郭 婭，張瑋清

(廣東源豐水務有限公司,廣東 河源 517000 )

“十三五”時期，是河源市全面脫貧奔康、建設幸福河源的攻堅階段。公路建設是基礎設施建設的重要組成部分，也是不斷夯實河源振興發(fā)展基礎的重要組成部分?，F(xiàn)有縣道X162線已無法滿足日益增長的交通需求，嚴重阻礙當?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展，省道S341線連平隆街至新河村段改建工程已迫在眉睫。作為省道S341線改建工程的重要涉水建設項目，科峰大橋的建設將帶動和促進一河兩岸(連平縣和新豐縣)的經(jīng)濟發(fā)展，也使得兩岸村民的交流往來更為便捷。

橋梁的建設改變了水流的形態(tài)，導致河床沖淤平衡遭到破壞，甚至影響河勢，而天然河流的屬性千差萬別，因此不同涉水項目對河勢的影響復雜多變；項目建成后，還可能對防汛搶險、日常水利管理等產(chǎn)生影響，因此，對建設項目進行防洪影響評價非常必要[1-2]。橋梁防洪影響計算主要包括壅水分析、沖刷分析等，經(jīng)驗公式、數(shù)值模擬是主要的評價手段[2-3]。經(jīng)驗公式的計算結(jié)果受參數(shù)選取的影響較大，而數(shù)值模擬通過模型的率定與驗證，可使計算結(jié)果與實際情況更加接近，應用較廣[4-5]。本文基于Mike11、Mike21分別建立一維、二維水動力模型，根據(jù)不同頻率的設計洪水設立不同工況，評價科峰大橋的防洪影響，為項目建設提供依據(jù)。

1 工程概況

擬建的科峰大橋位于廣東省河源市連平縣田源鎮(zhèn)境內(nèi)，是新編省道S341線連平隆街至新河村段改建工程的重要內(nèi)容。大橋橫跨新豐江干流，是連平縣至新豐縣的重要公路橋梁。新豐江發(fā)源于新豐縣玉田點兵，于河源市區(qū)旁匯入東江，主要支流有船塘河、連平河、大席河等，流域水系及工程位置見圖1。

圖1 橋址及水系示意

科峰大橋中心樁號為K11+893，跨徑7 m×30 m，共有6組橋墩、2組橋臺，橋墩位置及埋深見圖2。橋梁全寬為12 m，凈寬9 m，上部構(gòu)造采用預應力小箱梁，下部構(gòu)造采用U型臺、柱式墩、樁基礎，橋墩方向與水流方向平行；本橋平面分別位于緩和曲線(起始樁號:K11+785，終止樁號:K11+816)、直線(起始樁號:K11+816，終止號:K11+991)、緩和曲線(起始樁號:K11+991，終止樁號:K12+001)上，位于緩和曲線上的橋梁按彎橋設計。

科峰大橋上游約2 km處建有和鋒橋電站，科峰大橋下游約70 km處建有新灌溉豐江水庫。新豐江水庫是一座以防洪、供水、灌溉為主，兼顧發(fā)電、航運等綜合利用的樞紐工程，在進行工程影響評價時，應充分考慮新豐江水庫防洪任務與調(diào)度原則?？品宕髽驑蛑泛佣胃浇鼰o已建堤防，規(guī)劃防洪標準為20年一遇。橋梁所處位置相對比較特殊，第一是位于彎道起始河段；第二是該河段上游有較廣的河灘地，下游是典型的峽谷地貌；第三是在橋址處的河道右岸地形特殊，河道右岸存在山丘，在遭遇低標準洪水時不能過流，但遭遇高標準洪水時能過流。

圖2 橋墩位置及埋深示意

2 研究方法

DHI software是從事河道、海洋水流、泥沙轉(zhuǎn)輸以及水質(zhì)計算的軟件。軟件應用范圍包括一、二、三維水流、供排水、洪水、暴雨徑流、海洋泥沙等方面的計算，已得到了廣泛的應用[8-12]。本文基于Mike11的水動力模塊構(gòu)建河段模型，以分析河段洪水影響；基于Mike21的水動力模塊構(gòu)建工程局部模型，以分析工程局部河段的流場變化情況。

Mike11水動力模型的基本原理是基于垂向積分的物質(zhì)和動量守恒方程，即一維非恒定流圣維南方程組來模擬河流或河口的水流狀態(tài)，采用Abbott-Ionescu六點隱式差分格式求解；Mike21水動力模型的基本原理是淺水方程，采用ADI法離散求解。模型的詳細原理可參考相關文獻[6-7]，本文不再贅述。

2.1 一維模型構(gòu)建

一維模型模擬河道起點為工程下游約600 m，終點為工程上游約600 m，全長1 200 m。為了較好反映河道走勢及斷面變化，本次模擬布置XFJ0+000、XFJ0+350、XFJ0+500、XFJ0+550、XFJ0+600(橋址)、XFJ0+700、XFJ0+800、XFJ1+000、XFJ1+100、XFJ1+200共10個斷面，各斷面里程分別對應0 m、350 m、500 m、550 m、600 m、700 m、800 m、1 000 m、1 100 m、1 200 m，受實測地形資料限制，其中XFJ0+550、XFJ0+700斷面通過上下游內(nèi)插得到，XFJ1+100、XFJ1+200斷面通過該河段平均比降延伸得到。模型計算范圍及斷面設置情況(見圖3)。

