跨河桥梁防洪评价分析

2023-10-12胡凯旋

安徽水利水电职业技术学院学报 2023年2期

秦丽, 胡凯旋

(1.安徽水利水电职业技术学院,安徽合肥 231603;2.安徽省交通勘察设计院有限公司,安徽合肥 230011)

跨河桥梁建设一般需要在河道管理范围内设置桥墩,这会改变河道水流的形态,影响局部冲淤平衡,对河道的行洪能力将产生一定的影响,甚至对后期水利工程管理和防汛抢险都有着较大影响。因此,为了保证河道满足一定行洪标准,保障水利工程安全,对跨河桥梁进行防洪评价是十分有必要的。

1 工程概况

拟建新汴河特大桥工程位于宿州市埇桥区刘庙村村北,地处新汴河河道顺直,两岸堤防距约600 m,主河槽宽约130 m,河底最小高程约为17.5 m。河道滩地较宽,两岸滩地宽度约200 m,高程范围24.10 m～25.0 m之间。堤后为农田和村庄,地面高程约为24.0 m。

本次评价分析范围横向为新汴河左堤背水侧堤脚外20 m至右堤背水侧堤脚外20 m,纵向为上游6.0 km到下游6.0 km。该桥桥梁全长1 064.4 m,桥梁按两幅桥设计,单幅桥宽12.7 m。本桥9号～12号墩、14号～17号墩、19号～22号墩上部结构采用预应力混凝土悬浇变截面连续箱梁,其他位置采用先简支后连续小箱梁;下部结构桥台采用肋板台,桥墩采用片墩、柱式墩,墩台均采用桩基础。河道管理范围内主要为8号～19号桥墩,共12个桥墩,其中9号～18号布置在两堤之间,8号、19号布置在堤防背水侧护堤地范围内。

2 水文分析计算

新汴河设有宿县水文站、团结闸水文站,均为观测新汴河流量和水位,观测系列年为1969年至今。另外在唐河地下涵处设有水文站,观测唐河水位和流量及新汴河水位,观测系列年为1972年至今;在新汴河干流上游支流沱河上设有徐楼闸水文站,1970年开始观测沱河上段水位和流量,支流肖濉新河上设有符离集水文站,1973年开始观测肖濉新河水位和流量。新汴河流域及周边雨量站点较多,在设计暴雨计算中,新汴河流域采用了37个雨量站资料,唐河采用了5个雨量站资料。

2.1 设计水位

淮北地区除涝水文设计流量计算一般以利用设计暴雨通过产、汇流推算的间接法计算为主。随着观测资料的逐年增加、暴雨统计参数、降雨径流关系的变化和面上河道开挖后汇流条件的改变等原因,具体参数虽经过了几次变动,但计算方法一直未变。为了恢复新汴河排洪排涝能力,使新汴河达到设计的防洪20年一遇,排涝5年一遇标准,对新汴河河道进行疏浚,疏浚后河道主要节点七岭子、濉河引河口、宿县闸等排涝水位维持原设计不变。相应的河道设计流量及设计水位如表1所列。

2.2 工程处设计流量及水位

拟建工程上距京沪铁路桥约9.0 km,下距芦湾约5.7 km。两岸为新汴河大堤,河段防洪标准为20年一遇,除涝标准为5年一遇,最终确定工程处水位及流量如表2所列:

表2 工程处除涝、设计防洪水位及流量表

3 壅水和行洪能力分析计算

建桥后,由于桥墩占用过水断面面积,水流流线在墩体的上游形成收缩,下游形成扩散,加上墩体本身的阻力等因素,河道水流受桥墩的阻碍作用,桥下过水断面减少,使河流的局部阻力增大,造成局部水头损失,引起水流动能转化为势能,使桥前水位抬高,形成一定的壅水,这将会对桥位处河道的过流能力、滩槽分流比、水流速度等造成一定的影响。从防洪安全以及桥梁自身安全角度出发,本文壅水分析采用《桥渡水文》推荐的经验公式,分析计算河道设计洪水条件下的壅水。

