村，河源市位于广东省东北部，地处东江中上游，是粤东西北唯一同时近距离接受三个国际都市辐射带动的地级市。赤化大桥属于河惠莞高速公路麻布岗互通出口至兴宁市罗浮连接线公路工程的跨河工程，桥梁横跨寻乌水，全长606.4m，根据相关规范，赤化大桥设计规模为大桥，公路等级为二级，设计洪水频率为1%。赤化大桥两岸现状为天然山地，工程所在河段规划防洪标准为20年一遇。桥址上下游2km范围内暂无水利工程与规划，但下游23km处有广东省第二大水库：枫树坝水库，且赤化大桥处于枫树坝水库蓄水影响区。枫树坝水库是一个以航运、防洪、发电等综合利用的水利枢纽工程，流域面积5150km2，总库容19.5亿m3。

赤化大桥起点里程为K3+916.0，终点里程为K4+516.0，中心里程为K4+216.0，单孔跨径为30m，桥梁共20跨，有5组桥墩，桥长606.4m，上部结构采用预应力砼组合箱梁，结构简支桥面连续。下部结构桥墩采用柱式墩，起终点桥台根据填土高度和地质情况分别采用柱式台和座板台，基础均采用钻孔灌注桩基础。

2 研究方法

本文采用Mike11建立洪水模型，并进一步采用实用水力学计算公式对工程引起的壅水情况进行计算，以分析赤化大桥对行洪可能产生的影响，并根据经验公式进行冲淤计算。

2.1 Mike11模型构建

2.1.1模型原理

Mike11基于垂向积分的物质和动量守恒方程，即一维非恒定流圣维南(Saint-Venant)方程组来模拟河流或河口的水流状态，采用Abbott-Ionescu六点隐式差分格式对方程进行求解，模型的详细原理及求解原理可参考相关文献。

2.1.2模拟范围及断面布设

本次模拟河道起点为工程下游777m，终点为工程上游1480m，全长2257m。为了较好反映河道走势及断面变化，本次模拟根据寻乌水平面特点布置模拟断面共13个，断面平均间距100～300m。将桥墩模型概化进工程断面，模型计算范围及断面设置情况如图1所示。

图1 Mike11模型断面布置示意图

2.1.3边界条件

模型的上游边界为流量边界，下游边界为下游起推断面的水位。

流量根据赤化大桥坝址处不同频率的设计洪水确定。流域内枫树坝水文站距赤化大桥桥址20km，气候、下垫面条件相似，且有相对完整的设计洪水计算成果和枯水期流量观测数据，故本文用水文比拟法，选用枫树坝水文站为参证站计算赤化大桥坝址处设计洪水。枫树坝水文站的水文实测序列为42年(1974—2016年)，调查到特大洪水发生在1964、1961、1966年，洪峰流量分别为7660、6700、6080m3/s，用P-III适线法确定枫树坝的设计洪水。根据相关统计资料，赤化大桥桥址以上流域集雨面积为2385.1km2，参证站集雨面积5150km2，根据式(1)推求赤化大桥断面的设计洪峰，最终计算桥址处100年一遇设计洪峰流量为4716.77m3/s，50年一遇洪峰流量为4131.65m3/s，20年一遇设计洪峰流量为3343.53m3/s。

(1)

式中，Q设—桥址河段设计洪峰流量，m3/s；Q参—参证资料(本次计算选取参证站为岳城水文站)的洪峰流量，m3/s；F设—桥址控制断面以上流域的集雨面积，km2；F参—参证站的控制集雨面积，km2；n—面积比指数，依据《工程水文及水利计算》(成都科技大学、华东水利学院、武汉水利电力学院合编)，小流域n一般为2/3，出于防洪安全考虑本次取n=0.67。

下游水位由曼宁公式计算得到。桥址下游起推河段断面为桩号XWS0+000，河底高程为99～103m，河床糙率选取为0.035，河道比降为0.00242，该河段仍属于枫树坝水库回水影响区域，考虑枫树坝水库的防洪调度原则，对比在相应洪水频率下枫树坝水库的洪水，最终计算得到100、50、20年一遇设计洪水对应的下游断面河道水位分别为170.118、169.5、169.358m。

2.1.4糙率确定

河道属天然山区河流，依据天然河道糙率表，糙率参考取值范围为0.03～0.05，工程河段属于大河即汛期水面宽度大于30m，糙率n值略小，故本文选值为0.035。

2.2 壅水计算

本文结合一维模型的结果，进一步采用“水力学公式”计算桥梁的最大壅水高度、及壅水长度，综合分析桥梁建设产生的壅水影响。壅水高度根据式(2)计算，壅水长度根据式(3)计算。

(2)

(3)

式中，α—动能校正系数，本文取值1.1；ξ—过水面积收缩系数，取0.85～0.95；B—河宽，m；V—建桥前断面平均流速，m/s；h—建桥前断面平均水深，m；ΔZ—最大壅水高度，m；∑b—建桥后过水断面总宽，为河宽减去桥墩总宽，m；Ly—壅水曲线全长，m；I0—桥址河段天然水面坡度，取值根据一维模型计算结果得到。

