文岑王春霞蔣家良

1, 重慶交通大學(xué)西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所 400016 2, 重慶交通大學(xué)河海學(xué)院 400074 3，重慶市豐都縣交通委員會(huì)

巴中市巴河楊家壩大橋工程防洪評(píng)價(jià)分析

文岑1王春霞2蔣家良3

1, 重慶交通大學(xué)西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所 400016 2, 重慶交通大學(xué)河海學(xué)院 400074 3，重慶市豐都縣交通委員會(huì)

楊家壩大橋是四川省高速公路網(wǎng)的重要組成部分，工程跨越巴河，研究其對(duì)河床走勢(shì)及防洪影響具有重要意義。該文根據(jù)近年來(lái)實(shí)測(cè)河道資料進(jìn)行河流演變分析，應(yīng)用平面二維有限單元水流數(shù)學(xué)模型，通過(guò)相關(guān)計(jì)算分析，確定大橋建立前后斷面水位、流速變化，壅水及回水影響等，結(jié)果表明本大橋建設(shè)后對(duì)河段行洪、兩岸防洪環(huán)境滿足防洪規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 、概述

楊家壩大橋位于巴河楊家壩段，距離巴中水文站僅2km左右。大橋?qū)侔椭小_(dá)州高速公路，是四川省高速公路網(wǎng)廣元～巴中～達(dá)州～萬(wàn)州（川渝界）高速公路的重要組成部分。河岸兩側(cè)無(wú)道路等設(shè)施，大橋直接與高速公路相銜接。大橋跨徑組合為10×30m+ (58+110+58) m +13×30m，全橋長(zhǎng)936m。橋?yàn)?58+110+58) m連續(xù)剛構(gòu)，引橋?yàn)?0m簡(jiǎn)支T梁。主墩為矩形空心墩，承臺(tái)、樁基礎(chǔ)。交界墩及引橋橋墩采用分幅獨(dú)柱式鋼筋砼空心薄壁變截面空心墩、樁基礎(chǔ)。橋臺(tái)為重力式橋臺(tái)。橋面寬24.5m，平面接近一條直線布置。

巴中至達(dá)州高速公路在楊家壩附近橫跨巴河，其橋墩將占據(jù)河道的一定的過(guò)水面積，特別是對(duì)于大洪水，受橋墩的束水和阻水作用的影響，橋區(qū)河段的洪水位和流場(chǎng)將發(fā)生一定的改變。受建筑單位委托，根據(jù)國(guó)家水利水電工程技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)楊家壩巴河大橋工程進(jìn)行防洪影響評(píng)價(jià)。

1.1 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《水利水電工程工程等級(jí)劃分及防洪標(biāo)準(zhǔn)》[1]及《長(zhǎng)江流域規(guī)劃簡(jiǎn)要報(bào)告》，大橋設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：設(shè)計(jì)荷載公路A級(jí)設(shè)計(jì)荷載；設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)采用100年一遇，水位為360.7m，相應(yīng)流量15841m3/s；設(shè)計(jì)最高通航水位采用2年一遇洪水位344.26m，設(shè)計(jì)最低通航水位采用天然情況下90%保證率水位332.58m?？拐鸹玖叶龋涸O(shè)防烈度6級(jí)。

1.2 河道基本情況

巴河發(fā)源于川陜邊境的米倉(cāng)山南麓，從北向南，流經(jīng)南江、巴中、平昌三縣，在平昌有通江河匯入，流至渠縣三匯匯入渠江。巴河流域面積19927km2，占渠江流域總面積的51%，河道全長(zhǎng)約366千米。平昌以上長(zhǎng)242km，河道平均比降1.25‰，以下長(zhǎng)124千米，河道平均比降0.29‰。大橋橋位河段位于巴中市下游，河床斷面呈復(fù)式“U”型，枯水河寬約110m，洪水河寬400m左右，河床多為沙卵石河床。

1.3 水文泥沙

巴河一場(chǎng)洪水的總歷時(shí)：?jiǎn)畏逡话慵s3～4天，復(fù)峰約4～6天。洪水總量主要集中于三日以內(nèi)（約占73.5%），一日洪量占三日洪量的50.7%以上。巴河洪枯變化大，七里沱水文站一般為15～21m，1965年高達(dá)25.8m，1957年高達(dá)23.9m；風(fēng)灘水文站一般為13～20m，1965年高達(dá)21.2m。大橋上游的風(fēng)灘水文站最大年平均流量為680m3/s（1983年），最小年平均流量為120m3/s（2001年），相差達(dá)5.7倍，年徑流變差系數(shù)為0.44。

