泗张拦水坝溃决洪水对下游桥梁影响分析与评价

崔 魁，陈建锋，柳文杰

（1.山东省水利科学研究院，山东 济南 250014；2.山东省水资源与水环境重点实验室，山东 济南 250014；3.山东省调水工程运行维护中心，山东 济南 250100；4.山东省调水工程运行维护中心莱州管理站，山东 莱州 261400）

拦河坝或其他挡水建筑物瞬时溃决，发生水体突泄所形成的洪水称为溃决洪水。溃决洪水及其演进分析是编制涉水工程安全管理应急预案的基础，是水利工程发生突发性安全事故时科学应对、避免或减少人员伤亡和财产损失的重要非工程措施。本文以济宁市泗水县泗张拦水坝为研究对象，对泗张拦水坝溃决洪水计算及洪水演进进行分析，对类似拦水坝溃决洪水灾害预防和对下游桥梁运行安全分析评价具有一定的借鉴和参考意义。

1 项目概况

泗张拦水坝位于泗水县泗张镇西北部，控制流域面积3.97 km2，河道干流坡度为0.025，河道长2.85 km，设计洪水标准为10 年一遇，设计最大洪峰流量59.15 m3/s；拦水坝为浆砌石坝，坝轴线长31.5 m，其中中间溢流段宽16.5 m，右岸挡水坝段长10 m，左岸挡水坝段长5 m；最大坝高4.5 m，其中中间溢流段高3 m，两岸挡水坝段高4.5 m；坝顶宽1.2 m。

李庄特大桥位于泗张拦水坝下游170 m 处，共64 个桥墩，2 个桥台，全长2 121.097 m，桥式类型为“双线简支箱梁＋连续梁”。根据设计单位提供的桥梁平面位置图和桥型布置图，经现场查勘，李庄特大桥采用（32+24+32）m 简支箱梁跨越邢家庄河，河道中共布置2 个桥墩。

2 溃决洪水计算

2.1 计算范围确定

溃决洪水计算分析范围为：上游自泗张拦水坝坝体处，下游至李庄特大桥以西，东西向长度约为170 m；左侧自泗张拦水坝左岸起，右侧至泗张拦水坝右岸，宽度约为31.5 m，区域总面积为5 355 m2。计算区域内的主要设施为泗张拦水坝、李庄特大桥等。

2.2 溃决洪水分析

1）溃口宽度。进行溃决洪水分析时，考虑最不利工况，即泗张拦水坝坝体瞬间全溃，则坝体长度即为溃口宽度31.5 m。

2）最大溃决流量。坝体全溃时的最大溃决流量按式（1）计算：

式中：Qm为溃决最大流量，m3/s；B 为坝长，m；H 为坝高，m。

经计算，最大溃决流量为112.24 m3/s。

3）溃决流量过程。假设溃决流量过程线的线型为四次抛物线。根据溃决最大流量Qm和拦水坝溃决时拦蓄水量V 初步确定泄空时间T 为155 s，流量过程线见表1。

表1 溃决流量过程

4）桥址处最大流量和最大流速。桥址处最大流量按式（2）计算：

式中：QLM为当溃坝最大流量演进至距坝址为L 处时，在该处出现的最大流量，m3/s；V 为拦水坝溃坝时的蓄水量，取3 870 m3；Qm为坝址处的溃坝最大流量，取112.24 m3/s；L 为桥距坝址的距离，取170 m；U 为河道洪水期断面最大平均流速，考虑最不利工况，取3 m/s；K 为经验系数，取K=1。

经计算，溃坝洪水工况下，桥址处最大流量QLM为42.46 m3/s。

5）溃坝洪水传播时间。将流量过程线概化为三角形，经计算，洪水起涨时间t1为13.54 s，最大流量到达时间t2为111.39 s，洪水终止时间为t3为195.83 s，相应流量分别为112.2 m3/s、69.6 m3/s、195.83 m3/s。

6）坝址断面溃坝洪水最大流速。坝址断面溃坝洪水最大流速可采用圣维南-A.Rittter 公式计算，经计算，泗张拦水坝坝址断面溃坝洪水最大流速为3.43 m/s。

7）桥址处平均流速。泗张拦水坝距下游李庄特大桥1 700 m，溃坝洪水属于不稳定流，水面线的计算可近似地视为稳定流以简化计算。经计算，李庄特大桥断面在溃坝洪水工况下平均水深0.26 m，断面平均流速1.83 m/s。

