拟建德胜河大桥对河道行洪安全的影响分析

徐 乾，周 娟，贺阳颖

(1.常州市河道湖泊管理处，江苏 常州 213000;2.常州市城市防洪工程管理处，江苏 常州 2130003.常州市水资源服务中心，江苏 常州 213000)

1 工程概况

德胜河拟建桥址段村庄密集，工厂较多，其余多为农田及鱼塘，沟渠纵横其间。两岸地势稍有起伏，地面高程4.3-7.2m(吴淞基准面，本小节同)，船闸两侧堤顶高程5.8-6.9m，德胜河入江口的长江大堤堤坝顶高程约8.12m。该河道具备较大吨位通航功能，除个别消险河段，该航道基本处于天然状态。德胜河特大桥位于德胜河船闸上游引航道段弯道上，桥位处水面宽约220m，跨河大桥与德胜河规划航道斜交79.2°。考虑桥位沿岸现有码头船舶通行及防撞设施的预留空间，降低船撞几率，桥梁需采用两孔约125m跨径。125m跨径若采用斜拉桥、悬索桥及拱桥等上部构造相对体量较小，无法形成标志性景观，且施工工期长，施工方案复杂，造价高[4]。故采用连续梁或连续刚构桥造价省，工期较短，施工技术成熟，且线形简洁流畅。在新的德胜河中，设2个一组桥墩，总的长×宽为30.6m×13.6m，与水流夹角10.8°。德胜河特大桥跨河平、立面示意图，见图1。

图1 德胜河特大桥跨河平、立面示意图

2 工程对河势稳定的影响分析

2.1 长江侧河床演变

位于长江口附近河道，常会受到上游径流与下游潮汐等综合影响，河势情况较为复杂多变。尤其涨、落潮流速差较大，对于河床的变化影响极大。形成河床的泥沙主要由潮汐带动，当泥沙下沉速度大于水流落潮速度，即会被沉积下来。根据泥沙的粒径不同，一般分为>0.2mm的主槽底沙和较细的悬沙[5]。根据录安洲实测资料统计结果，可知2003年以后其右汊分流比相对比较稳定，约为10%。2017年左右汊分流比为90.60%和9.40%。通过构建局部河段近20a地形地貌模型，可直观对比得到该区域的冲淤变化情况，1999-2009年工程段区域河道冲淤变化图，见图2；2009-2020 年工程段区域河道冲淤变化图，见图3。河道两岸在护岸工程作用下基本得以稳定。但由于左汊河床较宽，上游来水来沙的变化，两岸之间河床仍出现冲淤变化，主要表现在以下几方面：

图2 1999-2009年工程段区域河道冲淤变化图

图3 2009-2020 年工程段区域河道冲淤变化图

1)历年录安洲洲头及其两侧、夹江南侧的抛石护岸段近岸河势较为稳定。

2)录安洲左缘洲头至常州港录安洲码头段，虽然人工导流岸壁初步形成，河势渐趋稳定，但还是受到主流一定冲刷。

3)录安洲右汊夹江的演变取决口门的变化，夹江进口南岸受入流顶冲，右汊河槽变深。虽有抛石护岸，但在2016年、2020年超历史记录泄洪压力下，南岸河床仍旧存在被冲刷可能性，北岸已形成较为规律的冲淤交替，其地势变化较小。

2.2 河势稳定分析

过江通道涉及河道西侧岸坡采用直立式混凝土挡墙，右侧为现有的浆切块石护坡，在两侧岸坡均有防护的情况下，德胜河总体河势将保持稳定的状态。工程实施后，在防洪设计水位下，桥梁处河道主流线位置基本不变。对河势稳定的影响该河道处于平原河网区，一般情况下流速缓慢，水流对河道的冲刷影响较小，若遇大洪水时可能发生局部冲刷，但幅度不大。据计算，桥址处最大冲刷深度为1.60m。过江通道距离德胜河入江口约3.2km，中间有德胜河魏村枢纽相隔，故新建桥墩不会对长江河势造成影响。

3 壅水对行洪的影响分析

3.1 壅高分析

壅水的高度跟河道过水面积减少程度有直接的关系，过水断面减少，水流流速增加，导致桥墩附近水流体积有一定压缩，造成水流能量由动能转变为势能，进而局部水位抬高形成壅水现象。其壅水高度计算公式为：

