王鵬全，吳元梅

(1.青海民族大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，西寧 810007；2.青海省水利水電科學(xué)研究院有限公司，西寧 810001；3.青海省流域水循環(huán)與生態(tài)重點(diǎn)試驗(yàn)室，西寧 810001)

0 引 言

洪水災(zāi)害是我國(guó)最頻繁的自然災(zāi)害之一?！白匀?社會(huì)”二元水循環(huán)模式下，人類(lèi)活動(dòng)成為洪水致災(zāi)的主要因素。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，越來(lái)越多的非防洪建設(shè)項(xiàng)目在河道管理范圍內(nèi)修建，人水爭(zhēng)地導(dǎo)致行洪斷面壓縮束窄，蓄滯洪區(qū)萎縮，流態(tài)改變，這不僅影響工程本身安全，而且可能損害河道管理范圍內(nèi)已建成的防洪工程體系，顯然與時(shí)下“洪水管理”的理念相違背[1,2]。為避免或降低建設(shè)項(xiàng)目對(duì)防洪的影響和洪水對(duì)建設(shè)項(xiàng)目的影響，《河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目管理的有關(guān)規(guī)定》要求“建設(shè)單位編制立項(xiàng)文件時(shí)必須按照河道管理權(quán)限，向河道主管機(jī)關(guān)提出申請(qǐng)，并提供防洪評(píng)價(jià)報(bào)告，經(jīng)河道主管機(jī)關(guān)審查同意后，方可開(kāi)工建設(shè)”。因此，為了規(guī)范河道管理范圍(包括蓄洪區(qū)和滯洪區(qū))內(nèi)所有涉水項(xiàng)目防洪評(píng)價(jià)報(bào)告編制工作，2004年水利部制定了《河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目防洪評(píng)價(jià)報(bào)告編制導(dǎo)則(試行)》(辦建管[2004]109號(hào))[3]；為進(jìn)一步適應(yīng)洪泛區(qū)、蓄滯洪區(qū)內(nèi)非防洪建設(shè)項(xiàng)目洪水影響評(píng)價(jià)及其報(bào)告編制工作，2014年水利部制定了《洪水影響評(píng)價(jià)報(bào)告編制導(dǎo)則》(SL520-2014)。

近年來(lái)隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)能力的增強(qiáng)和物流運(yùn)輸業(yè)的持續(xù)發(fā)展，跨河橋梁逐漸成為公路渡河的重要建筑物。然而國(guó)內(nèi)因洪水發(fā)生的交通斷道和安全事故時(shí)有報(bào)道，因此通過(guò)建立完善的防洪評(píng)價(jià)制度，研究橋梁建設(shè)對(duì)河道行洪的影響以及河道水流對(duì)橋梁安全的影響，在前期設(shè)計(jì)階段提出工程建設(shè)的不利影響并及時(shí)提出補(bǔ)救措施，對(duì)提高跨河橋梁工程項(xiàng)目審批決策水平，防治水毀水災(zāi)具有重要意義[4]。

本文針對(duì)跨河橋梁工程防洪評(píng)價(jià)的特點(diǎn)，提出防洪評(píng)價(jià)報(bào)告編寫(xiě)的框架結(jié)構(gòu)，對(duì)工作內(nèi)容、評(píng)價(jià)指標(biāo)、評(píng)價(jià)要求、評(píng)價(jià)方法和技術(shù)依據(jù)進(jìn)行了梳理，并將關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)應(yīng)用于洮河流域某跨河橋梁防洪評(píng)價(jià)報(bào)告的編寫(xiě)，期望對(duì)河道管理范圍內(nèi)跨河橋梁的防洪影響評(píng)價(jià)工作提供技術(shù)參考[5]。

1 跨河橋梁防洪評(píng)價(jià)技術(shù)要點(diǎn)

