某水库下游跨河桥防洪评价

2017-07-21刘耀宗翟春明李陆明

中华建设科技 2017年6期

刘耀宗+翟春明+李陆明

【摘要】跨河桥为某水库的配套工程，位于坝址下游2Km处，为连接两岸的永久桥梁。桥梁的修建，使工程区内形成环形交通，提高工程管理的可靠度。桥梁设计满足《防洪标准》要求，桥梁建成后，桥位断面水位壅高使得桥下净空有可能不满足有关要求，同时可能会对第三方合法水事权益产生影响，但不会对河道行洪以及对下游河段的河势造成影响。

【关键词】跨河桥；防洪评价

【Abstract】River bridge for a reservoir supporting projects， located in the lower reaches of the dam 2Km， to connect the two sides of the permanent bridge. The construction of the bridge， so that the formation of circular traffic within the project area to improve the reliability of project management. Bridge design to meet the "flood control standards" requirements， after the completion of the bridge， the bridge level water level obstruction makes the bridge under the clearance may not meet the requirements， and may have a third party legitimate water rights have an impact， but not on the river flood As well as the river reaches the lower reaches of the river.

【Key words】River bridge；Flood control evaluation

1. 概述

某水庫位于河道最后一段峡谷出口处，跨河桥为水库的配套工程，位于坝址下游2Km处，为连接两岸的永久桥梁。跨河桥的修建，为水库施工期两岸施工物料和施工设备的高强度运输起到非常重要的作用。水库建成后，桥梁连接两岸，使得工程区内形成环形交通，提高工程管理的可靠程度，并与地方交通规划相协调，修建该跨河桥十分必要。

2. 基本情况

2.1桥梁等级及技术指标。跨河桥为大型桥梁，依据《防洪标准》（GB50201-94）[1]规定，桥梁设计防洪标准采用50年一遇洪水设计，水库建成后设计洪峰流量为2820m3/s，相应设计洪水位173.38m。桥梁全桥跨越河道，设计梁底高程为179.187m，全桥范围内设计采用的最低冲刷线高程为154.30m。

2.2河道基本情况。

2.2.1河道概况。跨河桥位于坝址至下游水文站约9Km的河段内。从坝址～水文站为河道干流最后一个峡谷段，区间汇流面积有限，加之该区间流域植被良好，水土流失轻微。该河段为砂卵石河床，其间有局部基岩出露，两岸为山体，河谷狭窄，坡陡流急，两岸山体间宽度约400m，主槽靠近左岸山体，宽度约150m，多年来流势稳定。

2.2.2地质条件。

（1）桥位区桥梁起点和终点处均有基岩出露，岩性为奥陶系下统灰色含燧石结核白云质岩、条带状细晶白云岩、泥灰岩，岩体较为完整，无大的结构面及不良地质体分布。根据钻孔资料，桥位区地层按成因分为上部第四系河流冲积覆盖层和下部奥陶系白云质灰岩。

（2）地勘资料表明，该河段河床按颗粒的粗细自上而下划分为3层。表层为含细砂的蛮石层，厚度1～6m。顶部分布有较多的特大蛮石，一般直径1～3m，局部夹有粉砂和砂壤土薄层；中层为含细砂蛮石的粗砾层，厚度2～12m。其顶面1.5～3.0m大部分呈胶结或半胶结状，顶部高程一般在174～177m；底层为含细砂的中砾层，顶面高程一般在166～168m，其顶面普遍沉积有壤土、砂壤土和粉砂层。

3. 河道演变

3.1历史和现状河道演变情况。

（1）桥位河段为山区河道，两岸为山体，河谷狭窄，坡陡流急，两岸山体间宽度约400m，主槽靠近左岸山体，宽度约150m，多年来流势稳定。

（2）该河段河床为砂卵石河床，其间有局部基岩出露，表层为含细砂的蛮石层，厚度1～6m。顶部分布有较多的特大蛮石，一般直径1～3m，局部夹有粉砂和砂壤土薄层，多年来河床稳定，冲淤变化甚微。

