韩红革

（山西省运城市水利勘测设计研究院，山西 运城 044000）

1 工程概况

工程项目为运城至稷山段一级公路改建工程，汾河大桥位于稷山县城东南2.8km处，工程横跨汾河，桥梁中心桩号67+882.0，起点桩号67+637.9,终点桩号68+126.1，大桥长488.2m。汾河大桥为16孔30m的装配式先简支后连续预应力混凝土连续箱梁桥。根据桥梁设计单位提供的设计文件，桥梁设计防洪标准为100年一遇，设计洪峰流量为3860m3/s，该设计水位比汾河20年一遇设防水位低1.65m，大桥箱梁底部设计标高高出该处堤顶高程1.54m。

2 防洪评价计算

2.1 设计洪水位计算

汾河下游为平原冲积性蜿蜒型河道，滩槽分界明显，复式河道形态，行洪滩地约占堤内河道宽度的三分之二以上，滩槽糙率差异显著，对设计洪水位的影响较大。根据实测河道断面资料，对各段河道的滩地和河槽进行了划区，设计洪水位计算选用以复合一维恒定非均匀渐变流方程为基础的模型，对汾河入黄口至柴庄水文站127km的80个横断面的设计水位进行分析计算。

复合一维恒定非均匀渐变流方程公式：

式中：Z——水位，m；

X——距离，m；

α、ζ——分别为动量修正系数和局部阻力系数；

V——平均流速，m/s；

g——重力加速度，m/s2；

Q——流量，m3/s；

综合流量系数公式：

式中：Ki——分别为（i=1）左滩、（i=2）中槽、（i=3）右滩的流量系数；

Ai——过水面积；

Ri——水力半径；

ni——糙率。

经计算，桥梁所在的47号断面的20年一遇防洪标准的设计水位为（2010水平年），比桥梁设计单位计算的100年一遇设计水位高1.65m。

2.2 桥梁壅水分析计算

桥梁修建后，天然水流受到挤压，在桥址上游形成壅水区。壅水高度不仅影响桥梁的高度，且涉及两岸防洪工程的高度和安全。为确定修建桥梁后对河道工程的影响，需对不同频率设计洪水条件下桥上游的最大壅水高度和壅水范围进行分析计算。

2.2.1 桥前最大壅水高度

桥前最大壅水高度采用《公路桥位勘测设计规范》（JTJ062—91）的壅水公式进行计算，壅水计算公式：

式中：ΔZ——桥前最大壅水高度，m；

K——壅水系数；

天然状态下桥下平均流速计算公式：

式中：Q0m——天然状态下桥下通过的设计流量，m3/s；

ω0m——桥下过水面积，m2。

桥下平均流速计算公式：

式中：QP——设计流量，m3/s；

ωj——桥下净过水面积，m2；

KP——考虑冲刷引入的流速折减系数。

考虑冲刷引入的流速折减系数KP计算公式：

桥下需要的过水断面ω计算公式：

式中：VP——设计流速，用河槽平均流速，m/s；

α——水流方向与桥墩轴线间的夹角；

g——重力加速度，m/s2。

经计算由于桥墩与河道水流方向约有8°的夹角，致使桥墩阻水面积扩大，阻水的宽度达到63.9m，占河道实际行洪宽度的14.4%,缩小了河道的过水断面，桥前最大壅水高度达到0.22m。

2.2.2 最大壅水长度

采用《公路桥位勘测设计规范》（JTJ062-91）中的大桥壅水长度计算公式：

式中：ΔZ——桥前最大壅水高度，m；

I——水面比降。

采用该河段不同频率的设计洪水位的平均纵坡进行计算，得知最大壅水高度位于桥前。桥下壅水高度不易精确计算，一般情况桥下壅水值按桥前最大壅水高度的一半考虑。

2.2.3 桥梁壅水对河道工程的影响

根据前面的分析计算，在河道防洪标准范围内，中常以上洪水在桥前的最大壅高水位值达0.22～0.17m，壅水长度510～850m。在一定程度上降低了桥梁上游堤防防洪能力，也增加了下一步河道堤防加固的高度和工程量。

