余蝶双， 余方顺

(宁波市水利水电规划设计研究院有限公司，浙江 宁波 315000)

大规模的城市开发建设，使得城市内部涝水滞蓄空间持续缩减，平原涝水外排要求进一步增大。平原骨干河道作为流域洪涝水外排的主要通道，其排水能力的有效发挥对于保障流域防洪排涝安全至关重要。然而现状桥梁卡口往往成为影响骨干河道防洪能力提升的主要制约因素。如何采取有效措施，既可打通河道行洪卡口、提升河道防洪能力，又不影响桥梁功能，成为亟待解决的重要课题[1-4]。卡口河段由于河道走向、河道断面面积变化剧烈，水动力条件复杂，传统的经验公式、一维模型均不能满足要求，亟需采用更为精细的二维模型进行研究。

本文以姚江二通道(慈江)穿铁路桥卡口为例，拟定3种卡口拓宽方案，通过二维数学模型的计算和分析，得出各方案的影响成果，为涉河桥梁卡口拓宽改造提供一定参考。

1 流域及工程概况

姚江又名余姚江，属平原型河流，河床平坦，水面比降小于0.01‰，河道宽约50～200m，最宽处达300m。姚江流域山区、半山区面积约752km2，仅占流域总集雨面积的40%，且山区分列于干流两侧，洪水相对分散，总集雨面积244.5km2，占山区面积的32.5%。受自然地理、水文气象、地形地貌等因素影响，易受洪、涝灾害侵袭，尤其是自2000年以来，受台风影响的洪涝灾害频繁，经济损失巨大。

姚江二通道(慈江)工程旨在缓解姚江流域行洪排涝压力。工程位于宁波市江北镇海区北侧，西起慈江大闸，由澥浦大闸东排入杭州湾，全长34.2km。上、中、下游三级设置共计500m3/s的梯级强排泵站，并且配套沿线50多座中小型闸、泵。目前，姚江二通道(慈江)工程已实现全线通水。姚江二通道(慈江)规划河道面宽60m，规划河底-1.87m。

铁路桥位于姚江二通道(慈江)中游，距离上游慈江大闸约9.2km。铁路桥现状桥梁一跨过江，跨径32m，梁底标高3.30m，桥与河道水流方向垂直。受铁路桥桥台位置限制，桥位处河道净宽仅28m，河底高程为-0.19～-0.15m。铁路桥上下游河道面宽约60m，河底高程为-1.43～-1.87m。桥位下游90m为现状宁慈公路桥，5跨过河，梁底标高为3.53m。

2 影响分析研究

2.1 模型原理

本工程所处的河段为宽浅型河流，采用二维水动力方程即可反映河段的水流运动特性。该模型在国内多个桥梁等涉河工程中得到实践应用，能准确分析工程附近的水动力变化情况。

2.1.1控制方程

本次采用的二维水动力数学模型[5-7]综合考虑洪水演进过程，可以全面模拟计算域内水流过程。水动力学模型的控制方程由水流连续方程与运动方程等方程组成，主要控制方程如下。

水流连续方程：

(1)

水流运动方程：

(2)

(3)

式中，H—垂线水深，H=h+ζ;ζ—水位，m；u、v—x、y方向的垂线平均流速分量，m/s；ε—紊动运动黏性系数；n—糙率系数；g—重力加速度。

2.1.2数值计算格式

本模型采用非均匀网格，拟在码头工程附近区域和地形较大的局部区域定向加密网格。计算时采用有限体积法，控制方程离散时，结果变量U、V位于单元中心，跨边界通量垂直于单元边。

2.1.3边界条件

(1)初始条件。对于建模的给定的计算区域，给定水位和流速初始值。

(2)边界条件。进口边界条件，给出进口开边界处的水位、流量过程，由全流域模型或实测数据给出；出口边界条件，本文是自然开边界，主要是经下边界出流的河流，由全流域模型给出。

2.2 模型概化

2.2.1网格概化

本次建立的二维水动力数学模型，考虑工程所在河道地形特点、洪水特点等因素，确定计算范围为桥位上游2.2km，下游1.2km，模拟范围总长3.4km。为了较好反映河道地形，满足精度要求，采用非结构网格，网格宽度为5～6m。卡口改扩建后，桥位附近网格局部加密，宽度为1～2m。

本次分析卡口改造效果，以姚江二通道(慈江)规划设计断面为基准方案，旨在分析卡口拓宽后是否能够满足姚江二通道(慈江)规划河道的设计防洪能力要求。桥位附近河道拓宽改造前、后网格剖分如图1—2所示。

图1 河道拓宽前网格概化(设计断面)(单位：m)

2.2.2地形概化

本次改造前地形采用规划河道设计断面，河底高程-1.87m，河道面宽60m。改造后地形，桥位附近按照各方案下的设计地形确定，其余位置按照规划河道设计断面。

2.2.3边界条件

根据GB 50201—2014《防洪标准》、TB 10002—2017《铁路桥涵设计规范》等相关规范，确定铁路桥自身防洪标准为100a一遇，因此二维模型水动力计算针对100a一遇的情况展开。由于本次研究主要是为了讨论河道拓宽后过流能力较河道防洪能力与规划河道设计能力的差异，因此二维数学模型的水文边界采用铁路桥设计防洪能力下的水位-流量过程。