圖3 一維模型模擬范圍及計算斷面布置示意

模型中，將橋墩作為地形邊界進行處理。模擬河段的河道斷面較為整齊，主河槽面以沙及部分孤石組成，河道彎曲，灘地為土沙質(zhì)，由于缺乏實測資料，本文結(jié)合《水力學》中的天然河道糙率表及流域內(nèi)岳城水文站實測水位流量反推得到的河道糙率，綜合確定模型的糙率取值為0.033。

2.2 二維模型構(gòu)建

二維模型的計算范圍為工程上、下游共約1 km，模型采用貼體自適應網(wǎng)格對計算水域進行離散，橋位處網(wǎng)格較密，最小面積為2 m2，最大尺寸為40 m2，共剖分網(wǎng)格30 012個，模型的模擬范圍及網(wǎng)格剖分見圖4。對于橋墩概化處理，由于計算工況下，橋墩承臺位于水中，從偏安全角度考慮，將橋墩以承臺的尺寸在平面地形進行封堵布置。

圖4 二維模型模擬范圍及網(wǎng)格剖分示意

網(wǎng)格剖分后，將外業(yè)實測的高程數(shù)據(jù)導入Mike 21中進行網(wǎng)格插值，得到模擬范圍內(nèi)的高程。根據(jù)研究區(qū)的實際情況，糙率n取值為0.033。

2.3 模型邊界條件

一維模型的上游邊界為流量邊界，下游邊界為水位邊界。二維模型的流量、水位邊界從一維模型的成果中提取。

上游流量根據(jù)科峰大橋斷面設計洪水結(jié)果確定，以新豐江流域內(nèi)的岳城水文站作為參證站，用水文比擬法確定科峰大橋斷面的設計洪峰流量。岳城站有1960—2018年共59 a的實測年最大洪峰流量系列；歷史洪水中有調(diào)查考證資料的年份是1947年，重現(xiàn)期為66 a，洪峰流量為1 620 m3/s。將系列資料經(jīng)過排頻分析計算，并經(jīng)P-Ⅲ型曲線配線后，確定岳城站設計洪水。根據(jù)1:10 000航測地形圖量算以及相關資料統(tǒng)計，科峰大橋橋址以上流域集雨面積為1 627 km2，岳城站集雨面積為531 km2，根據(jù)式(1)推求科峰大橋斷面的設計洪峰。由于科峰大橋橋址以上集雨面積與岳城站集雨面積相差較大，因此進一步采用新豐江上游順天水文站(集雨面積1 357 km2)復核所求設計洪水。最終計算橋址處100年一遇設計洪峰流量為3 501.95 m3/s，50年一遇洪峰流量為3 043.65 m3/s，20年一遇設計洪峰流量為2 438.49 m3/s。

(1)

式中:

Q設——橋址河段設計洪峰流量；

Q參——參證資料(本次計算選取參證站為岳城水文站)的洪峰流量；

F設——橋址控制斷面以上流域集雨面積，1 627 km2；

F參——參證站的控制集雨面積，531 km2；

n——面積比指數(shù)，依據(jù)《工程水文及水利計算》(成都科技大學、華東水利學院、武漢水利電力學院合編)，小流域n一般為2/3，出于防洪安全考慮本次取n=0.67。

下游水位由曼寧公式計算得到，見式(2)。由圖3可知，模型下游河段斷面為樁號XFJ0+000，該斷面河底高程為99～103 m，河床糙率為0.034，河道比降為0.013 6。因該河段屬于新豐江水庫回水影響末端，需考慮新豐江水庫的防洪調(diào)度原則，結(jié)合在相應洪水頻率下新豐江水庫的洪水，最終確定斷面水位。由此計算得到20年、50年、100年一遇設計洪水對應的下游斷面河道水位分別為118.044 m、118.944 m、119.544 m。

(2)

式中:

k——轉(zhuǎn)換常數(shù)，國際單位制中值為1；

n——曼寧系數(shù)；

Rh——水力半徑；

S——河道坡度。

3 結(jié)果分析

根據(jù)科峰大橋是否建成分為工程前、工程后，結(jié)合不同頻率的洪峰流量及下游水位設置6種工況，6種工況邊界及大橋建立情況見表1，使用一維、二維模型對各個工況分別進行模擬計算。

表1 不同工況基本情況

3.1 壅水分析

橋梁的建設改變了局部流場的水流流態(tài)，行洪斷面的有效過水面積減少，橋前形成壅水。壅水高度及壅水長度不但影響橋梁的設計，還涉及到兩岸的防洪安全。本文依據(jù)一維水流數(shù)學模型的水位成果，分別分析20年一遇(工況1和工況2)、50年一遇(工況3和工況4)、100年一遇(工況5和工況6)的水位(見表2)，工程前后河段平均水力坡度對比見表3。

