裕安区乡级公路畅通工程新建桥防洪影响分析

陆 璐

(安徽省淠史杭灌区管理总局设计院，合肥 230088)

安徽省裕安区乡级公路畅通工程苏埠横排头至城南关王庙建设工程位于苏埠镇与城南镇境内，路线途经横排头村、崔院子、戚家桥、关王庙，是连接苏埠镇及城南镇的主要道路，也是城南至横排头景区重要的旅游通道。本次乡级公路畅通工程的建设完善了交通路网，符合现状交通路网的规划，将促进绿色城南建设的进程。安徽省裕安区乡级公路畅通工程全路线位于淠河总干渠左岸背水坡，起点位于横排头景区东北门处，与X001平交，沿线向淠河总干渠下游延伸至樊通桥段，途中下穿济广高速公路、S366、合武高铁及宁西铁路，并与戚家桥597乡道相交，终点与城南镇南河大道平交，路线全长19.006km。乡级公路畅通工程道路设计采用沥青混凝土路面结构，一般路段路基宽12.0m，路面宽9.0m，路面结构为4cmAC-13+8cmAC-25+36cm水稳+20砂砾石底基层。

线路途径总干渠桩号11+000处戚家桥泄水闸下游渠道交叉处拟建一座T梁桥。该桥梁工程项目进行防洪影响评价分析非常必要，文章基于Mike11模型中的水动力模块(HD Module)构建该渠段的洪水分析模型，分析桥梁建设对渠道水位的影响；并根据模型结果，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，以分析新建桥梁建设前后对河道行洪的影响[1]。

1 桥梁工程概况

新建桥梁位于淠河总干渠戚家桥泄水闸消能防冲段下游，距离泄水闸约80m处，桥址处渠段未整治，现状过水断面狭窄，输水不畅。桥梁建成后，桥墩占用桥下过水断面，过水断面面积减少，对泄洪通道输水有一定阻碍作用，桥前水位抬高，形成一定的壅水。本次桥梁建设在桥址处渠段开挖成标准断面的基础上进行修建。新建桥梁为一座三跨预应力钢筋混凝土T梁桥，桥梁总宽12m，长54.04m，孔径布置为3m×16m。桥梁结构图见图1。桥梁下部结构采用桩柱式桥墩、桥台桩基接盖梁，桥梁轴线与水流方向夹角为120°，桥墩轴线与水流方向一致。该乡级公路畅通工程公路等级为二级公路标准，设计洪水频率为2%。工程所在的渠段为淠河总干渠上游段，渠道设计引水流量300m3/s，横断面底宽60m，水深5m。戚家桥泄水闸位于淠河总干渠11+000处，3孔，单孔宽5m，闸底高程47.33m，50a设计下泄流量为151m3/s，闸上水位51.83m，闸下水位50.60m。

图1 戚家桥泄水闸下游通道拟建桥梁结构图

2 设计洪水

拟建桥梁位于戚家桥泄水闸下游80m，则桥梁坝址控制断面的设计洪水可直接采用戚家桥泄水闸处设计洪水成果。

戚家桥泄水闸位于淠河总干渠与凤凰河(十里桥河)交汇处总干渠左堤，其作用是泄淠河总干渠洪水入凤凰河，经凤凰河排入淠河。戚家桥泄水闸建成于1959年7月，闸身结构型式为开敞圬工结构，闸坎高程47.33m，单孔宽2.84m，共有5孔。戚家桥泄水闸下泄洪水来自淠河总干渠以南戚家桥上游渠侧区域60.41km2汇水面积内来水，下泄至凤凰河内。根据已批复的《凤凰河综合治理工程初步设计报告》，因流域内无实测流量资料，故采用暴雨间接计算，其设计成果如下：

凤凰河主源被淠河总干渠截断，在总干渠和原河道相交的地方建有戚家桥泄水闸，主要承泄总干渠渠首-泄水闸之间总干渠南侧坡面来水，集水面积60.41km2。设计标准：50a一遇设计，200a一遇校核。总干渠南侧坡面来水产汇流采用“84办法”计算。经渠道调蓄，再下泄。设计标准情况下控制下泄流量为151m3/s，校核标准情况下控制下泄流量为201m3/s。

3 壅水分析

3.1 Mike11模型的建构

3.1.1 模型的基本原理

Mike11为一维河网水动力模型，它基于垂向积分的物质和动量守恒方程，其基本方程是一维明渠非恒定渐变流控制方程，即圣维南(Saint-Venant)方程组来模拟河流的水流状态，如下公式，第一个方程为当无旁侧入流时连续性方程(质量守恒定律)，反映了渠道中的水量平衡；第二个方程是动量运动方程(牛顿第二定律)。

(1)

