跨河桥梁对河道行洪的影响分析

安瑞瑞

（中路黄河（山西）交通科技集团有限公司，山西 太原 030006）

跨河桥梁建设会改变河道水流形态、影响局部冲淤平衡，对河道的行洪能力产生一定的影响。对跨河桥梁进行防洪评价，是保证河道满足一定行洪标准的必要环节。

1 工程概况

拟建沁河大桥位于阳城县润城镇王家庄村附近的沁河主河道河段，为高速公路跨河大桥，地处太行山峡谷地带。桥梁全长578 m，桥面净宽25 m，全桥3联。上部结构采用预应力混凝土（后张）连续箱梁，预应力混凝土（后张）简支变连续T梁；下部结构，桥墩采用墙式墩、柱式墩，桥台采用桩柱式桥台；采用钻孔灌注桩基础。主河床桥墩尺寸7 m×5 m，墩高约72 m。墩台采用桩基础，桥梁下部结构中，主河床承台埋深约2 m，桩基础埋设在冲止标高以下。

桥梁垂直沁河主线方向铺设，桥墩轴向平行主槽水流方向。大桥设计高程为548.326~559.271 m，梁底板最低高程为546.397 m，河床高程为475.62 m。

2 防洪评价计算

依据《防洪标准》（GB 50201-2014），沁河大桥防洪标准为100年一遇，沁河河道防洪标准采用20年一遇。

2.1 水文分析计算

张峰水库位于拟建大桥断面上游69.6 km处，是一座大（二）型水库。因此分析计算大桥断面洪水，就需要考虑水库下泄洪水和水库至计算断面区间洪水的遭遇和组合，计算断面洪水需采用地区洪水组成法。经过张峰水库的调洪演算，得P=1%的最大下泄流量为2 518 m3/s，P=5%的最大下泄流量为699 m3/s。对于区间洪水，因无参证水文站，故按无资料地区经验公式法进行计算，得P=1%的区间洪峰流量为2 380.4 m3/s，P=5%的区间洪峰流量为1 664.2 m3/s。综上可得100年一遇设计洪水洪峰流量为4 898.4 m3/s，20年一遇设计洪水洪峰流量为2 363.2 m3/s。

通过水面线计算公式，利用河道水力计算HECRAS软件，输入实测河道横断面，设置起推断面，沁河河道水面线起推断面以润城水文站为起推断面，起推水位为481.52 m。根据图1润城站水位-流量关系曲线确定水面线起推初始水位。

图1 润城水文站水位-流量关系曲线

其他上、下游无水文站河道，水面线下游起推断面以临界水位作为起推断面。采用逐段试算法从下游往上游开始推算，水面线推算采用能量守恒方程公式：

式中：Z1、Z2——上、下游断面的水位，m；

V1、V2——上、下平均流速，m/s；

α1、α2——上、下游断面的动能修正系数（均取1）；

g——重力加速度，m/s2；

Q——河段的平均流量，m3/s；

△L——断面的间距，m；

ξ——局部水头损失系数；

河段上游断面和下游断面流量模数平均值计算公式：

本次计算，沁河100年一遇洪峰4898.4m3/s情况下，润城水文站断面洪水位是481.25 m，计算结果与润城水文站水位流量关系计算的481.52 m相近；本次计算沁河20年一遇洪峰流量2 363.2 m3/s情况下，润城水文站水位标高为480.01 m，与润城水文站1982年洪峰流量2 710 m3/s情况下实测最高水位为479.95 m相近。综合上述水位比较，本次水位计算结果较为合理，最终计算得沁河大桥桥位100年一遇洪水位为485.95 m。

2.2 河床冲刷计算

桥梁墩台的冲刷深度，包括河床自然演变的冲刷深度、一般冲刷深度及局部冲刷深度三部分。基于沁河河道的历史及近期演变，分析河道演变趋势，总体河床稳定性较好，可以不考虑自然演变冲刷。

河槽一般冲刷根据《公路工程水文勘测设计规范》（JTG C30—2015）推荐的非粘性土河床有关公式和方法计算。

2.2.1 一般河槽部分冲刷计算公式

式中：hp——一般冲刷后的最大水深，m；

Ad——单宽流量集中系数，取1.03；

Q2——设计流量，m3/s；

μ——侧向压缩系数；单孔净跨径为40 m，流速≥4.0，取0.96；

Bcj——河槽宽度，m；

hcm——河槽最大水深，m；

hcq——河槽平均水深，m；

E——与汛期含沙量有关的系数，经分析取0.66。

2.2.2 桥墩局部冲刷

非粘性土河床桥墩局部冲刷计算：

①当v≤v0时：

式中：hb——桥墩的局部冲刷深度，m；

Kξ——墩形系数，取1.2；

Kη1、Kη2——河床颗粒影响系数；

B1——桥墩计算宽度，3.5 m；

hp——一般冲刷后的最大水深，m；

v——一般冲刷后墩前行近流速，m/s；

v0——河床泥沙起动流速，m/s；

v0′——墩前泥沙起冲流速，m/s；

n1——指数。

根据计算结果，P=1%时，一般冲刷水深为10.11 m，局部冲刷为3.28 m；P=5%时，一般冲刷水深为4.79 m，局部冲刷为2.79 m。

2.3 壅水、回水分析计算

拟建沁河大桥下游1.5 km处有润城水文站，以润城水文站为起始断面，利用HEC-RAS软件推求水面线。根据水面线计算成果可得拟建沁河大桥P=1%最大壅水高度为0.11 m，壅水回水长度为1 500 m；P=5%最大壅水高度为0.07 m，壅水回水长度为1 400 m。