3.2河道演变趋势分析。

（1）桥梁位于水库下游约2Km，泄洪洞出口位于桥梁上游约700m。泄洪洞泄流时挑射水流具有强大的冲刷作用，会在建筑物下游产生一定范围的冲坑。

（2）在水库工程可行性研究阶段，对水库下游冲坑进行了水力学计算，结果为：泄洪洞最大挑距为147.04m，冲坑深度为45.32m，其最大影响范围距泄水建筑物出口约510m，距桥梁约为170m。同时，对冲坑进行的实体模型试验成果为：冲坑深度约20m，影响范围距泄水建筑物出口约170m，距桥梁约500m。由于水库下游冲坑问题复杂，为安全起见，采用水力学计算的结果，水库冲坑边缘距桥梁最小距离约170m。由于水库泄洪洞下游冲坑的影响范围距离桥梁较近，桥位河段的河势可能发生改变，在全桥范围内均有可能演变为主槽。

4. 防洪评价

4.1水文分析计算。

4.1.1气象。

（1）跨河桥桥位以上流域属副热带季风区。冬季受蒙古高压控制，气候干燥、寒冷；春季很少受西南季风影响，雨量增加有限；夏季西太平洋副高增强，暖湿海洋气团从西南、东南方侵入到本流域，同时又处于西风带环流影响下，冷暖空气交换频繁，故雨量特别集中。7月～8月雨量占全年的40%以上。最大月雨量出现在7月，最高温度一般出现在6、7月份。

（2）桥位附近无实测气象资料，借用10Km外的气象站资料加以说明。该气象站统计的多年资料为，多年平均降雨量为600.3mm，年平均气温14.3℃，1月份平均气温最低，其值为0.2℃，极端最低气温为-18.5℃；7月份平均气温最高，其值为27.0℃，极端最高气温出现在6月份，达42.0℃。年平均蒸发量为1611mm，无霜期180d左右。

4.1.2设计洪水。桥梁位于水库下游2Km处，水库建成时间晚于桥梁，水库建成后会对桥位设计洪水产生影响，因此需分别分析水库建成前、后桥位处的设计洪水。

（1）天然设计洪水。桥位断面下游约7Km处为某水文站，桥梁至某水文站区间面积占整个流域面积比例很小且无支流加入，因此选用该水文站作为本工程所在河段天然设计洪水计算的代表站。该水文站有48年洪水系列，其中1895年按特大值加入计算，重现期为104年，成果通过了水利部规划设计总院审查。本计算将资料延长8年，相应调整重現期，与原计算成果相比差别不大，考虑到工程设计的安全性，且原设计洪水成果也已通过审查，故本设计洪水成果仍采用原计算成果。

（2）水库建成后设计洪水。桥梁与水库间没有支流加入，水库建成后可直接将水库设计下泄流量作为桥位处设计洪水。

4.1.3现状水位流量关系。桥位断面的水位流量关系推求采用水力学曼宁公式：

Q= 11 nR2/3I1/2A （1）

4.1.3.1由现场实测资料，桥位处断面两岸间距约400m，为复式断面。在推求水位流量关系时，把断面划分为主槽和滩地，依据实测断面资料及洪水调查点推求水位流量关系。在桥位附近分别调查到了1982年洪水和2007年洪水的洪痕，相应水文站实测洪峰流量分别为4240m3/s和1060m3/s。在确定桥位断面现状水位流量关系时，小水部分参考了2007年实测洪水点定线。高水部分以1982年实测最高水位点作为控制，根据实测大水点的上涨趋势，顺势外延高水部分的水位流量关系。计算中比降采用2.50/00～4.00/00，滩地糙率采用0.07～0.09，主槽糙率采用0.035～0.05。按照上述计算方法，推得桥位断面水位流量关系成果见表1。