式中：x为空间坐标；t为时间坐标；Q为过水断面流量；h为水位；A为断面过流面积；R为水力半径；C为谢才系数；g为重力加速度。

模型采用Abbott六点隐式差分格式求解，这种格式是在每个网格点不同时按顺序交替计算水位或流量，分别称为h点和Q点。第一个方程以水位点h为中心，第二个方程则以流量点Q为中心。

3.1.2 模拟范围及参数设置

1)模拟范围：

模拟范围为新建桥上下游，起点为工程下游2.0km，终点为工程上游75m即戚家桥泄水闸闸下断面，总长2.075km。

2)沟道及断面文件：

根据淠河总干渠的现有设计文件、地形测量底图等资料，通过ArcGis工具结合流域实测地形图对沟道数据进行概化处理生成Shape文件，带入Mike11河网文件中可获取其中的空间地理信息。

根据总干渠实测数据结合设计文件共布设本项目的10个模拟断面基本情况，断面平均间距200m左右；并绘制各断面数据文件。

3)边界文件：

边界条件为上游以戚家桥泄水闸闸下断面水位为边界，下游为桥下游1.0km的渠道断面，利用曼宁公式推求水位流量关系曲线，作为下游边界条件。区间无河流汇入。

4)参数文件：

参数文件在实际经验中，很多属性维持默认即可，一般要设置的为初始文件设定和糙率设置。初始文件主要包含初始水位和初始流量，主要目的是为模型平稳启动，原则上与开始时刻的实际河网水动力边界条件一致。其次另一个主要参数为河道糙率，糙率是衡量河道边壁粗糙程度对水流运动影响并进行相应水文分析的一个重要系数，取值的准确定度是一维数值模拟的关键，会直接影响模型计算的精度[2]。

糙率的选定主要与渠道大小、类型等因素有关。对沟道现状进行调查，根据天然河道的糙率表，沟道进行过整治，河底为砂砾或卵石组成，坡底比较均匀，床面比较凭证，按分类糙率取值范围在0.025-0.029，结合实地勘查情况及淠河总干渠该段糙率试算成果，糙率取值为0.0257，形成参数文件。

5)桥梁断面概化：

该新建桥可简化由桥墩和桥面组成的箱涵，在模型中桥断面设置箱涵的数量、长度、上下游底高程等相关参数。通过在模型中设置有无桥梁两种工况情况。

3.2 模拟结果

根据各参数的设定及边界条件，采用Mike11一维水动力模型计算分析新建桥梁前后的水面线。新建桥梁断面情况见表1，计算50a一遇设计流量为151m3/s，净过水断面的面积为102.4m3，建桥前后流速分别为1.348m/s、1.475m/s，建桥后平均流速增加了0.127m/s，建桥前后的行洪形势变化较小，水面线成果如表2所示。

表1 新建桥断面基本参数

表2 新建桥梁前后的设计水面线成果表(50a一遇)

桥梁建成后，桥墩占用桥下过水断面，过水断面面积减少，并且桥前水位抬高，形成一定的壅水。由表2可知，新建桥梁50a一遇设计流量下前后对应水位分别为50.604m、50.622m，上游最大壅水高度为0.018m，壅水范围约为36m。

3.3 不同计算方法成果比较

新建桥梁工程前后壅水计算也采用了经验公式，公式如下：

(2)

式中：α为动能校正系数，文章取值1.1；ξ为过水面积收缩系数，取0.85-0.95；B为河宽，m；V为建桥前断面平均流速，m/s;h为建桥前断面平均水深，m;△Z为最大壅水高度，m;∑b为建桥后过水断面总宽，为河宽减去桥墩总宽，m。

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来计算，计算公式如下：

(3)

式中：I为水面比降。

经计算，经验公式法和Mike11模型计算成果见表3。

表3 Mike11和经验公式法计算成果表

1) Mike11模型计算最大壅水值和经验公式法壅水值在P=2%工况下最大壅水值计算成果相差不大。

2)Mike11模型计算方法属于水动力数学模型，在合理的率定基础上，其壅水计算结果更具可靠性、可信性[3]。

3)Mike11模型计算方法对断面数据资料要求较高，因此尽可能多的布设断面，以便提高计算精度。

4 冲刷分析

戚家桥泄水闸下游泄洪通道桥梁建成后，在50a一遇设计洪水位下，桥下水流受桥墩的阻壅作用，过水断面都会因桥墩占用而减小，使得渠道中单宽流量增加，通过建桥前同样大小的流量，桥下流速必然增大，水流挟沙能力也相应增加，导致河床产生一般冲刷；同时，因桥墩前水流受到阻挡与干扰，在桥墩附近形成复杂的水流结构，导致桥墩周围出现局部冲刷[4]。