根據(jù)《河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目防洪評(píng)價(jià)報(bào)告編制導(dǎo)則(試行)》，跨河橋梁防洪評(píng)價(jià)重點(diǎn)可概括為“十個(gè)是否”[6]：①是否影響橋梁所在河段綜合規(guī)劃、防洪規(guī)劃、治導(dǎo)線規(guī)劃和河道整治規(guī)劃的實(shí)施；②是否符合防洪防凌標(biāo)準(zhǔn)和有關(guān)技術(shù)管理要求；③是否妨礙河道泄洪能力；④是否對(duì)河勢(shì)穩(wěn)定、水流形態(tài)和沖淤變化產(chǎn)生影響；⑤是否對(duì)堤防、護(hù)岸和其他涉水工程及設(shè)施產(chǎn)生影響；⑥是否妨礙防汛搶險(xiǎn)；⑦是否符合建設(shè)項(xiàng)目抵御洪水的標(biāo)準(zhǔn)與措施；⑧是否影響第三人合法水事權(quán)益；⑨是否符合其他有關(guān)規(guī)定和協(xié)議商定的內(nèi)容；⑩橋梁工程本身在洪水影響下是否安全。為了提高防洪評(píng)價(jià)報(bào)告編制的質(zhì)量，本次針對(duì)上述十個(gè)方面內(nèi)容提出報(bào)告編寫(xiě)的一般內(nèi)容框架結(jié)構(gòu)，并總結(jié)了報(bào)告中常見(jiàn)的技術(shù)問(wèn)題[7,8]?？绾訕蛄悍篮樵u(píng)價(jià)報(bào)告編制結(jié)構(gòu)框架與常見(jiàn)問(wèn)題見(jiàn)表1。

表1 跨河橋梁防洪評(píng)價(jià)報(bào)告編制結(jié)構(gòu)框架與常見(jiàn)問(wèn)題歸納Tab.1 Institutional framework and common problems of flood control assessment report for bridges across rivers

續(xù)表1 跨河橋梁防洪評(píng)價(jià)報(bào)告編制結(jié)構(gòu)框架與常見(jiàn)問(wèn)題歸納

為了將以上內(nèi)容框架進(jìn)一步定性或者定量刻畫(huà)，本次從跨河橋梁防洪標(biāo)準(zhǔn)、水文成果、河勢(shì)演變、橋梁布置、壅水影響、橋梁安全、橋下沖刷、三者影響和補(bǔ)救措施等10方面提出重點(diǎn)評(píng)價(jià)內(nèi)容、評(píng)價(jià)指標(biāo)、評(píng)價(jià)要求、評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)依據(jù)[9]?？绾訕蛄悍篮樵u(píng)價(jià)的技術(shù)要點(diǎn)見(jiàn)表2。

表2 跨河橋梁防洪評(píng)價(jià)關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)Tab.2 Key technical points for flood control assessment of bridges across rivers

2 防洪評(píng)價(jià)計(jì)算實(shí)例研究

2.1 工程概況

某橋梁建設(shè)項(xiàng)目由北向南正交跨越洮河，北面橋臺(tái)通過(guò)引道與公路X420相連，南側(cè)橋臺(tái)與公路S306相接，橋梁全長(zhǎng)107.08 m，共5跨，橋梁整體采用“上部結(jié)構(gòu)5～20 m預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支小箱梁+下部結(jié)構(gòu)樁柱式墩臺(tái)”結(jié)構(gòu)形式。直接受洪水影響的橋墩為4座(橋墩編號(hào)1～4號(hào))，4座涉水橋墩跨徑均為20 m，墩型均為圓柱形橋墩，每一處橋墩由上下游兩個(gè)直徑為1.3 m橋墩組成。