4.1.3.2本计算还分析了水库设计采用的坝线水位流量关系曲线，对桥位断面计算成果进行比较。在水库规划研究时期，为了满足水库前期工作的需要，分析研究了水库坝下1.3Km处水位流量关系，该断面位于桥位断面上游700m左右，具有一定参考价值。该水位流量关系分析计算时采用了历史实测资料，参考实测资料得出的该断面水位流量关系曲线比较合理，被水库所采用。由于水库坝下1.3Km断面和桥位断面相距仅700m，可以相互印证，因此将坝线1.3Km断面水位流量关系曲线和桥位断面水位流量关系曲线套汇成图1。

4.1.3.3由图1可知，在同流量情况下，推求的桥位断面水位平均低于水库坝下1.3Km处水位1.8m左右，比较符合该河段的实际水面比降情况，两条曲线线形相似，可以认为本推求的断面水位流量关系是比较合理的。

4.1.4设计洪水位。

（1）依据国家《防洪标准》（GB50201-94）规定，跨河桥设计防洪标准采用50年一遇洪水设计。水库建成前设计洪峰流量为4790m3/s，水库建成后为2820m3/s。

（2）根据以上计算的设计洪水成果和水位流量关系曲线，求得桥位断面处水库建成前后的设计洪水位分别为175.32m、173.38m。

4.1.5桥位断面水力因子。

（1）根据水库建成前后流量与洪水位数值，经分析计算，桥位断面水力因子计算成果见表2和表3。

跨河桥全桥跨越河道，建桥后河道内的桥墩占据了部分行洪断面，建桥前后过水面积变化见表4。

4.2壅水分析计算。

4.2.1桥前壅水。

4.2.1.1桥前壅水计算包括桥前最大壅水高度和壅水曲线长度。根据《铁路工程水文勘测设计规范》[2]推荐计算公式如下。

（1）桥前最大壅水高度计算采用公式：

ΔZM=η（υ-1M2-υ-12）（2）

（2）壅水曲线长度计算采用公式：

Ly = 2ΔZM1I0 （3）

4.2.1.2根据公式分别对水库建成前后桥前壅水情况进行计算，其壅水值和壅水曲线长度见表5。

4.2.2桥墩冲高。

4.2.2.1建桥后，在桥墩的迎水面，水流会产生冲高现象，其值随流速的增大而增大。采用《水力学与桥涵水文》[3]中推荐如下公式计算：

Δh墩 =0.2V0 134 （4）

4.2.2.2经计算，水库建成前后桥位断面50年一遇洪水时桥墩冲高分别为2.18m和1.85m。

4.2.3波浪高度。波浪高度参照《混凝土重力坝设计规范》（SL319-2005）[4]附录二中的公式进行计算：

2h=0.0166V 5 1 4D 11 3（5）

经计算，水库建成前后波浪高度分别为0.47m和0.41m。

4.3冲刷分析计算。

4.3.1一般冲刷计算。

4.3.1.1主河槽一般冲刷。《公路工程水文勘测设计规范》[5]（以下简称“公路水文规范”）64-2推荐的简化公式为：

hp=1.04Ad Q21 QC0.90BC 1 （1-λ）μBcg0.66·hcm（6）

Q2= Qc1Qc+Qt1 QP （7）

“公路水文规范”64-1修正式

hp= Ad Q21μBcj （hcm 1 hcq ）5/31 Ed-11/6 3/5（8）

4.3.1.2滩地一般冲刷。“公路水文规范”推荐使用如下公式

hp= Q1 1 μBtj htm 1 htq 5/3 1 VH1 5/6（9）

Q2=Qc1Qc+Qt1Qp（10）

4.3.1.3一般冲刷深度的选定。按以上各种方法分析计算，水库建成前后跨河桥一般冲刷计算结果见表6。

为安全考虑，水库建库前主槽一般冲刷水深取17.54m，水库建库后主槽一般冲刷水深取14.80m。

4.3.2局部冲刷计算。

4.3.2.1局部冲刷计算。

（1）采用“公路水文规范”65-2推荐的公式进行计算。

当V V0 ，hb=KξKη2 B10.6hp0.15V-V0'1V0；（11）

当 V> V0 ， hb=KξKη2 B10.6hp0.15V-V0'1V0n2；（12）

计算得水库建成前主槽、左滩和右滩的局部冲刷深度分别为3.20m、1.44m和1.37m；水库建成后主槽、左滩和右滩的局部冲刷深度分别为2.95m、0.71m和0.78m。