由桥址处渠道内的地质钻探资料可知，桥址河床由黏性土组成，计算公式采用《公路工程水文勘测设计规范》(JTG C30—2015)推荐的黏性土冲刷计算公式，取一般冲刷和局部冲刷最不利组合作为河床冲刷计算结果。

4.1 一般冲刷

河槽部门一般冲刷计算公式为：

(4)

式中：hp为桥下一般冲刷后的最大水深，m；Q2为建桥后河槽部分通过的设计流量，m3/s；μ为桥墩水流侧向压缩系数；设计流速<1.0m/s时，取值为1；Ad为单宽流量集中系数，其取值范围为1.0-1.2，本次计算取1.1；Bcj为河槽部分桥孔过水净宽，m，当桥下河槽能扩宽至全桥时，全桥孔过水净宽，本次取值30m；hcm为河槽最大水深，m；hcq为河槽平均水深，m；IL为冲刷范围内黏性土样的液性指数，取值范围为0.16-1.19，本次计算取0.17。

经计算，该桥一般冲刷深度的最大水深为1.977m，<50a一遇河槽最大水深4m，因此，该桥不会发生一般冲刷。

表4 河槽部分一般冲刷计算成果表

4.2 局部冲刷

黏性土的桥下局部冲刷计算公式为：

当hp/B1≥2.5时，hb=0.83KξB10.6IL1.25V

当hp/B1<2.5时，hb=0.55KξB10.6hp0.1IL1.0V

(1)

式中：hb为桥墩局部冲刷坑深度，m；Kζ为墩形系数；B1为桥墩计算宽度，m；d为河床质平均粒径；V为一般冲刷后墩前行近流速，m/s；其余符号意义同前。

本次经计算，该桥局部冲刷深度为0.368m。

表5 拟建桥梁墩局部冲刷计算成果表

4.3 冲刷计算结果

拟建桥址附近河段主河槽为粉质黏性土组成，经计算，戚家桥泄水闸下游泄洪通道新建桥梁在50a一遇设计水位条件下不会发生一般冲刷，但是局部冲刷深度为0.368m。取一般冲刷和局部冲刷的最不利组合为0.368m确定墩台基础埋置深度。按照《公路桥位勘测设计规范》要求，墩台基底埋在墩台局部冲刷线下的深度≥规定的安全值。

5 工程影响防治措施

拟建桥址位于戚家桥泄水闸下游泄洪通道处，该处渠段未整治，现状桥址处断面底宽为9m，达不到标准断面底宽宽度，根据桥梁布置方案，桥梁建设在渠道开挖至标准断面的基础上进行修建，建桥后1号、2号桥墩位于渠槽内，桥墩阻水减少了渠道的有效过水断面面积，需对桥址处渠段输水断面进行补偿，以恢复渠道输水能力。

泄洪通道整治渠段设计成果中，标准断面设计水位50.60m，设计底宽20m，纵坡比降1∶2000，左右岸边坡坡比1∶2.0，标准断面50a一遇洪水水位下桥墩占用面积为9.60 m2，过水面积减少了8.6%。综合考虑工程渠段地形和渠道断面情况，断面开挖和补偿可在渠道左右岸同时进行，补偿面积按桥墩阻水面积的1.2倍控制，即控制补偿面积为11.52m2。断面开挖方案：现状断面左右岸自渠底各向外开挖5.5m达到标准断面底宽宽度，在此基础上，再各向外开挖1.5m，以1∶2.0的坡比开挖迎水坡至渠顶。按照此方法开挖，补偿输水断面面积为12.12m2。

新建桥梁位于戚家桥泄水闸泄洪通道内，需对渠道断面开挖补偿后须对上下游进行护砌，上游与已整治渠段衔接，护砌长度约30m，下游护砌长度30m。护砌形式采用六边形预制块结构，厚0.1m，下设0.1m厚的瓜子片垫层。

拟建桥梁梁底高程为52.0m，该渠段发生50a一遇洪水时桥底净空高度为1.378m，符合《安徽省实施<中华人民共和国河道管理条例>办法》第十七条关于桥梁底高程的要求。

6 结 语

1)淠河总干渠戚家桥泄水闸下游泄水通道内新建桥梁50a一遇洪水条件下桥梁产生的最大水位壅高为0.02m，最大壅水长度约为36m，其建设满足规范要求，对原渠道行洪不会造成明显不利的响。

2)工程建成后遇50a一遇洪水时不会发生一般冲刷，局部冲刷深度为0.368m，取一般冲刷和局部冲刷最不利组合作为河床冲刷计算结果。

3)综合考虑工程渠段地形和渠道断面情况，断面开挖和补偿在渠道左右岸同时进行，补偿面积按桥墩阻水面积的1.2倍控制，即控制补偿面积为11.52m2。

4)文章也充分说明利用MIKE11模型计算水面线成果，计算方法比较简便易行，结果精度高；其应用广泛。