(莊河市林業(yè)水利服務(wù)中心，遼寧 莊河 116400)

河道水文情勢(shì)勢(shì)必會(huì)受到建筑工程的影響，主要體現(xiàn)在橋墩上游和下游區(qū)域，可形成圓形的局部壅水和帶狀的減速區(qū)域，因此橋墩處會(huì)因較高的水流速度而產(chǎn)生挑流作用，從而增加了橋墩下游兩岸的流速[1]?？绾?、跨河、跨高山河谷等一大批橋梁工程隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，在全國(guó)各地得到規(guī)劃興建并已成為保證經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的基礎(chǔ)性設(shè)施，為了保障河道與橋梁的長(zhǎng)期安全運(yùn)營(yíng)，有必要對(duì)其防洪影響開展深入研究[2-3]。跨河橋梁防洪評(píng)價(jià)經(jīng)過長(zhǎng)期的研究發(fā)展，已逐漸形成了較為系統(tǒng)完善的防治措施和評(píng)價(jià)體系，通常情況下可根據(jù)合理的防洪標(biāo)準(zhǔn)和水文數(shù)據(jù)資料，計(jì)算分析橋梁的沖淤和壅水，從而確定防洪影響程度[4-6]。經(jīng)驗(yàn)公式算法通常是河道橋梁防洪影響分析的常用方法，而物理模型試驗(yàn)或數(shù)學(xué)模型法往往是計(jì)算河道防洪影響較大的壅水范圍與高度的方法。物理模型是一種投入資金大、模擬周期長(zhǎng)較為直觀的方法，在實(shí)際工程應(yīng)用中具有一定的局限性。數(shù)學(xué)模型法隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展逐漸引起人們的關(guān)注，并在橋梁防洪影響分析中得到廣泛的應(yīng)用。

據(jù)此，本文深入探討了防洪影響評(píng)價(jià)內(nèi)容、指標(biāo)以及計(jì)算方法，并在此基礎(chǔ)上以大連莊河建設(shè)大橋?yàn)槔?，?yàn)證了評(píng)價(jià)體系與計(jì)算方法的合理性與實(shí)用性[4]，以期為促進(jìn)跨河橋梁建設(shè)管理提供一定參考依據(jù)。

1 確定防洪影響評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1 評(píng)價(jià)內(nèi)容

部分河道被臨時(shí)工程與橋梁橋墩的修建侵占，可使得河道過水?dāng)嗝媸照?，水流受到橋孔的擠壓作用提升了橋梁上游區(qū)域的壅水高度，并改變了河流的水位與洪水特征。在發(fā)生洪水時(shí)，河道過水?dāng)嗝娴目s窄可加大河道流速，橋孔上下游床面的泥沙被經(jīng)過橋孔的水流沖走，從而對(duì)床面產(chǎn)生沖刷作用并使得橋墩、橋臺(tái)前緣附近出現(xiàn)繞流現(xiàn)象，顯著改變了水流的流向與速度，引起較大的床面切力與折沖水流和渦旋[5]。長(zhǎng)期的沖刷作用會(huì)在局部產(chǎn)生沖刷坑，對(duì)橋梁的穩(wěn)定與安全構(gòu)成潛在的威脅。因此，對(duì)跨河橋梁的防洪影響評(píng)價(jià)主要包括河道水流對(duì)橋梁安全以及橋梁建設(shè)本身對(duì)河道行洪兩個(gè)方面的影響作用。

1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)已有研究與防洪影響具體內(nèi)容，可分別從以下幾個(gè)方面選擇評(píng)價(jià)指標(biāo)：以相關(guān)規(guī)范規(guī)定和規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，判定橋梁設(shè)計(jì)洪水是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；對(duì)橋墩布置、橋梁長(zhǎng)度與河道水文情勢(shì)的合理性進(jìn)行判斷[6]；判斷梁底高程是否滿足允許最低要求，按照規(guī)范超高與行洪要求計(jì)算壅水曲線長(zhǎng)度與高度；橋梁修建是否引起橋墩與堤岸的沖刷，能否改變河道行洪方向與局部流速狀況；其他指標(biāo)，如跨河橋梁防護(hù)措施是否科學(xué)，建設(shè)施工與工期對(duì)防汛搶險(xiǎn)工作是否造成影響等。