（2）“公路水文规范”65-1修正式

当 V V0 ，hb=KξKη1 B10.6（V-V0'）；（13）

当 V> V0 ， hb=KξKη1 B10.6（V-V0'） V-V0'1V0-V0'n1 ；（14）

计算得水库建成前主槽、左滩和右滩的局部冲刷深度分别为2.17m、1.06m和1.11m；水库建成后主槽、左滩和右滩的局部冲刷深度分别为1.81m、0.53m和0.59m。

4.3.2局部冲刷深度的选定。以上局部冲刷计算结果汇总见表7。由于两公式计算结果比较接近，可认为本计算结果比较合理，因此采用表中两公式计算局部冲刷深度的较大值作为局部冲刷深度。

4.3.3水库建成后下游河床的冲刷计算。

4.3.3.1水库修建后，由于水库下泄清水而导致坝下游河道发生冲刷，参考铁路工程设计技术手册《桥渡水文》[6]中水坝下游河床冲刷计算情况进行计算分析。

4.3.3.2一般情况下，当河床在一定深度内有岩层、卵石层的情况下，河床淤积物中有65%以上的颗粒是冲不动时，则该河床为冲不动层的河床。在具有冲不动层的河床上，由于水库下泄清水而导致的河道冲刷深度几乎为0。因此，首先计算坝下游河床中不冲颗粒的下限粒径（即抗冲粒径），采用公式：

d0 = v15.45h-10.142.78（15）

4.3.3.3水库下泄设计流量为2820m3/s时，河槽平均水深 h-1=6.59m，相应平均流速 v=3.15m/s，代入上式求得抗冲粒径 d0=0.10m。

4.3.3.4根据地勘资料，河床表层为含细砂的蛮石层，厚度1～6m。顶部分布有较多的特大蛮石，一般直径1～3m，局部夹有粉砂和砂壤土薄层。查床沙级配曲线图可知，床沙表层大于粒径0.10m的沙重百分数为75.5%，该值大于65%，因此该河段有冲不动层的河床。所以水库建成后坝下河床基本上不会因为水库下泄清水而发生冲刷下切。但由于桥梁距离水库泄洪洞较近，其冲坑影响范围距桥梁仅170m，为安全起见，考虑水库修建后桥位断面冲刷下切1m。

4.3.4总冲刷计算结果。

4.3.4.1一般冲刷深度加局部冲刷深度，水库建成后还要考虑水库修建下泄清水对河道冲刷的影响，可求得桥位总冲刷深度，设计水位减去总冲刷深度，即得最低冲刷线高程。跨河桥主槽和滩地的总冲刷水深和最低冲刷线高程成果见表8至表10。

4.3.4.2如前所述，由于水库建成后冲坑的影响范围距离桥梁较近，桥位断面主槽位置将可能在全断面范围内发生变化，因此在桥梁设计时全断面的冲刷深度都应按照主河槽的最低冲刷线来确定，以确保桥梁安全。

5. 防洪综合评价

5.1与现有水利规划的关系与影响分析。

（1）水库在桥梁上游约2Km处，桥梁建设对水库没有影响。桥梁距离泄洪洞出口约700m，水库建成后，泄洪洞下游将会形成一定范围的冲坑，根据水力学计算和实体模型试验有关研究成果，水库建成后，冲坑的影响范围距离桥梁约170m，桥梁在泄洪洞冲坑以外。

