榆溪河月河三路桥梁工程洪水影响评价分析

樊 宇

（榆林市水利工程质量安全工作中心,陕西 榆林 719000）

1 工程概况

榆溪河月河三路桥梁工程位于榆林市月河三路与沧榆高速相交处北侧约90.0 m 处,上跨榆溪河。根据河道断面需求,新建3 m×10 m 空心板桥一座。上部结构采用简支预应力混凝土空心板,下部结构采用柱式墩台,桩基础。桥梁长30 m,宽49 m,分为左右两幅,半幅宽24.5 m,与道路夹角为100°。结合《防洪标准》（GB 50201-2014）相关要求,月河三路跨榆溪河桥桥梁规模为小桥,设计洪水可采用50年一遇洪水标准。榆溪河流域属北温带季风气候区,项目区年均降水633.5 mm,年最大降水量1053.1 mm,年最小降水量281.3 mm,降水年际变化较大,降水的年分配也极不平均,降水多集中在7 月~9 月,占全年降水量的62%,1 月份最少,4 月份开始明显增加,9 月份后降水逐渐减少。工程区位于山区与陕北黄泛平原叠交地带,地势南高北低,地形较为平坦。地貌上属山前冲洪积倾斜平原,榆林—茌平凹陷的中东部,无全新活动断裂构造,无不良地质作用,场地稳定。

月河三路跨榆溪河桥梁位于榆溪河河道桩号11+720,现状为梯形断面,左右岸均无堤防。左岸原始地面高程28.70 m（国家85 高程,下同）,右岸原始地面高程28.83 m,现状河道左右两岸存有工程清淤扩挖堆土。现状河底高程 24.50 m,河口宽约28.25 m,河底宽 11.00 m,河道边坡1∶2,护坡形式为草皮护坡。榆溪河防洪标准为 20年一遇,堤防工程级别为 4 级。根据《堤防工程设计规范》（GB 50286-2013）,堤防工程的安全加高值为0.6 m,并考虑波浪爬高、风壅水面高度,依此设计规划堤顶高程。

2 洪水影响计算分析

2.1 水文分析计算

榆溪河月河三路桥梁的防洪标准为50年一遇,榆溪河防洪标准为20年一遇。选用等值线图法计算线路所处断面11+720 处河道设计洪水。榆溪河月河三路桥梁长断面以上流域面积在39.3 km2内,面积较小,设计雨期取24 h。由陕西省水文水资源勘测中心编制的“陕西省年最大24 小时点雨量均值等值线图”“陕西省年最大24 小时CV等值线图 ”查得榆溪河流域中心处H24=74 mm,CV=0.52,CS=3.5 CV。同取点面折减系数为0.964,进一步求得设计频率5%、2%的面雨量。等值线图共选用雨量站436 处,资料系列截止到1973年,本次对1973年以后有特大暴雨的站点进行了补充分析,系列长度均在35年以上,资料长度、精度均符合国家相关规范的要求,一致性和代表性较好；根据流域特性,榆溪河属于无定河的二级支流,设计日程分配采用无定河1 日雨型,符合当地实际。汇流计算采用陕西省综合瞬时单位线法。经计算,断面11+720 处 P=5%洪峰流量37.9 m3/s,P=2%洪峰流量50.6 m3/s。综上所述,本次计算的设计洪水成果基本合理。

根据确定的设计流量及河道断面设计参数等,考虑过建筑物水头损失,运用伯努利方程推求天然河道水面线的方法,自下而上推求不同设计标准的设计洪水位[1-3]。经计算,计算断面处（榆溪河河道桩号11+720）20年一遇设计洪水位为26.22 m；50年一遇设计洪水位26.54 m。

2.2 雍水分析计算

月河三路跨榆溪河桥梁工程建成后,受桥墩的阻水影响,桥址处河道的行洪水力条件将会产生一定的变化,过水面积将会减少。工程设计中将河道进行局部段扩槽治理,从而减小桥梁对河道行洪的影响,对现状断面及扩槽后河道断面分别进行评价[4]。现状断面行洪范围内共设桥墩2 个,桥墩采用混凝土圆柱形实体墩,基础采用桩基础。考虑桥墩在垂直水流方向上的投影宽度,发生20年一遇洪水时,桥墩总阻水面积3.44 m2,阻水面积占河道行洪断面总面积的13.85%,壅水高度为0.048 m,壅水长度为96.20 m；发生50年一遇洪水时,桥墩总阻水面积4.10 m2,阻水面积占河道行洪断面总面积的13.32%,壅水高度为0.050 m,壅水长度为99.85 m。扩槽断面行洪范围内共设桥墩2 个,桥墩采用混凝土圆柱形实体墩,基础采用桩基础。考虑桥墩在垂直水流方向上的投影宽度,发生20年一遇洪水时,桥墩总阻水面积3.44 m2,阻水面积占河道行洪断面总面积的7.14%,壅水高度为0.023 m,壅水长度为46.99 m；发生50年一遇洪水时，桥墩总阻水面积4.10 m2,阻水面积占河道行洪断面总面积的7.18%,壅水高度为0.025 m,壅水长度为46.99 m。

2.3 冲刷与淤积分析

桥梁墩台附近河床床面总的冲刷深度,应是河床演变、一般冲刷和局部冲刷深度的总和。实际上,在桥位河段冲刷过程中,上述三种原因引起的冲刷是交织在一起同时进行的。为了便于分析和计算,本次计算时将三种冲刷深度分别分析确定,然后再叠加起来。对于河床的自然演变冲刷,目前尚无可靠的计算方法,且短时间内变化较小[5],可忽略,在此只对一般冲刷及桥墩局部冲刷进行分析计算。计算时假定局部冲刷是在一般冲刷完成的基础上进行的。冲刷计算成果见表1。