2 計(jì)算分析

2.1 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

對(duì)設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算應(yīng)充分利用歷史洪水調(diào)查資料與實(shí)測(cè)流量數(shù)據(jù)，通常采用的方法有當(dāng)?shù)亍端氖謨?cè)》經(jīng)驗(yàn)公式法以及頻率分析法等。如果沒有河道治理規(guī)劃的河段設(shè)計(jì)洪水，可根據(jù)相關(guān)河道實(shí)測(cè)斷面狀況、土壤類型、地形特征、流域狀況以及植被生長(zhǎng)等狀況，利用最新的水文資料進(jìn)行不同設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水的推導(dǎo)[7]。

2.2 河道水力計(jì)算

為滿足天然河道行洪條件，非均勻更定水流法通過將行洪灘地與主河槽相結(jié)合，系統(tǒng)反映灘地與主河槽的分流情況，推求水面線法為較為常用的水力計(jì)算方法。能量守恒理論為水面曲線法的主要依據(jù)，在天然河道中其表達(dá)式為

(1)

式中v上、Z上——上游斷面流速與水位,m；

v下、Z下——下游斷面流速與水位,m/s、m；

Q、ΔS——設(shè)計(jì)流量與斷面流段長(zhǎng)度,m3/s、m；

K、α、ξ——流量模數(shù)、動(dòng)能修正系數(shù)與局部損失系數(shù)。

度量河道水流阻力的重要參數(shù)為河道糙率，該參數(shù)是影響河道泄洪能力預(yù)測(cè)、水庫(kù)回水末端位置和蓄水高度模擬、各種泥沙沖淤和水力計(jì)算等方面的關(guān)鍵參數(shù)[8]。選擇最下游水位作為起始水位推求河段斷面的設(shè)計(jì)流量并選取灘地與河槽的計(jì)算糙率，然后利用逐斷面試算法根據(jù)河槽類型、水位等資料向上游進(jìn)行逐斷面推算。

2.3 壅水與沖刷計(jì)算

壅水高度可根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)手冊(cè)》推薦的經(jīng)驗(yàn)公式以及河道邊界條件計(jì)算，計(jì)算公式為

(2)

式中 Δz——最大壅水高度,m;

η——根據(jù)阻斷流量確定的計(jì)算系數(shù)(一般為0.05～0.15)；

已有研究和相關(guān)資料給出了多個(gè)河道一般沖刷深度計(jì)算方法，本文綜合考慮橋梁建設(shè)實(shí)際狀況和有關(guān)規(guī)范，采用設(shè)計(jì)規(guī)范推薦使用的局部沖刷與一般沖刷計(jì)算公式[9]，具體如下：

(3)

(4)

(5)

式中Q2、Bcj——通過橋下河槽部分的設(shè)計(jì)流量與河槽寬度，m3/s、m；

μ、E——側(cè)向壓縮系數(shù)和含沙量相關(guān)系數(shù)；

hcm、hcq——河槽最大水深與平均水深，m；

hb、Kξ——橋墩局部沖刷深度與墩形系數(shù)；

B1、hp——橋墩計(jì)算寬度與一般沖刷最大水深，m；

Kη2、n2——河床顆粒影響系數(shù)與相關(guān)指數(shù)；

2.4 允許最低梁底高程

河道的橋梁防洪評(píng)價(jià)不僅僅是沖刷、壅水計(jì)算，更重要的是對(duì)橋梁梁底最小高程和河道水位進(jìn)行對(duì)比分析。一般情況下，大多數(shù)河道沒有航運(yùn)通行的要求，對(duì)梁底最低允許高程可根據(jù)水利相關(guān)規(guī)定與公路工程設(shè)計(jì)規(guī)范確定，綜合考慮河道下游具體情況以及河道兩岸現(xiàn)狀確定山區(qū)河道的最低允許梁底高程，不考慮通航要求的梁底高程按下式確定：

Hmin=Hp+∑Δh+Δhj

(6)