3.1 壅水高度计算

根据《桥渡水文》,桥前壅水高度计算公式为:

(1)

3.2 壅水曲线长度计算

壅水曲线长计算公式:

(2)

其中,L为壅水曲线长度,m;ΔZ为桥前最大壅水高度,m;I为桥址河段天然水面坡度,本次计算取1/10 000。

壅水高度及曲线长度计算成果如表3所列。

表3 新汴河特大桥桥前壅水计算成果表

由表3可知,现状断面条件下,发生5年一遇除涝工况下,河道桥墩阻水面积占总过流断面面积为2.47%;20年一遇设计洪水时,河道桥墩阻水面积占总过流断面面积为3.11%。桥梁建成后,跨河桥梁造成了桥前水位壅高,发生5年一遇除涝水位时,河道壅水高度为0.001 m,壅水曲线长度约25.81 m;发生20年一遇设计洪水时,河道壅水高度为0.002 m,壅水曲线长度约37.82 m。桥墩引起的壅水高度和壅水曲线长度较小,桥墩阻壅作用对河道洪水位有一定的影响,但影响程度不大。

4 冲刷淤积计算与河势影响分析

建桥后,由于水流受桥墩的阻壅作用,河道中单宽流量增加,局部水面比降变陡,水流流速加大,河床可能产生一般冲刷;同时由于桥墩本身的挡水,其附近引起水流流态变化,桥墩周围出现局部冲刷。一般冲刷和局部冲刷的冲刷深度与过流条件、河道断面、河床土壤特性、阻水建筑物几何形状等因素有关。根据《公路工程水文勘测设计规范》(JTG C30-2015)推荐的计算公式,对设计水位条件下引起的冲刷进行分析计算。根据地质勘查资料,桥址处河床表层主要为淤泥质粘土和粉质粘土,因此本次计算采用粘性土冲刷公式计算。

4.1 一般冲刷计算

(1)河槽部分。根据《公路工程水文勘测设计规范》(JTG C30-2015)推荐的计算公式来计算河槽冲刷后的水深,公式如下:

(3)

(2)河滩部分。根据《公路工程水文勘测设计规范》(JTG C30-2015)推荐的计算公式来计算河滩冲刷后的水深,公式如下:

(4)

4.2 局部冲刷计算

(5)

其中,hb为桥墩局部冲刷深度,m;hp为河槽冲刷后水深,m;Kξ为墩形系数;b1为桥墩计算宽度,m;IL为冲刷坑范围内粘性土液性指数,IL的范围为0.16～1.19;V为一般冲刷后墩前行近流速,m/s。

在设计洪水条件下桥位处冲刷计算成果如表4所列。

表4 新汴河特大桥桥位处冲刷计算成果表

4.3 河势影响分析

根据《公路工程水文勘测设计规范》(JTG C30-2015)的相关规定,在确定桥梁墩台基础埋置深度时,应根据桥位河段具体情况,取河床自然演变冲刷、一般冲刷和局部冲刷的不利组合,作为确定墩台基础埋深的依据。

由表4可知,桥位处河道5年一遇除涝水位,河槽一般冲刷深度为0 m,河滩局部冲刷深度为0.383 m;发生20年一遇设计洪水时,河槽一般冲刷深度为0 m,滩地局部冲刷深度为0.446 m。由此可知,河槽及河滩不会发生一般性冲刷,仅桥墩周围会发生局部冲刷。近堤桥墩的局部冲刷会形成冲刷坑,对堤防岸坡的整体稳定不利,因此,为了降低大桥的建设对河势和堤防安全稳定的不利影响,建议根据计算冲刷深度适当降低墩台基底埋置深度,基底埋在墩台局部冲刷线下的深度不应小于《公路工程水文勘测设计规范》(JTG C30-2015)规定的安全值,同时对河岸和堤防采用一定的冲刷防护工程措施。