表1 冲刷计算成果表

从冲刷深度的计算结果看,现状河道断面的冲刷主要为局部冲刷,一般冲刷深度较小。主要原因是河底处所处粉质粘土层,粘土中细颗粒含量高,在颗粒表面形成薄且结合牢固的粘结水膜,粘滞性很大,抗冲能力强。冲刷深度随着河道流量的增大而增大,反映了随着河道流量的增大,水流流速也随之增大。

2.4 波浪、桥下净空与最低板底高程分析

桥梁梁底高程应高于水利工程设计或校核防洪（潮）水位加安全超高要求,且满足桥梁防洪标准要求；桥面高程不得低于规划和现状堤顶高程。同时,非通航河流桥下最小净空高度高出设计水位（设计水位计入壅水、浪高等）的最小高度为0.5 m[6]。根据月河三路桥桥型布置图,河口上方桥板底最低高程为27.881 m。

由表2 可知,在不同设计标准下,考虑壅水、波浪、超高等因素,月河三路桥板底净空均大于0.5 m,满足规范要求。

表2 桥板底净空计算表

2.5 防洪综合评价结论

拟建桥梁施工时,河道治理工程已完成,势必会影响到河道治理成果,增加工程实施的难度,有关部门对此问题应进行协商,既要保证工程的顺利实施,又不影响河道断面规划成果。榆溪河现有堤防段外缘控制线为现状堤外脚线外5 m范围线,非堤防段外缘控制线为现状河槽边缘线10 m范围线。现状河道未按规划进行确权划界,未来将不可避免地要对该段河道按规划进行确权划界,同时会根据确权划界后的河道管理范围进行河道系统整治。桥梁建成后,会给今后的河道治理工程造成一定影响,增加治理的难度[7]。

本工程所在河段岸线划为控制利用区,其外缘控制线为河道确权划界管理范围外缘线,即河岸线外10 m。岸线控制利用区容许进行生态景观和跨河公路项目建设,但应满足所在河段堤防的远期防洪标准。本工程其防洪标准满足榆溪河远期防洪要求,与岸线利用管理规划相适应。

根据桥梁设计部门提供的资料,在河道行洪断面内共有桥墩2 排,缩小了河道有效过流面积,致使水流在桥前收缩,发生壅水现象。由于建桥后桥墩阻水减少了河道有效的行洪断面面积,降低了河道的行洪能力。月河三路跨榆溪河桥梁工程影响行洪计算结果见表3。由此可见,建桥后桥墩阻水比为7.14%~7.18%,对河道的行洪能力影响较小,不会对重要设施防洪安全产生影响。

表3 影响河道行洪计算成果表

根据拟建桥梁平面图,桥梁纵轴线与河道水流流向的交角为100°,位于河道内的同组桥墩轴线与水流流向交角为0°,桥梁建成后,受桩基布设的影响,桥位处河道断面的原有状况将会发生变化,桥下水流的流态、流势都会与建桥以前有所变化,水流条件的改变将会使得桥位上下游局部河段的河槽形态也随之发生一定的变化。桥位处河道过水断面的缩小,会导致流速加大,加重对桥下河道的冲刷,对河势稳定有一定的影响。经计算,50年一遇洪水时,河道主槽总冲刷深度为0.82 m。由于局部冲刷的作用,在桥址附近河床形成淘刷,且由于水流流态的改变,有效过水面积的减少,桥下流速以及近岸流速将增大,因此对河势稳定和岸坡安全有不利影响。由于壅水影响水面坡降变缓,导致水流挟沙能力降低,会造成上游回水区的淤积。桥位上游若泥沙淤积量太大,也会改变现有河道的结构及河道水流的流势、流态,对河道的防洪产生一定的不利影响。因实测资料限制,对桥位处河道淤积情况难以进行定量分析。但从长远来看,水沙冲淤存在着动态平衡[8],河床基本稳定。

3 结语

针对月河三路跨榆溪河桥梁工程对河道行洪、堤防安全以及河道管护造成的影响,采取的工程影响防治措施有：岸坡防护工程。根据地形条件,结合工程现状,并征求地方主管部门的意见,以桥址处中心,顺河道方向在其上游30 m、下游40 m 范围内对岸坡进行护砌。岸坡护砌采用 “扭面护坡+平面护坡”型式,均采用M10 浆砌块石,下设100 mm厚碎石垫层,护砌高度4.0 m。

榆溪河为20年一遇防洪标准,月河三路跨榆溪河桥梁工程设计洪水标准为50年一遇,高于河道防洪标准,满足河道现有的防洪标准要求。由于建桥后桥墩阻水减少了河道有效的行洪断面面积,降低了河道的行洪能力,对河道的行洪能力有一定的不利影响。大桥建成后桥墩阻水,桥址处水流流速增大,加剧了对河岸的冲刷,对堤防边坡的稳定有不利影响。月河三路跨越榆溪河桥桥面及梁底高程的设防标准是适当的。工程施工中要建设大量临时建筑物,势必影响防汛抢险工作。桥梁施工期应尽量选择在非汛期河流流量小的时候进行桥梁基础工程施工,并在汛期到来之前施工到设计水位以上。汛期来临前要清理河道施工区的一切临时建筑物,以恢复河道过流能力,不影响河道行洪。若不能避免汛期施工,有关部门一定要制定严谨的度汛方案,并报请当地河道主管部门审批,确保汛期河道的正常行洪。建设单位应按照设计要求,与月河三路跨榆溪河桥梁工程建设同步实施岸坡防护补救工程。补救工程应由相应施工资质的单位施工,并委托相应资质的单位进行监理和质量检测,确保工程质量。后续运营管理过程中,建设单位应对河道管理范围内的建筑物负责,并应服从水行政主管部门安排。