式中Hmin、Hp——梁底最低高程與設(shè)計(jì)水位；

Δhj、∑Δh——橋下凈空高度安全值與綜合考慮浪高、壅水、漂浮物高度、床面淤高、河彎超高水拱等河流具體情況總和之值，m。

2.5 堤防抗滑穩(wěn)定分析

對(duì)于2級(jí)堤防抗滑移系數(shù)根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》要求不得小于1.25，特殊情況下不得小于1.15；對(duì)于4級(jí)堤防不得小于1.15，非常情況下不得小于1.05。在100年一遇洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下，對(duì)堤防抗滑移穩(wěn)定性安全系數(shù)利用不同模型進(jìn)行計(jì)算，如圖1所示。由圖1可知，堤防抗滑移安全系數(shù)在三種模型下的計(jì)算結(jié)果均不小于1.4，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于規(guī)范設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值，并且各模型計(jì)算結(jié)果相差不大，由此表明在安全可靠方面該堤防工程具有較高的可行性與科學(xué)性。

圖1 不同模型的堤防抗滑移安全系數(shù)

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 工程概況

大連莊河建設(shè)大橋是莊河市重要的城市主干道，采取雙向4車道機(jī)動(dòng)車道，道路主干路為1級(jí)，橋梁中央分隔帶4.50m，兩端分別為2.25m人行道+8.50m機(jī)動(dòng)車道+1.30m索區(qū)，總寬28.60m。橋梁軸線與橋臺(tái)夾角為56°，全長(zhǎng)260m，其中跨經(jīng)38.40m+183.20m+38.40m。橋梁體系為半漂浮式，跨中采用的自錨體系可顯著縮短工期和降低工程投入。自錨式斜拉懸索協(xié)作體系為大橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體系，其中主梁設(shè)計(jì)為1.50%雙向橫坡，梁寬28.60m。依據(jù)橋梁實(shí)際狀況，對(duì)大連莊河建設(shè)大橋防洪影響，利用上述評(píng)價(jià)體系與計(jì)算方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[10]。

3.2 橋梁防洪影響計(jì)算

由于規(guī)劃治理標(biāo)準(zhǔn)沒有對(duì)大連莊河提出具體要求，因此對(duì)設(shè)計(jì)供水計(jì)算可按照橋梁設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核，利用當(dāng)?shù)亍端氖謨?cè)》經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)橋梁上游一定范圍內(nèi)100年一遇洪峰流量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果為752m3/s，從而確定河流過橋流量。根據(jù)文中式(1)和水面線推求方法，計(jì)算出大連莊河建設(shè)大橋橋址處水位在100年一遇洪峰流量752m3/s時(shí)為92.46m。然后根據(jù)式(2)與河道過水?dāng)嗝婷娣e在建設(shè)大橋前后的變化，確定水位壅水高度為0.88m，進(jìn)而確定壅水長(zhǎng)度為93m。依據(jù)設(shè)計(jì)院提供的地質(zhì)勘探資料，確定橋址處河道地質(zhì)狀況，河道平均流速在大橋建設(shè)前后改變了1.35m/s，由此可利用上述公式確定沖刷坑深度為3.86m；根據(jù)河道水流實(shí)際狀況和上述計(jì)算結(jié)果選擇0.50m為橋梁安全超高，然后利用式(5)可得到梁底允許最低高程為93.87m。通過計(jì)算成果分析，設(shè)計(jì)的橋梁梁底高程高于對(duì)應(yīng)橋位的100年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)要求的橋梁梁底高程，也就是說該橋梁的100年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)橋梁高程滿足河道行洪要求[11-12]。

3.3 結(jié)果分析

根據(jù)莊河建設(shè)大橋橋型與路線布置圖，河道水流方向與大連莊河建設(shè)大橋布置走向成56°夾角，為減少橋梁建設(shè)對(duì)行洪的影響范圍可采用與水流方向相平行的橋墩布置方式，不僅保證了橋梁程度滿足河道行洪要求，而且不會(huì)對(duì)河流水勢(shì)整體產(chǎn)生較大的影響[13]。