上边界采用重现期姚江流域100a一遇的设计暴雨，与下游“菲特”典型实测潮位过程进行组合，最终计算得到二维模型上、下游边界条件及桥位处的水位流量过程。设计能力下桥位处的水位流量过程如图3所示。

图2 河道拓宽后网格概化(单位：m)

图3 100a一遇铁路桥断面的水位-流量过程

2.2.4参数率定

模型调试采用水文计算成果资料。经比选后确定河槽糙率一般取n=0.026，滩地糙率取n=0.032。

2.3 影响分析

2.3.1方案拟定

根据GB 50201—2014、TB 10002—2017等相关规范，铁路桥自身防洪标准为100a一遇，最小安全超高需0.50m，而现状铁路桥梁底标高为3.30m。故为保证铁路桥满足自身设防标准，同时结合上、下游沿线碶闸实际调度情况，铁路桥桥位处100a一遇水位控制不大于2.75m。

从满足铁路桥断面行洪能力及保障铁路桥自身安全角度出发，拟定3个拓宽方案如下。

试验鸡只管理如通风、光照、免疫接种等按照峪口禽业蛋种鸡育成期的常规饲养管理。饲养条件为阶梯式笼养、乳头式饮水器，鸡只自由饮水、采食。在试验4周后（鸡只13周龄末），鸡群转入产蛋舍，从见蛋开始跟踪记录鸡只10 d的产蛋情况，观察育成期日粮蛋白质水平对鸡在产蛋期产蛋性能的影响。

方案1：现状铁路桥桥位按规划高程进行清淤至-1.87m+向南新开通道净宽40m(河底按-1.87m控制)

现状铁路桥桥位处河道净宽约28m，河底高程约0m左右，本方案考虑将桥位处河底清淤至规划河底-1.87m，并向南新开净宽40m河道，以满足规划河道过流能力要求。

方案2：维持铁路桥桥位现状河底+向南新开通道净宽60m(河底按-1.87m控制)

考虑到现状铁路桥自身结构安全稳定的要求，现状桥位处河道疏浚可能受限，本方案考虑现状铁路桥桥下河道维持现状河底高程0m，并向南新开通道规模净宽60m，以满足规划对铁路桥断面整体过流能力的要求。

方案3：铁路桥现状桥位上下游建节制闸，洪水期间对铁路桥进行节制保护，并向南开通新通道净宽70m(河底按-1.87m控制)

通过在铁路桥老桥位置上下游新建堤防，可直接防护铁路桥桥梁免受洪水侵害，保障铁路桥老桥安全。由于铁路桥老桥所在位置特殊，上下游受临近交通道路限制，南拓河道达到70m可满足桥位处水位壅高控制要求。

2.3.2过水面积影响分析

根据实测水下地形及结合姚江二通道(慈江)工程沿线河道的设计规模，铁路桥断面前后河道设计面宽60m，在铁路桥允许水位2.75m下，河道设计过水断面为205.3m2，现状铁路桥过水断面77m2，阻水比例达到63%。而3种拓宽方案，河道过水断面面积均有所增大，其中方案2增大73%，增大效果最为明显。详见表1，表中变化情况均较设计断面而言。

表1 各方案河道阻水面积分析 单位：m2

2.3.3流速变化影响分析

方案1和方案2相比，两者桥位上下游的流速特征基本一致。方案2下的桥位上游流速较方案1增大0.05～0.1m/s，这主要是因为方案2扩孔宽度更大，上游水流下泄更加顺畅。

方案3较方案1、方案2而言，水动力轴线整体向南侧摆动，老桥桥位上游100m至下游200m流速明显减小，且下游流速减小区域范围延伸至下游宁慈铁路桥，长期条件下，会造成该区域河道淤积，进而造成宁慈铁路桥过流能力降低。

方案1—3的流速分布如图4—6所示。

图4 方案1(铁路桥向南拓宽-河道净宽40m)流速分布

图5 方案2(铁路桥向南拓宽-河道净宽60m)流速分布

图6 方案3(铁路桥向南拓宽-河道净宽70m)流速分布

2.3.4水位变化影响

通过计算分析，通过铁路桥上游慈江闸站调度进行优化，3种方案下均可将铁路桥桥位处百年一遇水位控制在2.75m，满足100 a一遇水位控制要求，保障铁路桥自身防洪安全。

综上，从水位角度，3种方案下均可以保障铁路桥自身防洪安全。从流速变化、断面面积变化角度，方案2桥位上下游流速更大，水流下泄更加顺畅。因此，方案2更有优势。

3 结语

为了科学探讨区域骨干河道既有桥卡口的打通方式，本文以姚江二通道(慈江)穿铁路桥卡口为例，建立二维数学模型，拟定3种拓宽方案，从过水面积、水位、流速等指标进行比选，最终得出推荐方案。本文采用的研究方法可为类似桥梁卡口段河道拓宽提供一定参考。

由于本文所选河道上下游均受闸控，河道泥沙含量相对较小，因此方案比选未采用泥沙淤积、河床演变等相关指标，对于水流、泥沙条件复杂的河道需增加比选指标，进一步深入研究。