表1 巴河流域有關(guān)水文測(cè)站洪水成果

1.4 河道近期演變分析

天然情況下橋區(qū)河段受河床及河岸邊界約束較強(qiáng)，灘槽穩(wěn)定，多年來(lái)河床沖淤變化不明顯；由于建橋后，大橋橋墩的阻水面積有限，建橋?qū)騾^(qū)河段的河床演變、航行水流條件的影響亦較小。

2 、防洪評(píng)價(jià)計(jì)算

2.1 數(shù)學(xué)模型控制方程及求解原理

巴河河寬水淺，水流在垂直方向的變化相對(duì)于其他水流兩個(gè)方向變化要小，因此采用的平面二維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬計(jì)算。其控制方程的形式為：

水流連續(xù)方程：

X方向動(dòng)量方程：

Y方向動(dòng)量方程：

以上各式中，t為時(shí)間，x,y為空間坐標(biāo)，z為水位，h為水深，h=zzb，zb為河床高程，u,v分別為沿x,y方向的垂線平均流速，g為重力加速度，n為糙率系數(shù)，vt為湍流動(dòng)能擴(kuò)散系數(shù)。

利用有限元單元法來(lái)對(duì)控制方程求解[2～3]，基本求解過(guò)程為：

1)將控制方程分別在時(shí)間和空間上進(jìn)行離散。其中時(shí)間離散采用差分法，空間離散采用有限元法；

2)通過(guò)伽遼金加權(quán)余量法將控制方程從偏微分方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組；

3)根據(jù)邊界條件和初始條件數(shù)值求解代數(shù)方程組。

2.1.1 研究范圍及網(wǎng)格布置

根據(jù)擬建工程所處位置以及工程后可能引起的洪水位影響范圍及資料情況，選取的計(jì)算區(qū)域?yàn)椋喝L(zhǎng)約1.6km，其中橋軸線以上0.69km，橋軸線以下約0.91km。

工程河段主要采用三角形網(wǎng)格、橋墩采用四邊形網(wǎng)格離散計(jì)算區(qū)域[4～5]。網(wǎng)格大小疏密沿河道河勢(shì)寬窄變化不等，在擬建橋墩附近的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，將橋墩作為內(nèi)部邊界處理。并對(duì)橋墩進(jìn)行了概化處理，以盡可能反映其對(duì)工程河段水流條件的影響。本模型利用網(wǎng)格加密直接模擬橋墩形狀，在建橋后將橋墩所在單元作為不過(guò)流單元處理。

整個(gè)計(jì)算網(wǎng)格共有網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)7226個(gè),單元3537個(gè)。模擬河床段平均糟率取0.035。模型研究范圍及網(wǎng)格布置見(jiàn)圖1。

圖1 楊家壩大橋計(jì)算區(qū)域河段網(wǎng)格

2.1.2 數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證

橋位河段沿程設(shè)置6個(gè)實(shí)測(cè)水尺號(hào)，4段實(shí)測(cè)流速斷面。有實(shí)測(cè)枯水瞬時(shí)水面線及流速、流向圖，測(cè)量時(shí)間：2008年8月，實(shí)測(cè)水位為335.46m，對(duì)應(yīng)流量為Q=345.00m3/s。

2.1.3 水位驗(yàn)證

枯水流量345.00 m3/s時(shí)，在計(jì)算模型試驗(yàn)段范圍內(nèi)3個(gè)水位水尺號(hào)誤差均在0.03m以內(nèi)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好，滿足精度要求。

圖2 流量為345.00m3/s時(shí)流速驗(yàn)證

2.1.4 流速驗(yàn)證

本工程通過(guò)實(shí)測(cè)流速與模型計(jì)算流速進(jìn)行對(duì)比，從各個(gè)斷面流速計(jì)算結(jié)果來(lái)看，計(jì)算流速與實(shí)測(cè)流速誤差一般小于0.1m/s。圖2為2個(gè)典型斷面流速驗(yàn)證圖，驗(yàn)證結(jié)果表明模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)資料基本吻合，能正確模擬實(shí)測(cè)河道水流。

2.1.5 小結(jié)

本工程采用原型驗(yàn)證，工程河段水位、流速驗(yàn)證結(jié)果表明，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)資料吻合較好。說(shuō)明本文所建立的數(shù)學(xué)模型和采用的數(shù)值計(jì)算方法合理，模型基本能模擬實(shí)際河道的水流，可以進(jìn)行下一步工程前后的行洪影響計(jì)算。

本工程計(jì)算洪水頻率按1%，3.3%，5%，10%四種，相應(yīng)的流量為15841m3/s，12250m3/s，10612 m3/s，8453m3/s。