2.4 桥梁过流能力复核

桥梁底部高程为设计洪水位、壅水高度、波浪壅高、风壅增水高度和桥下净空安全值之和。根据规范，P=1%时梁底高程计算值：hmin为486.820 m。故设计值546.397 m满足100年一遇的安全超高要求。

3 桥梁对河道的行洪影响分析

3.1 对防洪标准、水利规划适应性分析

根据《临汾、晋城市境内沁河河道（长263 km）治导线规划报告》（以下简称《治导线规划》），沁河大桥跨越河道桩号为K 299+000，治导线宽度为243.51 m，沁河大桥设计长度为578 m，所以桥梁长度符合治导线宽度要求，其中沁河大桥4—7号墩位于沁河治导线规划范围内，边墩位于河道指导线范围以外。

3.2 对行洪安全、河势稳定的影响分析

桥墩的布置减小了有效行洪断面面积，但建桥前后河道过流面积变幅较小。桥前水位最大壅高值0.11m，相对于该河段洪水位陡涨陡落的自然变幅较小；最大水位回水长度1 500 m，壅水影响范围较小。桥墩的阻水导致桥墩上下游流速有所减小，但流速变化小，扰流作用影响弱，整体阻水程度不大，对河槽和岸线影响较小。桥墩处压缩水流造成的冲刷深度较小，河道平面型态无明显改变；桥下河槽冲刷有利于淤积型河道行洪断面的恢复。桥梁对行洪能力和整体河势影响不大，对于桥底天然河道可增设堤防保护。

4 影响防洪评价的问题分析

由于防洪评价是在桥梁设计的基础上进行的，在之后的具体施工和运行阶段，可能受到某些因素的影响导致现有河道与进行防洪评价的河道状况有所差异，从而影响防洪评价的可靠性，因此有必要对影响防洪评价的问题进行分析。

4.1 桥梁设计期的问题分析

针对桥梁的选址应充分考虑河流的地质情况以及河流的具体特点。相对于平原地区，山区的地质环境复杂，水流扩散问题突出、平面不稳定，河流变化较大，其地质结构在渗透和河流的冲击下也会发生明显改变，对河道防洪产生直接或间接作用。因此，对于特殊地区，进行防洪评价应按具体情况进行分析与计算。如案例中必须考虑到上游水库以及下游水文站等水利工程的情况。

在充分利用实测流量资料，考虑历史洪水调查资料的基础上，根据《山西省水文计算手册》中推荐的方法进行设计洪水计算。在此基础上分析已有资料和实地情况，选取合适的评价计算方法并复核校对。如案例中也可利用拟建大桥下游1.5 km处水文站的水文资料通过水文比拟法进行水文分析计算，但因没有考虑张峰水库建库前后的资料一致性以及张峰水库调蓄影响，所以此方法不能被采用。

4.2 桥梁施工期的问题分析

桥梁施工要注重减小对原有河道形态产生人为破坏。桥梁施工往往会造成河道形态和河底形态发生变化，可能会导致运行期河道情况与防洪计算时的河道形态差别较大，对河道行洪产生不利影响，从而影响防洪影响评价的可靠性与安全性。桥梁的不合理施工以及施工后的缺陷都有可能产生较大的影响，因此，在施工结束后，要做好施工弃土弃渣运至指定地点，禁止堆放在河道内。特别是在汛期施工，施工设施以及附属条件都将会对河道行洪产生影响，在防洪安全有保障的前提下，应该尽量减小由于施工情况产生的非自然因素对河势和河道形态的影响。

4.3 桥梁运行期的问题分析

桥梁运行期的主要问题是人类日常生产活动，对跨河桥梁河道的行洪影响。主要包括对河道及周围资源的违规开发利用、日常垃圾堆放、弃渣排放等，都会对河道的行洪能力产生影响。运行期若桥梁附近有相关水利工程或者其它工程新建，对于影响到河道防洪能力的，必须进行新条件下的防洪评价，并积极采取相应的补救措施。

5 结语

建设单位在工程建设期间，必须严格按照设计方案放线施工，确保行洪安全。必须承担占用范围内的防洪任务，接受当地河道主管部门的日常监督和管理，服从防汛指挥机构的统一指挥，汛前应及时编制防汛抢险预案，明确防汛责任人，加强汛期管理。工程竣工后，必须由河道主管机关参与验收，验收不合格，工程项目不得投产使用。对于桥墩阻水所造成的冲刷，建议在桥梁中墩上下游附近做好防护工程，尽量减少水流冲刷造成的影响。