地質(zhì)勘查的最大揭露深度30.20 m，根據(jù)鉆孔揭露，勘察場(chǎng)地勘探深度范圍內(nèi)地層自上而下依次為雜填土、卵石、砂巖。砂卵礫石的天然密度2.05 g/cm3，相對(duì)密度0.43，卵石含量73.9%，砂含量21.7%；中數(shù)粒徑d50=23.57 mm，平均粒徑20.10 mm；不均勻系數(shù)Cu=64.09，曲率系數(shù)Cc=7.04。工程所在河段平面布置見(jiàn)圖1。

橋位斷面兩側(cè)現(xiàn)狀無(wú)堤防工程以及其他引水渠、水文測(cè)驗(yàn)等設(shè)施。橋梁下游左岸300 m處規(guī)劃堤防工程防護(hù)等級(jí)為Ⅳ等，洪水標(biāo)準(zhǔn)為P=10%(重現(xiàn)期)，防洪工程級(jí)別5級(jí)，護(hù)堤采用貼坡式護(hù)岸；上游有一水電站樞紐，采用明渠引水發(fā)電，廠房位于橋位上游2.3 km。右岸上游20 m處有一處混凝土排水涵洞，底板高程2 371.48 m，該涵洞自南向北橫穿S306道，主要排泄S306道南側(cè)邊溝農(nóng)業(yè)灌溉排水。

圖1 橋梁平面布置圖Fig.1 Bridge floor plan

2.2 水文分析

按照《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB50201-2014)和《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015)規(guī)定[10]，本橋?yàn)橐患?jí)公路，橋梁級(jí)別為大橋，工程設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為百年一遇(重現(xiàn)期)。該橋梁設(shè)計(jì)斷面鄰近無(wú)水文站點(diǎn)，復(fù)核利用下式推求設(shè)計(jì)站洪水。

(1)

式中：Qm設(shè)、Qm參分別為設(shè)計(jì)站和參證站洪峰流量，m3/s；F設(shè)、F參分別為設(shè)計(jì)站和參證站集水面積，km2；n為指數(shù)，一般為2/3，變化范圍在0.5～0.8之間。

橋址上游2.3 km處水電站樞紐控制流域面積13 552 km2，由于橋址至水電站樞紐間未匯入較大支流，橋址斷面設(shè)計(jì)控制面積與電站一致采用F=13 552 km2。利用下游岷縣水文站作為參證站，利用長(zhǎng)系列年最大洪峰流量并考慮加入1904年特大洪水，推求橋址斷面百年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量1 917 m3/s，與上下游已批復(fù)水電站設(shè)計(jì)洪水資料比較接近。在橋址斷面上下游選用兩個(gè)水文勘驗(yàn)斷面，利用大斷面實(shí)測(cè)資料，率正河道糙率、河底比降、河床高程、河道斷面等參數(shù)，利用曼寧公式和能量方程計(jì)算確定百年一遇設(shè)計(jì)洪水位2 368.10 m。為進(jìn)一步驗(yàn)證水力計(jì)算成果的合理性，在橋址中心設(shè)計(jì)斷面上下游120 m處各選擇兩個(gè)驗(yàn)證斷面，通過(guò)能量方程法分析上下游斷面設(shè)計(jì)洪水位銜接與水面比降基本一致。

2.3 河道演變

根據(jù)橋位處河道1984-2014年的谷歌遙感地圖分析，河道近30年不存在明顯擺動(dòng)，橋梁跨越河段階地和灘地較發(fā)育，河道主流相對(duì)穩(wěn)定。根據(jù)相關(guān)研究[11]，洮河流域水沙關(guān)系具有同步性，流量與輸沙率的變化趨勢(shì)基本一致，河流泥沙主要來(lái)源于強(qiáng)降雨產(chǎn)生的水土流失。其次，洮河下游梯級(jí)電站開(kāi)發(fā)，特別是九甸峽水電站樞紐工程建成后，近10年攔截了大量泥沙，洮河下游輸沙量有減少趨勢(shì)。但本工程位于九甸峽樞紐上游，河道經(jīng)過(guò)洪水多次沖刷、淤積，仍然處于自然狀態(tài)，沖刷淤積基本趨向平衡，評(píng)價(jià)河段在今后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)也不會(huì)出現(xiàn)持續(xù)的淤積或沖刷，未來(lái)河勢(shì)將趨于穩(wěn)定。河床演變理論提出河道斷面形態(tài)和縱剖面與流量因素之間存在某種定量關(guān)系，采用《河床演變學(xué)》和《橋渡水文》中推薦的方法定量評(píng)價(jià)河道縱橫向穩(wěn)定性[12]，其成果見(jiàn)表3。