圖3為30年一遇洪水，相應(yīng)流量為12250m3/s時(shí)，建橋后的斷面流速分布圖。

圖3 洪水頻率為3.3%建橋前后的斷面流速分布圖

2.2 壅水分析計(jì)算

工程后，某一洪水位下工程占據(jù)的有效過(guò)水面積與工程前相應(yīng)水位的全斷面有效過(guò)水面積之比，稱為工程對(duì)過(guò)水面積的占據(jù)率或稱面積縮窄率。

在計(jì)算的各種洪水位情況下，橋墩占據(jù)的過(guò)水面積最大為8.90%，最小為7.55%；可見(jiàn)工程占據(jù)的過(guò)水面積稍大，分析原因主要是邊灘上副橋橋墩較多所致，建議將所有承臺(tái)頂面高程降低至所在位置河床床面以下，以盡量減少過(guò)水面積占據(jù)率。

計(jì)算結(jié)果顯示墩前局部區(qū)域水位的壅高值明顯大于河道左、右兩岸水位的壅高值，分析其主要原因是橋墩為局部阻水建筑物，所引起的壅水帶有較強(qiáng)的局部性，橋軸線上游壅水，橋軸線下游水位略有跌落。但通常情況下，對(duì)防洪造成的影響主要是河道兩岸的水位升高，該水位壅高值為評(píng)價(jià)行洪影響的主要因子。在各種計(jì)算組合工況下，建橋造成左岸水位的壅高值范圍為0.163～0.213m，右岸水位壅高值范圍是0.202～0.253m。與該河段在天然情況下水位的漲落幅度相比較，可以認(rèn)為建橋引起的水位壅高是微小的。

2.3 沖刷影響

建橋后，受橋墩束水的影響，主橋橋孔中部及下游范圍內(nèi)水流流速增加，水流挾沙力增大，有利于穩(wěn)定現(xiàn)有主槽；灘地流速則有所減緩，有利于灘地及岸坡穩(wěn)定。總之會(huì)因水動(dòng)力環(huán)境的改變而引起河床地形的相應(yīng)調(diào)整，水動(dòng)力改變大的地方，其地形調(diào)整的幅度也會(huì)大一些。

3 、結(jié)論

擬建橋位河段多年來(lái)河床形態(tài)變化不大，自然岸線固定，深泓平面擺動(dòng)較小，河勢(shì)穩(wěn)定，具備建橋條件。數(shù)模計(jì)算結(jié)果表明，在各種組合工況下，工程的壅水范圍小，對(duì)河道防洪水位的影響較小，對(duì)河道泄洪影響較??；建橋后流場(chǎng)變化主要集中在橋墩附近較小的范圍內(nèi)，對(duì)現(xiàn)有灘槽形勢(shì)和河道演變趨勢(shì)不會(huì)有明顯影響，工程對(duì)所在河道的總體河勢(shì)和局部河勢(shì)穩(wěn)定的影響較??；水位壅高與影響范圍、流速大小與分布變化等的計(jì)算結(jié)果及現(xiàn)有河床組成情況與河床演變的綜合分析表明，大橋的修建不會(huì)對(duì)該河段的防洪和河勢(shì)條件產(chǎn)生明顯的不利影響。

[1]SL252-2000水利水電工程等級(jí)劃分及防洪標(biāo)準(zhǔn)[S]

[2]朱伯芳.有限單元法原理與應(yīng)用[M].北京：水利電力出版社.1979

[3]王同科,時(shí)紅霞.二維不可壓Navier-Stokes方程特征混合有限元算法[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào)(理學(xué)版).2002(6):221-226

[4]張華慶.河道及河口海岸水流泥沙數(shù)學(xué)模型研究與應(yīng)用[D].南京：河海大學(xué)博士論文.1998

[5]張華慶，樂(lè)培九，楊細(xì)根.擬合坐標(biāo)下平均二維水沙數(shù)學(xué)模型及其應(yīng)用[J].水利學(xué)報(bào).1998(3):39-43

Analysis and Evaluation of Flood Control of the Yajiaba Bridge of Bahe River of Bazhong City

Wen Cen1Wang Chun-xia2Jiang Jialiang3
1.southwest Hydralics & Transportalion Engineering Research Institute, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400016, China 2.School of River and Ocean Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China

YangJiaBa bridge is an important part of Sichuan Province highway network, engineering across the Ba river, the study of trends and flood impact has the vital significance.According to the measured data of recent river channel evolution analysis, the application of two-dimensional finite element water numerical model.related calculation and analysis, and determine the water level before and after the bridge-buliding, and water flow changes affect, backwater the results show that the bridge construction River after the flood, the two sides to meet the flood control flood control environment standard specification.

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.20.028

文岑（1970-），男，四川富順人，主要從事港行研究。

防洪分析評(píng)價(jià)；水流；數(shù)學(xué)模型

analysis and evaluation of flood control; flow; numerical model