跨河桥梁对河道防洪的影响分析

王金海，徐志国，于会玲

（1.兴安盟水利事业发展中心，内蒙古 乌兰浩特 137400；2.水利部松辽水利委员会，吉林 长春 130021；3.吉林市水利水电勘测设计研究院，吉林 吉林市 132013）

1 工程概况

红旗大桥位于吉林市丰满区江城大桥上游1.20 km 处，桥梁总长1 600.64 m，采用中承式钢拱桥和上承式钢筋混凝土拱桥的形式，全桥跨越主河槽及两岸堤防，桥梁轴线与中、高洪水时主流方向夹角约为90°，桥墩垂直于桥梁轴线布置。桥跨布置自北向南为1.82 m 桥台+（3×30.00 m+3×35.00 m+2×30.00 m）预应力混凝土连续箱梁+（21.00+21.00+16.50）m 钢筋混凝土连续箱梁+（36.50+48.00+33.00）m 预应力混凝土连续箱梁+3×35.00 m 钢筋混凝土拱桥+2×100.00 m 钢拱桥+3×35.00 m 钢筋混凝土拱桥+2×35.00 m 预应力混凝土连续箱梁+54.00 m 钢箱梁+［4×30.00 m+3×30.00 m+（35.00+55.00+35.00）m+4×30.00 m+（25.00+27.00+35.00+30.00）m+2×30.00 m］预应力混凝土连续箱梁+1.82 m桥台。主桥长410.00 m，桥面宽度为34.00～48.50 m；左侧引桥长108.80 m，右侧引桥长77.80 m，引桥桥面宽度为17.00～51.50 m。

桥梁跨越右岸堤防处梁底板最低点高程为200.69 m，桥梁底板与堤顶之间最小净空高度为4.69 m，近堤13 号、12 号桥墩边缘与迎、背水侧堤脚的距离分别为8.00，3.20 m；桥梁跨越左岸规划堤防处梁底板最低点高程为200.07 m，桥梁底板与堤顶之间最小净空高度为5.59 m，近堤24 号、25号桥墩边缘与迎、背水侧堤脚的距离分别为12.00，15.20 m。桥墩采用柱式结构，承台采用矩形结构，13～24号桩基埋深为24.55～34.30 m，承台最小埋深为0.30 m，桥墩承台采用格宾石笼防护。全桥设置桥面雨水收集系统，雨水收集池位于河道管理范围外，分段收集桥面雨水并统一处理。

2 河道基本情况

桥梁跨越的第二松花江发源于长白山的白头山天池，全长825.40 km，流域面积为73 834 km2，占吉林省全部土地面积的42.00%，最低气温为-45 ℃，最大冻土厚1.60～2.00 m，多年平均蒸发量为7.00～10.00 m，年平均风速为3.90 m/s，最大风速达30.00 m/s。桥梁所在江段河道的平均比降为1.50%，两堤之间堤间距为450.00～500.00 m，最大冻深为1.90 m。桥梁所处位置上游的丰满水电站集水面积为42 500 km2、吉林水文站集水面积为44 060 km2。桥梁所在河段右岸防洪标准为100 年一遇，堤防断面采用复式结构，马道宽4.00 m，马道以上边坡坡比为1∶2.75，堤顶宽8.00 m，马道临江侧设浆砌石挡土墙，挡土墙前为宽10.00 m 的护堤地。左岸规划堤防防洪标准为50 年一遇，堤顶宽8.00 m，迎水坡坡比为1∶2.75，背水坡坡比为1∶2.0，马道宽4.00 m，马道以上采用草皮护坡，马道外缘为浆砌石重力式挡土墙。

3 河道演变

3.1 来水来沙特征

吉林站多年平均输沙量为66.90×104t，中值粒径d50为2.00 mm。河道主槽糙率为0.025～0.030，滩地糙率为0.060～0.070。

3.2 河道特征分析

河道特征分析主要包括河相关系系数、河床纵向稳定系数和河床横向稳定系数。其中，河道的河相关系系数ζ=4.5，表明该河段属于蜿蜒型河道；河道水面比降i=1.50%，河床纵向稳定系数φh=0.35，横向稳定系数φb=0.89，表明该河段纵向、横向较为稳定。