2.3 冲淤计算

桥墩的建设缩窄了河床过水断面，引起桥孔附近流速增加，挟沙能力也相应增加，破坏原有的输沙平衡，河床发生冲刷，对桥梁安全有一定隐患。总冲刷深度由一般冲刷和局部冲刷组成，而工程所在河段的冲刷体现为河槽冲刷，依据地质勘察报告河槽部分为非黏性土，根据JTG C30—2015《公路工程水文勘测设计规范》中的公式进行计算。一般冲刷计算公式见式(4)，局部冲刷公式见式(5)。

(4)

(5)

3 结果分析

根据赤化大桥的设计标准、工程所在河段以及水工建筑物的防洪标准，本文分别计算遇20年一遇、50年一遇和100年一遇洪水时的河道水位情况。

3.1 模型结果分析

将边界条件输入模型，模拟工程建成前后的水位、流速、过水面积和水面宽度变化情况，从而分析赤化大桥在遇20年一遇、50年一遇和100年一遇洪水时对河道的壅水和冲淤影响。根据模拟结果，得到工程前后河段平均水力坡度，见表1；各频率下河道各断面工程前后(工程后的值减工程前的值)水位变化、流速变化、水面宽度变、过水断面面积变化如图2—5所示。

表1 各频率下工程前后河段平均水力坡度

由图2—5可知，20年一遇洪水时，工程后桥址段面流速增大了0.034m/s，水面净宽减小了37.742m，过水面积减小了438.065m2，桥址上游水位最大壅高值为0.002m；50年一遇洪水时，工程后桥址段面流速增大了0.041m/s，水面净宽减小了37.871m，过水面积减小了444.535m2，桥址上游河段水位最大壅高值为0.003m；100年一遇洪水时，工程后桥址段面流速增大了0.045m/s，水面净宽减小了38.402m，过水面积减小了471.225m2，桥址上游河段水位最大高值为0.004m。

图2 各频率下河道各断面工程前后水位变化

图3 各频率下河道各断面工程前后流速变化

图4 各频率下河道各断面工程前后水面宽度变化

图5 各频率下河道各断面工程前后过水断面面积变化

3.2 壅水计算结果分析

结合实际资料及模型模拟结果，用2.2节中的公式可计算得到桥址处最大壅水高度及壅水长度，见表2。

表2 各频率下桥指出壅水长度及最大壅水高度

由表2可知，遇100年一遇洪水时桥址处壅水曲线全长为364.22m，最大壅水高度为0.0061m；遇50年一遇洪水时桥址处壅水曲线全长362.50m，最大壅水高度为0.0052m；遇20年一遇洪水时桥址处壅水曲线全长336.18m，最大壅水高度为0.0035m。

综合Mike和实用水力学公式的壅水计算结果，赤化大桥最大壅水高度为0.0061m，壅水曲线全长为364.22m，桥梁建设引起的最大壅水高度十分微小。

3.3 冲淤分析

根据2.3节中的公式，计算河槽总冲刷。式中，单宽流量集中系数Ad为1.065，桥下河槽净宽Bcg为199.15m，天然状态下河槽宽度Bc为210.59m，λ取值0.0541，一般冲刷后的最大水深hp根据一维模型水位计算结果及河底高程计算得到，墩形系数Kξ为1，桥墩计算宽度B1为1.6m，河床颗粒影响系数Kη2为0.507，一般冲刷后的行近流速v根据一维模型流速计算结果得到，根据相关经验公式可计算得到墩前泥沙启动流速v0′、河床泥沙启动流速v0分别为0.257m/s、0.574m/s，河槽冲刷计算结果见表3。

表3 河槽冲刷计算结果

由表3可知，100年一遇洪水工况下河槽一般冲刷深度为3.581m，桥墩局部冲刷深度为0.721m，总冲刷深度为4.302m；50年一遇洪水工况下河槽一般冲刷深度为3.493m，桥墩局部冲刷深度为0.730m，总冲刷深度为4.233m；20年一遇洪水工况下河槽一般冲刷深度为4.302m，桥墩局部冲刷深度为0.738m，总冲刷深度为4.173m。

赤化大桥单孔跨径为30m，桥梁共20跨，5组桥墩均位于河槽处，两端桥台高于设计洪水位。依据桥和安全墩冲刷计算值，河槽桥墩需满足基地最小埋深约为8m，河滩桥墩需满足最小埋深约为7m，本次桥墩埋深均大于38m，符合规范的要求。

4 结论

(1)100年一遇洪水条件下桥梁产生的最大水位壅高为0.0061m，最大壅水长度约为364.22m，赤化大桥的建设满足规范要求，对河道行洪不会造成较大的不利影响。

(2)工程建成后遇100年一遇、50年一遇和20年一遇洪水时的总冲刷深度分别为4.302、4.233、4.173m，桥墩的埋深均满足计算和规范要求。设计洪水条件下，本工程会受到一定的冲刷影响，但因为河床粗化层的存在以及下游枫树坝水库的蓄水影响，工程实际受到冲刷影响要比计算成果偏小，在采取一定的工程措施对桥墩进行冲刷防护后，整体影响不大。