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        太中銀鐵路汾河柳灣橋防洪評價分析

        2010-07-25 13:46:10趙春林
        山西水利 2010年4期
        關(guān)鍵詞:橋址汾河堤防

        趙春林

        (山西省汾河灌溉管理局,山西 晉中市 031100)

        1 概況

        太中銀鐵路工程東起太原市,西至寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市和銀川市,橫貫山西中部,在太原清徐段與汾河交叉處建柳灣汾河特大橋。該區(qū)多年平均降雨量400.2 mm,多年平均氣溫10.6℃,最大凍土深度81 cm。柳灣汾河大橋位于清徐縣柳灣村北,橋址區(qū)地層為第四系全新統(tǒng)沖積層、人工堆積層;地下水為第四系孔隙潛水,地下水埋深2.9 m。河道縱坡1.3‰,防洪標準為20年一遇,泄洪流量2 000 m3/s。大橋斜越汾河干流于南社村北交匯,橋長1 386.82 m,橋高12 m,有43墩42跨。橋類型為預應力混凝土梁,圓端形橋墩,雙線T臺,基礎均采用樁基礎。

        2 防洪評價計算

        2.1 確定防洪標準

        柳灣汾河特大橋工程屬大橋、特大橋工程,根據(jù)《中華人民共和國防洪標準》要求,防洪標準采用100年一遇設計;該工程所在農(nóng)村管理河段依據(jù)《堤防工程設計規(guī)范》規(guī)定,確定堤防標準為20年一遇。

        2.2 水文分析計算

        汾河特大橋位于汾河二壩站下游4 km,上游建有汾河水庫和汾河二庫,由于上游水庫對汾河二壩站資料影響較大,所以將二壩站資料還原為自然洪水。

        2.2.1 暴雨洪水特性

        汾河洪水主要由暴雨形成,大多發(fā)生在7—8月。從洪峰流量的年際變化來看,豐枯年份洪水變化十分懸殊。上游洪水經(jīng)中游平原型河道削減后,在進入靈霍山峽之前,洪峰就已大幅減小,一般不會對下游構(gòu)成威脅。汾河下游干流洪水多由中、下游區(qū)間暴雨產(chǎn)生,形成時間短、洪峰大、洪量少。隨著暴雨特性的不同,洪水過程有胖瘦之分,矮胖型洪水由大范圍、長歷時并有一定強度的暴雨形成,這種洪水上漲緩慢,退水也慢,另一方面,水利工程和河道對洪水波的調(diào)蓄使洪峰降低,歷時拉長。尖瘦型洪水由小范圍或局部暴雨形成,洪水暴漲暴落,歷時短。

        2.2.2 斷面設計洪峰計算

        洪峰流量及糙率:

        采用1998年汾河中游河道治理工程的研究報告中的P=1%設計洪峰流量為3 310 m3/s,P=5%設計洪峰流量為3 310 m3/s。河床糙率取主河河床糙率0.025,河灘糙率 0.035。

        建橋前后河道水面線計算:

        根據(jù)河流和建設項目狀況,對河道防洪情況進行計算分析,在橋址上、下游約5 km共布測15個斷面,以進行河道水面線計算,確定河道行洪情況。計算公式如下:

        式中:Z——斷面水位,m;

        Q——斷面流量,m3/s;

        v——平均流速,m/s;

        α,ξ——分別為動能修正系數(shù)和局部阻力系數(shù);

        K——綜合流量系數(shù),由下式確定:

        其中,Ai,Ri,ni分別為左灘、中槽、右灘的流量系數(shù)、過水面積、水力半徑和糙率。

        經(jīng)計算,汾河特大橋橋址堤防內(nèi)側(cè)現(xiàn)狀滿足20年一遇洪水標準,過流能力為2 080 m3/s。大橋建設后橋址斷面堤防內(nèi)側(cè)現(xiàn)狀最大壅水高度0.28 m,壅水長度1958m;100年一遇洪水最大壅水高度0.11m,壅水長度1297.5m。由此可知,大橋?qū)拥佬泻橛绊懖淮蟆4髽蚪ǔ珊髮ξ挥诖髽蛏嫌?km處的貫中大橋不會造成影響。計算成果分別見表1和表2。

        表1 汾河特大橋建橋前后P=1%水面線計算成果

        表2 汾河特大橋建橋前后P=5%水面線計算成果

        沖刷與淤積計算:

        水流斜沖防護岸坡的沖刷深度按《堤防工程設計規(guī)范》中的公式計算:

        式中:Δhp從河底算起的局部沖深,m;

        a——水流流向與岸坡交角,度;

        m——防護建筑物迎水面邊坡系數(shù);

        d——坡腳處土壤計算粒徑,mm;

        vj——水流的局部沖刷流速,m/s。

        水流平行于岸坡沖刷產(chǎn)生的沖刷按《水力計算手冊》計算:

        式中:hB——局部沖刷深度,m;

        hp——河道平均水深,m;

        vp——平均流速,m;

        vH——河床允許的不沖流速,m/s;

        n——與防護岸坡在平面上的形狀有關(guān),一般取0.25。

        計算成果見表3。

        表3 各大橋橋址處河道堤岸沖刷深度

        由表3結(jié)合水面線計算成果可知:柳灣汾河特大橋建成后,發(fā)生較大洪水時,在橋址處一定范圍內(nèi)形成降水段,其水流流速有所增加,河道堤防沖刷加劇,最大沖刷深度增加1m,100年一遇洪水沖刷深度增加0.87m。

        3 防洪綜合評價

        3.1 與現(xiàn)有水利樞紐關(guān)系影響分析

        距汾河二壩4km,由分析計算可知,兩處建筑物互不影響;距貫中大橋2km,因其壅水高度和壅水長度均未影響到大橋,兩處建筑物互不影響;由于大橋斜跨河道,橋墩隨水流方向斜交,對堤防沖刷較大。

        3.2 與現(xiàn)有防洪標準適應性分析

        柳灣汾河大橋工程屬特大橋工程,防洪標準采用100年一遇設計,符合《中華人民共和國防洪標準》要求;河道段堤防標準20年一遇,符合《堤防工程設計規(guī)范》的規(guī)定。

        3.3 對行洪安全影響分析

        汾河大橋建成后,橋址所在各河道斷面中將設9個墩柱,墩柱使河道過水面積減少,具有阻水作用,由于斜交河道水流方向稍有改變,橋墩使橋址以上部分河段產(chǎn)生壅水,但壅水高度不大,僅0.28 m,100年一遇洪水時僅0.11 m,對河道行洪影響較小。

        3.4 對河勢穩(wěn)定性影響分析

        汾河特大橋所在河道發(fā)生較大洪水時,極易在橋址以上形成壅水并產(chǎn)生淤積,同時,橋址處形成降水段,水流流速稍有加快,水流斜沖堤岸,平行護岸的沖刷深度將有所增加。但由于壅水高度不大,壅水長度有限,壅水段淤積量不會很大;工程建成后,由于大橋斜交河道,水流方向改變,對河勢和穩(wěn)定性影響較大,應對橋址處一定范圍內(nèi)的河道堤防內(nèi)側(cè)采取防護加固措施,以減小工程建設引起的水流對護岸的沖刷,防止堤防決口坍塌,造成河床擺動。總之,大橋建設對該段河勢穩(wěn)定性影響較大。

        3.5 對已建堤防工程影響分析

        大橋施工建設將在河道內(nèi)外進行,必須對現(xiàn)有的堤防拆除。為保證河道行洪順暢,建議河道內(nèi)施工安排在非汛期,并在汛期來臨之前完工,將拆除的堤防工程按原設計恢復。

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