2.3 冲刷分析计算

墩台基础的冲刷深度包括河床自然演变冲刷、一般冲刷和局部冲刷三部分。根据汾河下游河床演变分析，大桥桥址段河床，特别是滩涂逐年淤积抬高。因此，这里不存在河床自然演变的冲刷影响问题，也不考虑滩地的冲刷，只计算河槽部分桥墩基础的一般冲刷和局部冲刷。计算采用《公路工程水文勘测设计规范》（JTGC30—2002）中的相关公式进行，具体如下：2.3.1 河槽部分一般冲刷

根据《公路工程水文勘测设计规范》（JTGC30—2002）中，7.3.1-4一般冲刷后的最大水深公式：

式中：hp——一般冲刷后的最大水深，m；

Ad——单宽流量集中系数；

Q2——河槽部分通过的设计流量，m3/s；

μ——桥墩台水流侧向压缩系数：

BcJ——河槽部分过水净宽，m；

hcm——桥下河槽最大水深，m；

hcq——桥下河槽平均水深，m；

E——与汛期含沙量有关的系数；

单宽流量集中系数Ad计算公式：

式中：B——河槽宽度，m；

H——造床流量相对应的平均水深，m。

桥墩台水流侧向压缩系数μ计算公式：

式中：Vp——设计流速，m/s；

L0——单孔净跨径，m。

工程段河床泥沙级配资料由桥址工程地质勘探资料中选取，计算所用的河床泥沙中值粒径取冲刷计算深度之内的平均值；根据汾河桥址的断面形态、滩槽糙率计算的各主要频率设计洪水的滩、槽流量比例；由于汛期洪水含沙量均超过了10kg/m3，与汛期含沙量有关的系数取0.86。桥址段主槽一般冲刷深度计算结果见表1。

表1 主槽一般冲刷深度计算表

2.3.2 墩台局部冲刷

一般冲刷后墩前行进流速V，大于河床泥沙起动流速V0时，即当V＞V0时，河道中的墩台局部冲刷，按规范65—1修正式（7.4.1-8）～（7.4.1-12）计算公式：

式中：hb——塌台基础（桥墩）局部冲刷深度，m；

Kξ——墩形系数；

Kη——河床颗粒的影响系数；

B1——塔台基础计算宽度，m；

hp——一般冲刷后的水深，m；

V——一般冲刷后墩前行进流速，m/s；

V0——河床泥沙起动流速，m/s；

n1——指数。

根据汾河河道特性和河床演变分析，局部冲刷计算中的行进流速采用河槽平均流速，桥柱直径采用灌注桩部分。各设计频率洪水局部冲刷深度的计算结果见表2。

2.4 桥梁对河势的影响分析

2.4.1 防洪影响分析

根据前面的分析计算可知，桥梁设计单位提出的大桥100年一遇设计水位,比汾河20年一遇设防水位低了1.65m。大桥箱梁底部最低处设计标高，高出该处堤顶设计高程1.54m。若按照2020设计水平年计算，箱梁底部仅高出规划堤顶1.25m。虽然基本满足该段河道防洪规划对设防水位的要求，但是，堤顶与桥箱梁底部之间预留的空间高度，无法满足防汛抢险对堤顶通车的要求，也不利于下阶段堤防加固的施工作业；如果右岸桥台建于堤防之上，公路将隔断现有的堤顶交通道路，不能满足河道工程管理和防汛抢险的要求。

表2 局部冲刷深度计算表

在河道设防标准内桥梁正常的壅水高度在0.22m以内，壅水范围在1000m之内。由于桥梁壅水将增加桥址上游下阶段堤防加固及新建控导护岸工程的高度和体积。初步计算，增加堤防土方量约9000m3、控导工程石方量约500m3。