表3 橋址斷面河道縱橫向穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation results of vertical and horizontal stability of river channel section

通過(guò)分析可知河道縱向穩(wěn)定性較好，橫向穩(wěn)定性較差，河道變形以側(cè)蝕為主。建議在橋梁斷面上下游200 m范圍內(nèi)修建堤防工程，其治導(dǎo)線寬度下限不小于穩(wěn)定河寬，上限以歷史最大洪水淹沒(méi)外包線確定。

2.4 橋墩附近流場(chǎng)分析

本次橋墩附近流場(chǎng)結(jié)構(gòu)分析應(yīng)用大型有限元ANSYS ICEM CFD技術(shù)處理，建模時(shí)水流區(qū)域用長(zhǎng)方體模擬，橋墩用圓柱體模擬，涉水橋墩為1～4號(hào)橋墩，1號(hào)橋墩和4號(hào)橋墩布置于距離河岸4 m處，橋墩間距20 m，順?biāo)鞣较? m，橋墩直徑1.30 m，初始流速為斷面平均流速v0=4.46 m/s。建模時(shí)對(duì)橋墩周?chē)退w交界面附近網(wǎng)格進(jìn)行加密，以保證計(jì)算精度。物理模型和計(jì)算網(wǎng)格劃分如圖2。采用大渦理論對(duì)橋墩附近二維流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，得出了橋墩附近流場(chǎng)分布的特征和流速變化，模擬結(jié)果見(jiàn)圖3～圖5。

圖2 橋墩附近有限元網(wǎng)格剖分Fig.2 Finite element mesh near the pier

圖4 橋墩周?chē)魉俜植紙D Fig.4 Flow velocity distribution around the pier

建橋后由于橋墩壓縮河道，其斷面壓縮比約5.69 %，橋下平均流速增加為4.60 m/s。流向橋墩的水流受到墩身的影響，橋墩周?chē)乃鹘Y(jié)構(gòu)較自然情況發(fā)生變化明顯。一部分水流在橋墩正前方受阻后流速減到最小為0.26 m/s，另一部分繞墩流過(guò)，流速在橋墩兩側(cè)60°～70°范圍達(dá)到最大(6.05 m/s)。在橋墩后方，由于負(fù)壓的作用形成渦街，并一直延伸到橋墩后方一定距離。床面靜止的泥沙在墩前涌波和墩后漩渦共同作用下將產(chǎn)生隨機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，橋墩下游兩側(cè)漩渦匯集，從而形成沙脊。由于橋墩迎水面兩側(cè)附近繞流流速最大，“束水攻沙”的作用最強(qiáng)烈，當(dāng)此處流速達(dá)到泥沙起動(dòng)速度時(shí)，將導(dǎo)致橋墩局部產(chǎn)生沖刷[13,14]。

2.5 壅水計(jì)算與橋梁高程復(fù)核

橋梁修建后橋墩侵占自然河道，橋梁墩臺(tái)對(duì)過(guò)水面積存在一定的壓縮，天然水流的流態(tài)受到擠壓破壞，橋址處形成整體壅水。壅水高度不僅決定橋梁的高度，而且還會(huì)涉及兩岸堤防工程的高度及安全。根據(jù)橋墩大小，計(jì)算每處橋墩的阻水寬度為1.3 m，總阻水寬度為5.2 m。建橋前橋位處百年一遇的過(guò)水面積為429.7 m2，建橋后阻水面積為24.44 m2，斷面壓縮率為5.69%。本次計(jì)算百年一遇洪水條件下橋位處最大壅水高度為0.288 m，壅水長(zhǎng)度180 m。

