桥梁群壅水分析计算方法在防洪评价中的应用——茅洲河新建跨河桥为例

◎赖宇宁 深圳市水务规划设计院股份有限公司

现有的研究及常用的经验公式大多是针对单一桥梁的，对于同一河段上修建两座及多座桥梁引起的水位壅高联合影响研究的并不多。

本次以深圳市茅洲河新建跨河桥为例，针对新建桥梁上游有两座现状桥梁组合而成的桥梁群壅水计算，通过常用的经验公式和MIKE一维模型分别计算及对比，初步得出在实际工作中桥梁群壅水计算方式和计算过程中的一些启发。

1.案例简介

本次案例涉及深圳市茅洲河，拟新建一座跨河桥梁（以下简称桥梁A），采用三跨过河的方式跨越茅洲河。同时，桥梁A上游1km范围内有两座现状桥梁B和C，且现状桥梁均在河道行洪断面内设有桥墩。由于桥梁A建设方案涉及河道管理范围，需对其进行防洪评估分析。在防洪评价水文计算章节，应重点对桥梁A建设前后对河道行洪影响进行分析计算。本次案例的特点是，桥梁壅水计算应将现状桥梁一并考虑，进行桥梁群的壅水叠加影响分析。

2.河道概况

茅洲河干流流经深圳市与东莞市的接壤处，该河道天然水系发源于石岩水库上游——羊台山，流经石岩、光明、公明、长安（属东莞市）、沙井等街道辖区，流域总面积为343.52km，其中深圳境内面积266.14km，石岩水库坝下至珠江口，干流全长31.29km，河床平均比降0.71‰。

桥梁A所涉河段河底宽约40m，上口约宽75m，为梯形复式断面，河底高程约4.4m，左岸堤顶高程约为12.39m，右岸堤顶高程约为11.78m，百年一遇洪水位10.06m。目前该河段综合整治工程已建设完成。

图1 茅洲河流域水系图

3.设计方案

桥梁A采用三跨过河，分两幅，全长85m，跨径布置为25+25+25m，桥梁宽48m。河道管理范围内有四排桩，其中两排桩位于河道行洪断面内，每排桩有八个桥墩。

4.防治补救措施

对桥台临水侧岸坡进行拓宽改造，桥墩占用河道过流断面15.72m，补偿过流断面40.74m，拓宽范围为桥梁上下游50米范围，河底铺砌浆砌石片以减少冲刷。

5.项目上下游现有工程情况

现状桥梁B位于桥梁A上游约128m，4跨过河，单跨宽16m，总跨64m，桥宽5m，顶板高程10.77m。

现状桥梁C位于桥梁A上游约574m，4跨过河，单跨宽16m，总跨64m，桥宽9.2m，顶板高程11.55m。

6.项目建设对河道行洪影响

6.1 计算标准

桥梁A工程未改变片区汇水，因此本次计算直接引用《河道综合整治工程初步设计》中的洪水计算成果，防洪标准采用100年一遇，设计洪水成果见表1。

表1 A桥断面设计洪水成果表

6.2 壅水分析

根据跨河桥梁工程特性，本次采用经验公式法及MIKE11建模方法，计算桥梁A运行期在设计洪水条件下的壅水高度和壅水距离。

6.2.1 计算方法

（1）经验公式法。

1）桥前壅水。

桥前最大壅水高度可采用以下公式计算：

式中：

ΔZ－桥前最大壅水高度（m）；

Q－天然状态下桥下通过的设计流量（m/s）；

ω－桥下过水面积（m）；

V－桥下平均流速（m/s），

Q－设计流量（m/s）；

ω－桥下净过水面积（m）；

图2 桥梁平面图

图3 桥梁与河道立面关系图

K－考虑冲刷引入的流速折减系数，反应桥下流速随河床冲刷断面增大而减小的系数；K=1。

2）壅水曲线长度。

根据水力学明渠恒定流水面曲线长度的分段求和法计算，计算公式为：

式中：

L——壅水曲线长度；

I——水面比降；

其余符号意义同前。

（2）MIKE11一维模型。

图4 建桥前水面线结果

图5 建桥后水面线结果

表4 A桥桥位处壅水计算成果表

本次计算采用丹麦丹华水利环境技术有限公司（DHI）的MIKE11软件，通过水动力数学模型推求不同流量下的水面线。

MIKE 11 HD是一维水动力模型，主要用于洪水预报及调度措施，河渠、灌溉系统的设计调度及河口的风暴潮的研究。该模型是基于圣维南方程组，方程组用6点Abbott隐式有限差分法离散，用追赶法求解。计算网格采用交叉网格方式（交替水位点和流量点）。

6.2.2 计算结果

本次计算仅考虑运行期工况（不考虑河道拓宽补偿措施），计算结果见表2、表3。

表2 A桥桥位处壅水计算成果表（经验公式法）

表3 A桥桥位处壅水计算成果表（MIKE11模型计算）

本次一维建模将桥梁A、B和C一并考虑，为保障模型稳定运行，将桥梁采用箱涵叠加过水堰的形式进行概化。

根据计算结果，取最不利情况，当河道过洪峰流量526m/s时，A桥上游河道水位由建桥前的10.06m壅高至10.133m。同时，经MIKE模拟补偿措施实施后，壅水情况得以改善，对河道行洪几乎不会产生不利影响。

6.3 分析对比

在本次案例中，常用的壅水计算经验公式未体现桥梁群的壅水叠加因素，其计算结果仅作为一个参考，MIKE模拟计算结果相比于经验公式计算结果更为合理。

7.结论与建议

本次案例通过常用的经验公式及MIKE一维模型等方式对新建桥梁壅水情况进行计算分析和对比，由于新建桥梁上游有两座现状桥梁，三桥叠加产生的壅水影响是防洪评价计算中应该考虑的重要问题。

从上述分析对比可以看出，在涉及桥梁群的壅水计算中，MIKE模型模拟方式有一定的优势。鉴于MIKE一维模型稳定性等方面的考虑，本次案例经过多次多种方式调试模型发现，上边界采用流量关系曲线优于定值流量，以箱涵组合过水堰的方式概化桥梁优于直接采用桥梁断面法。

上述结论以期为后续相关案例提供一定的参考意义。此外MIKE21在平面二维自由表面流数值模拟方面具有强大的功能，软件自带构筑物选项，可以实现简单桥墩结构的模拟。但MIKE二维建模需有精度较高的地形数据，建议有条件的情况下可进一步采用MIKE二维模拟，对计算结果与实际贴合程度有一定的提高。