2.4.2 河势影响分析

在该段河道建桥之后，由于桥墩阻水，导致桥前水位壅高，流速减小，将加剧上游河道泥沙淤积，并对桥前河势产生诸多不利的影响，桥前及上游部分河段主河槽的河势如果得不到有效控制，目前桥前平顺垂直于桥梁轴线的河槽走向，将受到桥墩阻水和淤积的影响而发生大的改变，桥前主河槽将逐步向平行于桥梁轴线的横向河势的趋势发展。一旦在桥前形成横河，更进一步增加桥梁对中常洪水的阻力，加重桥址段上游的淤积，将大幅度提高上游壅水的高度和范围。这种恶化的河势很不容易调整。上述现象和问题已经先后发生在下游4km处的稷山城关汾河桥以及上游新绛汾河桥等桥梁所在的河段。汾河下游稷山下费至县城公路桥段，河床演变套绘图上可以非常清楚地看到，稷山城关汾河桥上游主槽自1972—2003年间，从原先基本垂直穿过大桥，逐步发展到在桥前形成横河的变化过程。

桥梁对下游河势将起到一个节点的控制作用，对于该桥下游500m范围内的河势稳定将会是有益的。从河床演变套绘图上可以得知，自1976年以来，桥址河段主要以上下游弯道过渡段之间的平顺形态出现。河槽摆动的范围在300m左右。由于桥址所在河段属于典型的平原蜿蜒型河道，河床组成松散，河道蜿蜒曲折，河槽摆动十分频繁，建桥以后河势变化将会非常地迅速。

3 防洪综合评价

3.1 对河道防洪的影响

桥梁设计单位提供的桥梁设防标准为100年一遇，而堤防的防洪标准为20年一遇。若遇超过20年一遇洪水时，两岸堤防以外均为行洪区，该桥建设并未充分考虑这一问题。两岸引桥段将严重阻碍洪水即时下泄，加大上游淹没范围。

3.2 对河势稳定的影响

桥址所在的河道为汾河下游极不稳定的河道之一，弯道变化快，河槽摆动非常频繁。大桥的实施将影响桥址段上下游河势，由于桥墩阻水、上游壅水的影响将加重上游河道淤积，并易使桥前河势由平顺垂直逐步转成沿桥轴线平行的横河，进一步增大桥址段河道的阻力，将较大幅度地降低桥下河道的行洪能力，并增大上游壅水的高度和范围。这种桥前横向河势不易调整改变，可能影响桥下的行洪。桥前弯道的变化，可能连锁引起下游其它弯道局部的变化，但由于桥梁节点的控制作用，其影响范围比较有限。

3.3 对河道防洪工程管理和防汛抢险的影响

大桥箱梁底部设计高程仅高出规划堤顶1.54m。虽然基本满足该段河道防洪规划对设防水位的要求，但是，堤顶与桥箱梁底部之间预留的空间高度无法满足防汛抢险对堤顶通车的要求，也不便于今后对堤防的加高培厚，且右岸桥台建于堤防之上，公路将隔断现有堤顶用于工程管理和防汛抢险的交通道路，严重防碍防汛抢险和河道工程的正常管理。

4 补救措施

第一，河道控导整治工程。在桥址上游原家庄弯道处增加布设河势控导工程，并将工程控制范围由原来的120m，按照规划治导线，向下游延长到300m左右，布置的磨盘型坝垛由原先规划的5座增加到12座，同时适当增加坝垛体积，以稳定该处弯道，保证将中常洪水送至对岸的二级阶地；在桥址上游300m依托二级阶地修建200m左右的护岸工程；

第二，调整大桥长度。为保证大桥处右岸堤防衔接平顺，大桥应向北再增加一跨，以安排堤顶防汛抢险、工程管理的交通辅道，同时为右岸超标准洪水的下泄留有通道；

第三，桥址上游堤防加高。由于桥墩阻水致使水位大壅高，降低了堤防防洪标准。根据前面计算的20年一遇防洪标准内的桥前最大壅水高度和汾河下游防洪工程建设规划，桥梁上游的右岸堤防将在原设计的基础上平均0.2m进行加高，加高长度850m。

桥梁设计单位提供的桥梁设防标准为100年一遇，远远高出河道20年一遇的设防标准。当洪水超出河道的设防标准后，将有部分洪水漫溢出河堤，而桥梁两侧的引桥阻碍了超标准洪水的顺利下泄，将加大上游的淹没范围和稷山县城区的防洪压力。因此，桥梁设计必须考虑为河道超标准洪水的下泄留有通道。