△Z=η(vM2-v02)

(1)

式中：△Z最大壅水高度，m；η为桥墩阻断流量与设计流量的比值系数，本次计算采用0.05；v0为断面平均流速，m/s；vM为桥下平均流速，m/s。

考虑桥梁工程建设后行洪断面有所减小，防洪设计水位3.7m下，河道行洪断面面积减小4.7%。按魏村水利枢纽运行调度规则，当京杭运河常州站水位超过2.62m时，魏村水利枢纽趁长江低潮时开闸排水或开启泵站向长江翻水。按德胜河魏村枢纽设计流量300m3/s进行计算，在水位为2.62m时，最大壅水高度为0.2cm，水位为3.7m时，最大壅水高度为在0.2cm内。

3.2 壅水曲线分析

德胜河魏村枢纽设计过闸流量300m3/s，最大壅水高度为0.2cm进行计算，L=18m。在防洪设计水位3.70m时，德胜河桥壅水曲线长度在20m内。其壅水曲线计算公式为：

L=2△H/I

(2)

式中：L为壅水曲线长度，m；I为水面比降；△H为相邻两断面的水位差，m。

3.3 壅水影响分析结果

跨德胜河主桥采用(70+125+125+70)m变截面预应力混凝土连续梁，其中东侧125m跨过现状德胜河，两跨125m跨过规划建设的德胜河，中间桥墩布置于新、老河道间。由公式1可知，壅水高度与流速的二次方成正比，即桥墩阻水面积与引道布置尤为关键。经计算，在设计洪水位工况下，桥墩处最大壅高≤0.2cm，影响范围≤20m。综合分析新建桥墩对河道行洪无不利影响。

4 冲刷对行洪的影响分析

对于跨河桥梁建成后，桥墩对具有行洪要求的河道影响应做冲刷分析。根据《公路工程水文勘测设计规范》要求，在明确桥墩基础设计后，应综合分析自然、一般、局部三种冲刷工况，以最不利结果作为桥墩设计论证依据[7]。

4.1 河道一般冲刷分析

一般冲刷是指以等效过流断面计算的单宽流量为基础，提高动态水流中的含沙量后，导致桥址位置一定区域的垂直河床走向方向的冲刷。根据工程所在河道的形态，本次只需对河槽进行计算。根据冲刷计算结果，工程后一般冲刷后最大水深为2.36m，主槽一般冲刷后最大水深小于其最大设计水深3.5m，故不冲刷。具体计算公式为：

(3)

式中：hp为桥下一般冲刷后的最大水深，m；A为单宽流量集中系数；Qc为河槽部分通过的设计流量，m3/s；IL为液性指数；Bc为桥下河槽部分桥孔过水净宽，m；hmc为河槽最大水深，m；hc为河槽平均水深，m。

4.2 桥墩局部冲刷分析

局部冲刷是指以桥墩为中心点，辐射一定距离的特定位置处冲刷。该类冲刷型式主要是由于桥墩的阻碍，水流流向发生突变，造成一定旋涡和体积压缩而形成。经分析，跨德胜河大桥桥墩主要受局部冲刷影响，采用黏性土基础对应计算公式4可得，桥墩处冲刷最大深度为1.60m，在设计安全范围2.5m之内。

(4)

式中：kζ为墩型系数；Bt为桥墩计算宽度，m；V为般冲刷后墩前行近流速，m/s。

5 小 结

1)河演分析表明，德胜河的发展变化，主要还是受开挖、行洪、续建加固等人类活动的影响较大，受自然界影响较小。目前，德胜河内侧河侧河道流速、流向相对稳定，少部分航段已建护岸，航道内水面比降平缓，流速较小，对两侧护岸顶冲作用较小，河道深槽居中，河床基本稳定。

2)桥梁对河道的影响重点在壅水分析，需计算设计洪水位桥墩阻水工况。综合河道功能，分析减少的等效过水面积，判断桥位断面处流速增大及体积压缩幅度。行洪影响还需结合河道远期规划，进行动态河势分析。

3)应注意减少工程实施对工程区域水系与排灌系统的影响，加强工程区域河道观测。根据施工安排，桥墩施工在航道整治工程之前，关注中间主墩施工对堤防的影响，保证桩基及桥梁施工中堤防的安全和防汛通道的畅通。