3.3 河道近期演变分析

通过1980，1991，2013，2021 年吉林站河道实测大断面，分析河道近期横向变化，多年来河床冲淤幅度不大，基本属于大洪水冲刷，汛后回淤，河床整体比较稳定。

3.4 河道演变趋势预测

桥梁所在河段上游的丰满水库水量下泄使河道有一定下切，河道右岸修建了堤防，左岸为高边坡，在左岸高边坡和右岸堤防的共同约束下，河道河势基本稳定。桥梁建成后对该河段河道演变影响较小。

4 防洪评价分析计算

4.1 设计洪水

水文分析计算采用《松花江流域防洪规划报告》[1]成果，50 年一遇设计洪峰流量为4 000 m3/s，100 年一遇设计洪峰流量为5 500 m3/s。评价长度范围为拟建工程上游3.25 km、下游1.80 km，横向以左岸规划堤防背水侧坡脚以外30.00 m、右岸现状堤防背水侧护堤地边线为界，评价河段河宽约为480.00 m。

4.2 壅水和行洪能力分析计算

采用大连理工大学编制的HYDROINFO 二维数学模型进行壅水和行洪能力分析计算，采用2021 年实测河道进行1∶2 000 地形建模。根据2013 年8 月14 日实测洪水水面线进行糙率的率定，率定结果见表1。

按照上游进口流量为1.00%，2.00%和10.00%共3 级频率洪水，进行流量计算和确定起始断面水位，下游尾水位于江城大桥下游（桩号1+715）处，设计频率洪水及相应下游水位见表2。

表2 设计频率洪水及相应下游水位

通过模型计算，工程修建后，在P=1.00%的频率洪水下，阻水比为3.96%，桥前最大壅水为0.02 m，最大回水为700.00 m；在P=2.00%的频率洪水下，阻水比为3.95%，桥位处壅水为0.02 m，回水范围为500.00 m。

4.3 冲刷淤积计算与河势影响分析

桥梁基础冲刷包括河床自然演变引起的一般冲刷和局部冲刷，最大冲刷深度为上述二项之和。

4.3.1 一般冲刷深度

一般冲刷深度的计算采用JTG C30—2015《公路工程水文勘测设计规范》[2]的计算公式：

式中：hp为桥下一般冲刷后最大水深，m；Ad为单宽流量集中系数；Q2为桥下河槽部分通过的设计流量，m3/s；Qc为天然状态下河槽部分设计流量，m3/s；Bc为天然状态下河槽宽度，取Bc=480.00 m；Bcg为桥长范围内河槽宽度，取Bcg=430.80 m；λ为Bcg宽度范围内的设计水位下，桥墩阻水面积与过水面积的比值，λ1%=3.96%，λ2%=3.95%；μ为桥墩水流侧向压缩系数，取μ=1.00；hcm为河槽最大水深，hcm1%=8.77 m，hcm2%=7.16 m；Bz为造床流量下河槽宽度，m；Hz为造床流量下平均水深，m。

4.3.2 局部冲刷深度

河道中设置桥墩后，周围的水流情况会发生变化，由于桥墩阻水，因此，在桥墩上游不远处水面壅高，至桥墩前达到最高，两侧水流收缩集中，动能增加，水面逐渐下降，在桥墩后一定范围内水面不稳定。桥墩沿水深上、下相邻两个单位面积所受水流的冲击压力存在一个压差，使水流由高压区向低压区流动。压差的作用使水流折转向上，表层水流形成逆时针旋流，而在此水位以下的水流则折转向下，形成横轴反向旋流，与临底纵向水流汇合后，产生围绕桥墩卷绕的马蹄形漩涡，漩涡是引起桥墩周围局部冲刷的主要原因。