洮河為不通航河流，不通航河段橋梁底部最低高程用下式確定：

Hmin=Hs+∑Δh+Δhj

(2)

式中：Hmin為按設(shè)計(jì)洪水位計(jì)算橋梁底部最低高程，m；Hs為設(shè)計(jì)洪水位，取2 368.10 m；∑Δh為考慮壅水、浪高等因素的總和，計(jì)算取0.29 m；Δhj為橋下凈空安全值，考慮床面淤積、漂浮物高度等影響，本次復(fù)核取1.50 m。

按設(shè)計(jì)洪水位計(jì)算橋梁底部最低高程2 370.178 m，橋梁設(shè)計(jì)下弦桿高程2 370.500 m(4號(hào)橋墩)，橋梁高程設(shè)計(jì)滿(mǎn)足行洪要求，且有0.322 m的富余高度。

表4 橋梁設(shè)計(jì)高程安全復(fù)核Tab.4 Bridge design elevation safety review

2.6 橋下沖刷計(jì)算

為了保證橋梁的安全和順利宣泄洪水，不但要有足夠的橋梁長(zhǎng)度和橋梁高度，還需要墩臺(tái)基礎(chǔ)有足夠的埋置深度，以避免橋梁受河水沖刷而產(chǎn)生安全問(wèn)題。橋梁墩臺(tái)沖刷，除河床自然演變沖刷外，還有橋孔壓縮水流和墩臺(tái)阻水所引起的沖刷變形。橋梁墩臺(tái)沖刷深度包括河床自然演變沖刷、一般沖刷和局部沖刷三部分。

考慮到河床演變是十分復(fù)雜的自然過(guò)程，且橋位河段河勢(shì)較穩(wěn)定，經(jīng)治理后橫向變形不大，河床變形多表現(xiàn)為單向切蝕，且速度相當(dāng)緩慢，流速沿程分布比較均勻，流態(tài)比較平穩(wěn)，橋位附近沒(méi)有出現(xiàn)集中沖刷地段。因此，河床自然演變沖刷可忽略不計(jì)。

一般沖刷按照《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGC30-2015)[15]推薦的“64-1”修正式和“64-2”簡(jiǎn)化式分別計(jì)算，以最不利因素考慮，選取較大值作為計(jì)算結(jié)果。百年一遇洪水條件下橋墩最大一般沖刷深度6.29 m，一般沖刷高程2 361.81 m，經(jīng)論證涉水橋墩樁基底底系梁高程埋置深度不夠，建議將底系梁埋設(shè)于一般沖刷線以下，以滿(mǎn)足沖刷要求。

局部沖刷根據(jù)《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGC30-2015)推薦的“65-1”修正式和“65-2”式分別計(jì)算，考慮橋位處河道土質(zhì)均為非黏性土，百年一遇洪水條件下，橋墩局部沖刷深度采用2.33 m。

確定基礎(chǔ)埋深時(shí)，取自然沖刷、一般沖刷和局部沖刷的最不利組合作為基礎(chǔ)埋深設(shè)計(jì)的依據(jù)，同時(shí)要考慮河道采砂導(dǎo)致河床大幅下降的不利影響。通過(guò)以上分析可得最不利沖刷組合下斷面總沖刷深度8.62 m(水面起算)，理論計(jì)算最低沖刷線高程2 359.48 m，考慮支墩基底埋深2.5 m安全深度，涉河橋墩理論計(jì)算樁基埋深安全沖止高程為2 356.98 m，橋墩樁基埋深滿(mǎn)足要求。