（2）当水库冲坑冲刷出来的淤积物运动到冲坑边缘后，水流流速降低，挟沙能力下降，部分粒径较大的淤积物将有可能堆积到桥位断面上游，导致水位抬高。水库建成后，桥位断面50年一遇洪水洪峰流量将由4790m3/s削减到2820m3/s，相应洪水位由175.32m降低到173.38m，桥梁净空值将增加约2m，但由于冲坑内冲刷出来的淤积物及冲坑的发展有一定的不确定性，桥位断面水位壅高使得桥下净空有可能不满足有关要求。

5.2與现有防洪标准、有关技术要求和管理要求的适应性分析。

（1）依据国家《防洪标准》规定，桥梁防洪标准为50年一遇洪水。现状条件下，桥位断面设计洪水洪峰流量为4790m3/s，水库建成后为2820m3/s，桥梁设计分别考虑了水库建成前后的设计洪水成果，满足《防洪标准》要求。

（2）桥位河段无通航要求，桥梁梁底高程应满足设计洪水位、桥前最大壅水高度、波浪高度、桥墩冲高和桥下净空等要求。设计洪水条件下，其设计洪水位为175.32m，桥前最大壅水高度为0.43m，桥墩冲高和波浪高度取其大者为2.18m，洪水期漂浮物高度取0.5m，桥下净空取0.5m，则桥梁梁底高程应不低于178.93m。桥梁设计梁底高程为179.187m，满足有关技术和管理要求。

5.3对行洪安全的影响分析。

（1）河道管理范围定义为“在无堤防的河道，其管理范围根据历史最高洪水位或者设计洪水位确定” [7]。另根据“干流1982年洪水为有记录的历史最高洪水位……，该洪水边界线以下范围为河道管理范围。”

（2）桥位断面1982年洪水位为174.97m（相应水文站洪峰流量为4240m3/s），50年一遇设计洪水位为175.32m，桥梁右岸填方部分位于历史最高洪水位和设计洪水位以上，桥梁全桥跨越，未侵占河道。桥梁修建后桥墩阻水面积约占过洪断面的12%，50年一遇洪水时，水库建成前后桥位断面壅水高度分别为0.43m和0.30m，桥梁两岸为山体，无堤防和防洪设施，对河道行洪无影响。

5.4对河势稳定的影响分析。

（1）桥梁建设后，由于桥墩的存在，改变了周围的水流结构，从而对局部流势造成影响。考虑到水库修建后，由于泄洪可能导致桥位河段河势有很大的不确定性，桥梁设计采用了直径为1.6m的圆柱形桥墩，对河势的影响较小。

（2）从桥梁以下到下游水文站约7Km的河段内，两岸为山体，无防洪要求，无堤防和控导工程，该河段有5个连续的自然山湾作为控制节点，即便桥位断面流势发生变化，经过下游山湾的导流作用后，河势仍能够得以调整恢复，不会对下游河段的河势造成影响。

5.5对现有防洪工程及河道整治工程影响分析。桥位河段无防洪工程和河道整治工程，对防洪工程和河道整治工程无影响。

5.6对第三人合法水事权益的影响分析。

（1）桥梁上游约1.6Km处为暗渠引水电站，桥梁设计水位下壅水曲线长度仅为306m，对该电站无影响。

（2）桥梁下游约700m处为引水二级电站。引水暗渠从桥梁下面第一孔跨内通过，距离1#桥墩约4.4m，桥梁施工过程中有可能对该引水暗渠产生影响。桥梁建成后，若桥梁第一孔跨过流，由于1#桥墩的扰流作用，有可能会对引水暗渠产生影响。

参考文献

[1]陈清濂，王中礼等.GB50201-94防洪标准[S].北京：中国计划出版社，1994.

[2]方根男，孙学祥等.TB10017-99铁路工程水文勘测设计规范[S].北京：中国铁路出版社，1999.

[3]王丽荣.水力学与桥涵水文[M].北京：人民交通出版社，2007.

[4]徐麟祥，王小毛等.SL319-2005混凝土重力坝设计规范[S].北京：水利水电出版社，2005.