新疆喀拉喀什河K54+500大桥对河道壅水和冲刷影响分析

李 亮

（塔里木河流域干流管理局,新疆 乌鲁木齐 841000）

1 工程概况

新疆喀拉喀什河发源于喀喇昆仑山北坡开拉斯山,K54+500大桥地理位置起点坐标东经79°53'39.61'',北纬37°27'7.23'',终点坐标东经79°53'14.53'',北纬37°27'18.67'',桥长787 m,桥梁设计汽车荷载采用一级公路标准建设,结构类型为26 m×30 m装配式预应力混凝土小箱梁,桥面高程1292.91 m,设计洪水频率标准100 年一遇。工程位于墨玉县英也尔乡玉依买库勒境内,47 团至国道580 线在K 23+556.5～24+343.5 段跨喀拉喀什河后经玉龙喀什河特大桥及公路连接国道580 线,解决了隔河相望、车辆绕道通行的现状,改善了两河四岸三县人民交通往来,打通了47 团对外交通首要出口公路和干线公路,极大地促进区域经济发展,可有效发挥47 团应急维稳作用。

2 设计洪水

2.1 洪水位

非通航河流按设计洪水位计算桥面高程,按下式计算：

式中：Hmin为桥面最低高程,m；HS为设计洪水位,m；Δhj为桥下净空安全值,m,查《桥位设计》附表 5-3-1 取桥下净空安全值 0.5 m；Δh0为桥梁上部构造建筑高度,m,包括桥面铺装高度,取Δh0=1.80 m；∑Δh为根据河流的具体情况,酌情考虑壅水,浪高、水拱、局部股流和雍高（水拱与局部股流雍高不能同时考虑二者取大者）河湾两岸高差诸因素的总和,m。

得出 Hmin=HS+∑Δh+Δhj+Δh0=1288.97+1.5+0.50 +1.80=1293.71 m。因此,设计洪水位高程1288.97 m,设计桥面高程1293.71 m。

2.2 洪峰流量

天然河流的均衡状态一般是在自然来水来沙过程中实现,不同大小的流量均参与河道形态的塑造过程,相同条件下,流量越大则对河道形态的塑造能力越强,但由于大洪水一般持续时间不长,因此对某一时段平均意义上的均衡河道形态而言,起主导控制作用的是中等流量,即造床流量。造床流量一般可按50 年一遇天然设计洪峰流量计算进行河势演变分析,对应设计洪峰流量为773 m3/s。

2.3 稳定河宽

河道或河槽的宽度是否造成河道水流不稳定,从而造成河道再造床过程,与河道的稳定河宽有密切的联系。若河槽宽度过小,会造成水流坡陡流急,加大河道主流的不稳定性,威胁两岸的安全。反之,若河槽宽度太大,虽然对行洪有利,但是,由于河道过宽后,水流主流容易摆动,形成弯曲、分汊或漫滩、甚至游荡性等不同河型,在不同洪水下,河型的转化将对两岸工程产生不确定的冲刷部位,给防冲带来不利和不确定因素。因此,稳定河宽是保证河道横向稳定、纵向稳定的重要参数。稳定河宽计算采用下述3个水流、河相基本方程联解得式：

式中：B为稳定河宽,m；U为平均流速,m/s；h为水深,m；η为糙率；J为能坡；K为参数；Q为造床流量,m3/s。

依据式（2）～式（5）,带入计算得出该桥所在河段稳定河宽成果,见表1。

表1 土体计算参数取值表

3 壅水分析计算

3.1 壅水分析方法

天然河道中水流呈自然流态方式,阻水建筑物喀拉喀什河（K54+500）大桥的修建,可能会改变河道原有断面结构形式,将对河道水流产生一定影响,甚至有可能改变天然河道的过洪通道及天然水流的流态,因此,需对阻水建筑物建成后形成壅水高度进行计算分析,并研究是否需要采取相应的补救措施。