經(jīng)防洪評(píng)價(jià)論證和建議，設(shè)計(jì)單位從橋梁高程、橋墩底系梁高程、引道布置、橋墩基底埋深及橋梁上下游河段斷面防護(hù)等方面均做了優(yōu)化調(diào)整，達(dá)到了防洪評(píng)價(jià)的目的。橋梁防洪評(píng)價(jià)綜合斷面見(jiàn)圖6。

圖6 橋梁防洪評(píng)價(jià)綜合斷面圖(單位：m)Fig.6 Comprehensive section of bridge flood control assessment

2.7 對(duì)第三者影響分析

橋梁建成后最大壅水高度0.288 m，壅水長(zhǎng)度180.00 m，考慮到上游電站距離橋位斷面2.3 km，橋墩壅水對(duì)上游水電站尾水不會(huì)產(chǎn)生頂托作用，電站運(yùn)行不會(huì)受到影響。

遭遇百年一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)，橋址右岸上游20 m涵洞處洪水位2 368.74 m(考慮壅高)，小于涵洞底板高程2 371.48 m，故不會(huì)對(duì)排水涵洞產(chǎn)生影響。除該排水涵洞外，擬建橋位壅水范圍內(nèi)無(wú)其他水文測(cè)站、水資源監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)以及供水、灌溉等建筑物，不涉及對(duì)其他水工程安全運(yùn)行影響問(wèn)題。

復(fù)核橋址下游300 m左岸規(guī)劃護(hù)堤局部沖刷深度(從深泓線算起)為1.06 m，根據(jù)設(shè)計(jì)文件本段護(hù)堤基底高程按深泓線以下2.50 m埋置，護(hù)岸基底埋深滿(mǎn)足規(guī)范及安全要求。橋梁建設(shè)不會(huì)影響下游左岸堤防的規(guī)劃建設(shè)與工程安全。

3 結(jié) 語(yǔ)

防洪評(píng)價(jià)專(zhuān)題報(bào)告是項(xiàng)目立項(xiàng)審批時(shí)建設(shè)單位必須提供的材料之一，也是設(shè)計(jì)前期進(jìn)行項(xiàng)目方案論證、優(yōu)化、補(bǔ)救的重要環(huán)節(jié)，涉及河道河勢(shì)穩(wěn)定、行洪安全及橋梁安全運(yùn)行、工程投資等內(nèi)容，是保證河道防洪體系、涉水設(shè)施及橋梁安全運(yùn)行的關(guān)鍵。因此，防洪評(píng)價(jià)工作的地位舉足輕重。

近年來(lái)洪水災(zāi)害事件影響下，為保證涉水工程防洪安全，行業(yè)內(nèi)出現(xiàn)一味提高防洪標(biāo)準(zhǔn)的通病，造成工程規(guī)模和投資加大，未能通過(guò)防洪評(píng)價(jià)從工程方案自身優(yōu)化挖掘。其次，防洪評(píng)價(jià)工作往往滯后開(kāi)展，不能及時(shí)在可行性研究報(bào)告或初步設(shè)計(jì)階段提出優(yōu)化方案和補(bǔ)救措施，導(dǎo)致就項(xiàng)目審批而論證，未達(dá)到防洪評(píng)價(jià)專(zhuān)題報(bào)告的真正目的和意義。

利用本次提出的防洪評(píng)價(jià)技術(shù)要點(diǎn)，通過(guò)在洮河流域某橋梁防洪評(píng)價(jià)中進(jìn)行實(shí)例研究，在完善橋梁設(shè)計(jì)方案、施工導(dǎo)流和施工組織設(shè)計(jì)以及橋址所在河段邊坡加固等方面均起到了積極意義。本文所提出的結(jié)構(gòu)框架和技術(shù)要點(diǎn)具有一定的實(shí)用性，期望能為跨河橋梁工程防洪評(píng)價(jià)報(bào)告編制提供技術(shù)參考，也能為項(xiàng)目的科學(xué)決策提供支持。

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