局部冲刷公式：

式中：hb为桥墩局部冲刷深度，m；Kξ为墩形系数，取Kξ=1.00；Kη2为河床粒径影响系数；B1为桥墩计算宽度，取B1=1.80 m；v为一般冲刷后墩前行进流速，m/s；v′0为墩前泥沙始冲流速，m/s；v0为泥沙启动流速，m/s；为河床泥沙平均粒径，取=2.00 mm；n2为流速指数。

4.3.3 堤脚冲刷

为了防止河道受冲刷，河道过水断面的平均流速应小于最大允许流速，而最大允许流速决定于河道表面的土壤或材料。该工程河床土质多为砂砾石、粉质轻壤土、粉质轻壤土与粉土质砂互层，镇脚应保护堤脚不被洪水冲刷，故其埋置深度应满足河床最大冲刷深度要求，且应满足防止冻胀破坏深度要求。河床冲刷深度按GB 50286—98《堤防工程设计规范》[3]中的公式计算：

式中：hB为局部冲刷深度，m；h′p为冲刷处的水深，m，以近似设计水位最大深度代替；Vcp为平均流速，m/s；V允为河床面上允许不冲流速，m/s；n为与防护岸坡在平面上的形状有关的指数，取n=。

4.3.4 冲刷计算结果

通过分析计算，在1.00%，2.00%频率洪水下，水深分别为8.77 和7.16 m，λ分别为3.96%和3.95%，桥位处流速分别为1.35 和1.19 m/s，工程处一般冲刷分别为3.55 和2.90 m，局部冲刷分别为1.71和1.52 m，最大冲刷深度分别为5.26和4.42 m，堤脚最大冲刷深度为0.26 m。主槽处承台顶高程为184.00 m，桥墩发生局部冲刷后，河床高程为183.08 m 左右，承台露出河底。为了保证桩基础承载力满足要求及桥梁安全，在桥墩位置进行必要的抛石防护。

4.4 稳定分析

因桥梁的修建不占用堤身断面，未进行渗流稳定计算。根据GB 50286—98 规定，采用北京理正软件设计研究所“岩土计算5.11 版”对桥位最不利断面进行堤坡稳定分析。经计算，上、下游堤坡抗滑稳定安全系数均满足规范要求，不存在堤坡滑动失稳问题。

5 防洪评价

工程建成后，桥梁底板距左、右岸堤顶之间的最小净空分别为5.59 和4.67 m，满足防洪抢险交通要求。

通过河道近期演变分析可知，桥梁所在河道河势基本稳定，桥梁建成后对该段河道演变影响较小。

通过模型计算，工程建成后，发生50，100 年一遇洪水时，桥前水位最大壅水高度均为0.02 m，阻水比分别为3.95%，3.96%，对河道壅水影响不大，对行洪安全产生的影响较小。

通过冲刷计算，发生100 年一遇洪水时，桥址处最大冲刷深度为5.26 m，堤脚最大冲刷深为0.26 m，在堤脚桥墩处采取防护措施，满足安全稳定要求。

6 消除与减轻影响措施

对桥梁跨越左、右岸堤防迎水坡坡脚进行防护，防护长度分别为213.00，219.00 m，左岸防护宽度为37.00 m，右岸防护宽度为23.00～46.00 m，防护形式为格宾石笼护砌，厚0.40 m，下设一层无纺布；对施工过程中破坏的堤顶景观栏杆和坡面草皮护坡进行恢复重建，堤顶景观栏杆长80.00 m，草皮护坡面积为600.00 m2。

7 结语

文中以跨河桥梁工程对河道演变、壅水和行洪能力、冲刷淤积与河势影响进行了科学分析，有效评估了桥梁工程对河湖的防洪影响，并对桥梁抵抗水流冲击的能力做出客观评价，论证了桥梁设计方案是否合理可行，在确保桥梁工程建设满足防洪要求的基础上，同时为河湖管理部门制定堤防保护和治理措施提供科学依据。但跨河桥梁工程对河道防洪影响是多方面的，还需进一步结合水利规划、防汛抢险、第三方合法水事权益等进行分析论证，建议在开展类似桥梁工程防洪影响评价中予以充分考虑。