工程断面河道现状行洪宽度约592 m、左岸滩地103 m、右岸滩地122 m。由于设计洪峰流量较大,该处主流行洪宽度较宽,单跨桥梁仅为30 m,因此,过水桥墩较多,再加之现状河道河堤为土堤,河道土质为粉细沙土、细沙土,抗冲能力弱,该段河道纵坡I=7.24‰,相对较陡,主流河槽较宽,水流易左右摆动,成游荡性河道,部分河床淤积抬高,需进行壅水分析。造成桥前水面壅高的原因有两种情况：（1）多跨桥梁桥墩阻水,使水面宽缩窄,发生壅水现象,该种情况多采用《公路工程水文勘测设计规范》（JTG C30-2015）推荐的计算公式以及流速水头法、简化公式法三种计算方法。（2）桥总跨度小于天然河床宽度时引起壅水,应采用无坎宽顶堰公式进行壅水分析计算。

本工程设计桥全长787 m,河道现状行洪宽度为592 m,桥总跨度远大于河道现状行洪宽度,因此大桥壅水由上述第一种情况产生,采用《公路工程水文勘测设计规范》（JTGC 30-2015）推荐公式计算壅水高度和长度。

3.2 壅水分析计算

3.2.1 最大壅水高度计算

方法1：根据《公路工程水文勘测设计规范》（JTGC 30-2015）计算公式,推算各桥前的最大壅水高度,其表达式为：

式中：ΔZ为建筑物前最大壅高,m；η为计算系数,根据阻断流量的不同取0.05～0.15；为建筑物布置后断面平均流速,m/s。

式中：Qp为设计流量,m3/s； Wj为建筑物过水断面面积,m2；为建筑物范围内天然情况下平均流速,m/s；为天然断面平均流速,m/s。

经计算,计算桥前最大壅高取值ΔZ为0.14 m。

方法2：采用简化公式进行桥墩前最大壅水高度计算,其公式为：式中：Q为流量,m3/s；B为无桥墩时的截面宽度,m；b 为两墩间的净宽,m；hs为桥墩下游正常水深,m；ζ为过水断面收缩系数,取ζ=0.85～0.95。

计算得,桥前最大壅高取值为0.09 m。

综上,采用上述两种计算方法分别进行了桥前最大壅水高度计算,为安全起见,最大壅水高度取0.14 m。

3.2.2 壅水长度计算

采用《公路桥位勘测设计规范》（JTJ 062-2002）推荐采用8.4.1-4公式计算：

式中：L中壅水长度,m；ΔZ为长桥前最大壅水高度,m；I为水面比降。

计算采用《防洪评价相关计算软件包1.03》之雍水计算软件进行计算分析,计算结果见表2。即壅水长度39 m。

表2 最大雍水高度和雍水长度计算成果表

3.3 壅水对上游河道防洪影响分析

设计洪水位高程1289.11 m,壅水高度0.14 m,设计桥面高程1292.91 m。壅高后设计洪水位1289.25 m,小于设计桥面高程3.66 m,壅水不影响设计桥面高程。由于壅水长度为39 m,壅水高度0.14 m,桥前水面壅高度及壅水长度均较小,因此,对上游河道防洪产生漫溢影响甚微。

4 冲刷分析计算

4.1 河道演变冲刷

河床演变是十分复杂的自然过程,由于目前尚无可靠的定量分析方法,只能根据调查,作出定性的评价。据调查分析,工程段河流,河床由土质粉细沙、细沙组成,属于易冲刷土质,总体趋势是河床下切,但幅度不大。

4.2 局部冲刷

水流受到桥墩阻挡,淘刷桥墩周围,形成局部冲刷。本次计算的河段主要有无河滩的黏性土河床和无河滩的非粘性土河床。采用《公路工程水文勘测设计规范》（JTGC 30-2015）中的式8.4.2-1与8.4.2-2式对河槽黏性土河床局部冲刷进行计算。

式中：hp为桥墩局部冲刷深度,m；B1为桥墩计算宽度,m；Kζ为墩型系数,本次计算取1.0；Bt为造床流量下的河槽宽度,m；IL为冲刷坑范围内黏性土液性指数,取0.16～0.19；v为一般冲刷后墩前行近流速,m/s。