結(jié)合梁底最低允許高程與河道水力計(jì)算結(jié)果，大連莊河建設(shè)大橋橋址處水位在100年一遇洪峰流量752m3/s時(shí)為92.46m，低于梁底允許最大高程的93.87m，根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)資料和工程驗(yàn)收資料橋梁底高程為100.20m，梁底超高為6.33m。由此表明，橋梁的高程與布設(shè)雖然受到地形條件與河道水勢(shì)的影響，但是在100年一遇洪峰流量下梁底高程仍大于最低允許值并滿足河道行洪要求。對(duì)橋墩間的水流流態(tài)特征可根據(jù)計(jì)算流場(chǎng)分析，結(jié)果顯示橫向水流速度在橋墩上游局部區(qū)域發(fā)生了顯著的改變，橋梁工程的修建增大了橋墩間區(qū)域的水流速度；橋墩具有一定的阻流作用，從而形成水流的繞流運(yùn)動(dòng)，但是在主槽區(qū)擾流作用很快消失并與以往形式保持不變，水流在橋墩的阻流作用下更加平緩，由此可說明河道主槽區(qū)流速受橋梁修建工程的影響較低。整體來看，相對(duì)于河道橋墩具有較小的尺寸，河道主流并未因設(shè)計(jì)流量出現(xiàn)大范圍的不良流態(tài)，且未改變水流的主方向，由此可認(rèn)為橋梁工程的修建對(duì)河道的影響僅僅是局部性的小范圍影響。

平行于河道水流方向的橋墩布置方式使得大連莊河建設(shè)大橋不會(huì)對(duì)河道流勢(shì)產(chǎn)生較大的影響作用。根據(jù)沖刷計(jì)算結(jié)果，橋下水流速度由于橋墩收窄過水?dāng)嗝娑龃?，使得建設(shè)大橋后流速增大1.35m/s，相應(yīng)的沖刷坑深度可達(dá)到3.86m，因此該工程建設(shè)對(duì)河床沖刷產(chǎn)生的影響較為明顯，為保證兩岸防洪安全應(yīng)加強(qiáng)對(duì)河床的保護(hù)。

3.4 防治補(bǔ)救措施

根據(jù)以上計(jì)算分析與評(píng)價(jià)，大連莊河建設(shè)大橋梁底高程滿足最低允許值要求，并且橋梁布置形式較為合理，能夠滿足河道要求，河道防洪受橋梁建設(shè)的影響作用較低。跨河橋梁建設(shè)在一定程度上加大了斷面水流速度，并且河道兩岸受行洪河道沖刷作用增大。為保證河道兩岸村莊安全以及公路橋梁的安全運(yùn)行，相關(guān)部門應(yīng)采取有效措施防護(hù)橋址處河岸，加強(qiáng)橋位上游河岸的防護(hù)和橋梁引道工程建設(shè)[14]。

充分利用汛情預(yù)報(bào)系統(tǒng)以及水文資料，并綜合考慮汛期施工實(shí)際狀況，盡可能降低工程建設(shè)對(duì)正常行洪的影響作用，同時(shí)避免因不當(dāng)?shù)氖┕ぐ才旁斐傻氖┕ぴO(shè)備與項(xiàng)目建設(shè)的不必要損失?？绾訕蛄航ㄔO(shè)完成后，應(yīng)及時(shí)清除臨時(shí)建筑物并拆除擋水圍堰，對(duì)灘地?cái)嗝嬉约霸哟苍斐善茐呐c影響的區(qū)域，采取相應(yīng)的修復(fù)措施，保證全部施工棄料的清除以防止影響河道的通暢。

4 結(jié) 論

本文深入探討了防洪影響評(píng)價(jià)內(nèi)容、指標(biāo)以及計(jì)算方法，并在此基礎(chǔ)上以大連莊河建設(shè)大橋?yàn)槔?，分別從設(shè)計(jì)洪水、河道水力、壅水高度、河床沖刷以及梁底最低允許高度等方面綜合評(píng)價(jià)了防洪影響，得出如下結(jié)論：水流方向與大連莊河建設(shè)大橋布置走向成56°夾角，為減少橋梁建設(shè)對(duì)行洪的影響范圍可采用平行的橋墩布置方式，不僅保證了橋梁程度滿足河道行洪要求，而且不會(huì)對(duì)河流水勢(shì)整體產(chǎn)生較大的影響；大連莊河建設(shè)大橋橋址處水位在100年一遇洪峰流量752m3/s時(shí)為92.46m，低于梁底允許最大高程的93.87m，橋梁的高程與布設(shè)雖然受到地形條件與河道水勢(shì)的影響，但是在100年一遇洪峰流量下梁底高程仍大于最低允許值并滿足河道行洪要求；為保證河道兩岸村莊安全以及公路橋梁的安全運(yùn)行，相關(guān)部門應(yīng)采取有效措施防護(hù)橋址處河岸，加強(qiáng)橋位上游河岸的防護(hù)和橋梁引道工程建設(shè)。