3 数值模拟分析

采用HEC-RAS 软件对溃决洪水影响进行数值模拟分析计算。

3.1 模型构建

根据邢家庄河和李庄特大桥的基本资料建立几何模型，以特大桥所在位置为界，将河道分为上、下游；同时，为避免河道边界条件对计算结果的影响，上下游边界应尽量远离特大桥位置，因此河道总长取4.5 km，上游河道长2.0 km，下游河道长2.5 km。河道模型如图1 所示。

图1 李庄特大桥模型图

3.2 模拟条件和参数

模型以溃决洪水工况下经过李庄特大桥的最大溃决洪水流量作为上游边界条件，以下游足够远处断面的正常水深作为下游边界条件，计算最大溃决洪水流量经过李庄特大桥时所形成的流速、水面线高程等水力学参数。

采用HEC-RAS 模型进行水力计算时，还需设定曼宁系数n 和扩张、收缩系数。根据河道基本情况，河道糙率取0.035；由于建模时，河道上下游断面均与特大桥处河道断面相同，即河道断面沿河道不变，因此河道的扩张、收缩系数除特大桥附近分别取0.3 和0.1 外，其余河道断面均取0.03 和0.01。

3.3 数值分析结果

经采用HEC-RAS 软件模拟计算分析，在溃决洪水工况下，李庄特大桥最大水深和最大流速位于50#~51#桥墩中间，其中上游断面最大水深0.59 m，平均水深0.3 m，平均流速1.72 m/s，壅水高度0.05 m；下游断面最大水深0.54 m，平均水深0.27 m，平均流速2.01 m/s。李庄特大桥上下游断面在溃决洪水工况下水面线和流速分布如图2、图3 所示，平均流速、平均水深沿河道变化情况如图4、图5 所示。

图2 上游断面平均流速和水面线

图3 下游断面平均流速和水面线

图4 邢家庄河平均流速沿程变化曲线

图5 邢家庄河断面平均水深沿程变化曲线

由图4 和图5 可以看出，李庄特大桥上下游河道各断面平均流速在1.85 m/s 左右，平均水深在0.262 m 左右，这与桥址处计算结果平均流速1.83 m/s、平均水深0.26 m 基本吻合。

根据山东新汇建设集团有限公司编制并通过审核的《鲁南快速铁路客运通道临沂至曲阜段泗水县青界河特大桥等5 座桥梁防洪评价报告》，李庄特大桥100 年一遇设计洪峰流量为178.25 m3/s，100 年一遇一般冲刷后墩前行进流速为1.57 m/s。溃决洪水计算结果、数值模拟结果及特大桥设计工况下计算结果见表2。

表2 各工况计算结果汇总表

4 结论与建议

4.1 结 论

泗张拦水坝溃坝溃口宽度为31.5 m，最大溃决流量为112.24 m3/s。若出现溃决洪水，洪水可在13.54 s 到达李庄特大桥处，111.39 s 在李庄特大桥处形成的最大下泄流量42.46 m3/s。计算成果表明：在溃决洪水工况下，李庄特大桥跨越河道处断面最大流量42.46 m3/s，平均水深0.26 m，断面平均流速1.83 m/s。数值模拟结果表明：李庄特大桥上下游河道各断面平均流速在1.85 m/s 左右，平均水深在0.262 m 左右，特大桥上游断面最大水深0.59 m，平均水深0.3 m，平均流速1.72 m/s，壅水高度0.05 m；下游断面最大水深0.54 m，平均水深0.27 m，平均流速2.01 m/s。

综上，李庄特大桥跨越邢家庄河处，溃坝洪水工况下河道断面最大流量小于特大桥设计洪峰流量，溃坝洪水工况下河道断面平均流速较特大桥设计洪水工况下一般冲刷后墩前行进流速有所增大，采取一定措施后，整体防洪风险级别较低，可接受。

4.2 建 议

1）李庄特大桥桥墩布置于河道断面内，致使过水断面减小，且溃坝洪水工况下桥址处冲刷问题加剧，建议对河道岸坡和河底进行护砌，以减轻由于建桥后水流流势变化、局部流速加大对桥梁上、下游两岸的影响，保证河道的行洪安全。

2）泗张拦水坝、李庄特大桥分别属于水利、铁路部门管理，建议建立信息共享机制，建设、完善防汛预警系统，实时掌握拦河坝运行情况，以降低突发状况的不利影响。