同时,采用《公路工程水文勘测设计规范》（JTG C30-2015）式8.4.1-1与8.4.1-2式对非黏性土河床桥墩局部冲刷进行计算。

当v≤vo,

当v＞vo时,

式中：hp为桥墩局部冲刷坑深度,m；Kζ为墩形系数,取1.0；B1为桥墩计算宽度,m ；d为河槽泥沙平均粒径,mm；n2为指数；v为一般冲刷后墩前行近流速,m/s,V=Ed-（1/6）hp（2/3）；vo为河床泥沙启动流速,m/s；vo'为墩前泥沙起冲流速,m/s。有关参数代入式（10）～式（13）,计算结果见表3。

表3 局部冲刷分析计算程序输入数据表

4.3 一般冲刷

依据《和田河防洪规划报告》中墨玉县英也尔乡防洪段（43+000～65+000）范围计算成果,一般冲刷深度为1.66 m,局部冲刷深度为3.53 m,防洪堤基础取5.50 m。计算方法采用《公路工程水文勘测设计规范》中的8.3.1-4式：

式中：hp为桥下河槽一般冲刷后最大水深,m；Ad为单宽流量集中系数，本次计算取1.8；Ad为单宽流量集中系数，本次计算取1.8；hcm为桥下河槽最大水深,m；hcq为桥下河槽平均水深,m；Bcj为河槽部分桥下过水净宽,m,当桥下河槽扩宽至全桥时,即为全桥桥孔过水净宽；Q2为桥下河槽部通过的设计流量,m3/s,当桥下河槽扩宽至全桥时,Q2=Qp；d为单宽流量集中系数；为桥墩水流侧向压缩系数,与桥孔跨径和流速有关,按规范表7.3.1-1取值, =0.95；E为与汛期含沙量有关的系数；d为河槽泥沙平均粒径,mm,根据该河床处的颗分曲线取d50粒径值。

4.4 总冲刷

总冲刷深度采用《公路工程水文勘测设计规范》中的8.3.2-1式对河槽黏性土河床冲刷深度进行计算。

式中：hp为桥下冲刷后的最大水深,m；A为单宽流量集中系数,取1.0～1.2；为桥墩水流侧向压缩系数,与桥孔跨径和流速有关,取 =0.95；Q2为河槽部分通过的设计流量,m3/s；IL为液限指数；Bcj为桥下河槽部分桥孔过水净宽,m；hcm为河槽最大水深,m；hcq为河槽平均水深,m。

4.5 冲刷分析

河床局部冲刷、一般冲刷及总冲刷计算结果见表4。工程段河流未修建任何堤防,河道均为自然河沟状态。河道河床均为粉细沙、细沙,允许不冲流速约为0.73 m/s,河床易于冲刷。在遇到设计洪水时,桥下会产生冲刷坑,上溯到桥上游和下游一定距离,对河道两岸的稳定产生一定的影响,在桥梁上下游附近的河道河床将会下切,河道两岸边坡将会滑塌。但考虑到桥梁的防洪标准较高,这种大洪水的发生概率相对较低,所造成的河床影响的程度也较低。即使发生了设计标准的大洪水,洪水发生后,所造成的冲刷坑也仅仅是分布于桥梁附近,不会改变整个河道的天然纵坡。在发生频率较高的中小洪水时,冲刷坑很快会被泥沙淤积填满,恢复原河道的纵坡,因此不会对原河道河床造成永久影响。

表4 冲刷深度计算成果表

5 结论与建议

本文以喀拉喀什河兴建大桥河道发生改造为例进行计算,计算结果表明两岸将形成一定冲刷和淤积,但对河道行洪安全不构成影响。在桥梁建成运行阶段,应增设必要的监测系统,定期对大桥桥桩以及两岸防洪工程冲刷进行监测工程建成后应加强近岸河道及防护工程的监测,及时发现并采取有效措施。遇特殊水情年,应加大监测力度,采取相应措施,以确保桥梁工程的正常使用。