由表2可知，在20年一遇洪水條件下，科峰大橋產(chǎn)生的壅水高度為0.002 m，壅水長度小于400 m；在50年一遇洪水條件下，工程河段的最大壅水高度為0.004 m，壅水長度位于400～500 m之間；在100年一遇洪水條件下，工程河段的最大壅水高度為 0.009 m，壅水長度位于500～600 m之間；科峰大橋的壅水作用較小。

表2 遭遇不同頻率洪水建橋前后沿程水位 m

表3 工程前后河段平均水力坡度

由表3可知，在遭遇20年一遇洪水時，工程前后河段平均水力坡度分別為0.258‰、0.259‰；在遭遇50年一遇洪水時，工程前后河段平均水力坡度分別為0.336‰、0.337‰；遭遇100年一遇洪水時，工程前后河段平均水力坡度分別為0.392‰、0.393‰。綜合分析，該河段的水力坡度較小，工程前后河段平均水力坡度變化較小，驗證了該河段仍受新豐江水庫回水影響；工程區(qū)域?qū)儆谏角皼_擊漫流河段與下游收縮河段的過渡區(qū)域，據(jù)分析在遭遇全流域100年一遇洪水時，水流受地形影響較大，因此科峰大橋在遭遇100年一遇洪水時產(chǎn)生的壅水作用最為明顯，水力坡度較大。

3.2 流場分析

流場直接影響河流的平面形勢及發(fā)展趨勢，本文根據(jù)二維模型的結(jié)果分析流場變化。由于二維計算結(jié)果數(shù)據(jù)較多，為了便于分析，在大橋工程上、下游以及橋下橋墩之間布置了采樣點1#～5#、7#～12#、B1#～B8#，其中1#～5#屬于橋址上游采樣點，7#～12#屬于橋址下游采樣點；B2#～B4#屬于與橋墩間的采樣點，B1#、B5#屬于橋墩與岸坡之間的采樣點，B6#、B7#、B8#、B9#屬于橋址上下游岸坡附近采樣點，各采樣點具體分布情況見圖 5。各頻率下工程前后流場圖見圖6～圖11，各采樣點在各頻率的洪水條件下工程前后的流速和流向的變化(工程建設后與建設前的差值)見圖12～圖14。

由圖表可見，橋址上、下游河段的采樣點(1#～5#、7#～12#)工程前、后數(shù)據(jù)變化特征如下：橋址上游河段采樣點(1#～5#)工程后的流速整體小于工程前的流速，橋址下游河段采樣點(7#～12#)工程后的流速整體大于工程前的流速。

圖6 20年一遇工程前流場示意

圖7 20年一遇工程后流場示意

圖8 50年一遇工程前流場示意

圖9 50年一遇工程后流場示意

圖10 100年一遇工程前流場示意

圖11 100年一遇工程后流場示意

圖12 工程前后流速、流向變化示意(P=5%)

圖13 工程前后流速、流向變化示意(P=2%)

圖14 工程前后流速、流向變化對比示意(P=1%)

初步分析，橋梁建設后對上游河段產(chǎn)生一定的壅水影響，使得上游河段洪水流速減??；橋墩的建設縮窄了工程斷面的行洪面積，使得工程斷面和下游河段的流速增大，其變化趨勢符合一般規(guī)律。橋址上游、下游河段的水流流速和流向受工程建設產(chǎn)生了一定的變化，流速變化幅度為-0.299～0.264 m/s，流向變化幅度為-0.038～0.015 rad，工程前后總體變化幅度較小，對整體河勢影響整體較小。

根據(jù)橋下采樣點(B1#～B9#)的數(shù)據(jù)成果，工程斷面(橋址斷面)的局部流場變化趨勢同樣存在差異。位于主要行洪區(qū)的B1#、B2#、B3#、B4#、B6#和B7#采樣點流速和流向變化趨勢相同，工程后流速總體呈增大趨勢，流向呈減小趨勢(即水流總體呈向左岸偏移)，初步分析，流速變化符合上述結(jié)論，工程左岸為河流彎曲的凹岸，屬于受主流沖刷河岸，其變化規(guī)律符合河道特性，位于主要行洪區(qū)的采樣點的流速工程前后變化幅度為-0.090～0.426 m/s，流向變化幅度為-0.286～0.041 rad，總體變化幅度較??；工程斷面處位于河道右岸的B5#、B8#和B9#采樣點流速和流向變化趨勢與主流變化趨勢不同，流速變化幅度為-0.238～0.247 m/s，流向變化幅度為-2.239～0.131 rad，流速變化整體依舊偏小，但流向變化幅度較大，根據(jù)流場圖初步分析，河流右岸屬凸岸，在20年一遇洪水條件下，凸岸完全阻擋了水流，使得水流偏向主河槽，但在50年一遇和100年一遇洪水條件下，該河岸采樣點的右側(cè)形成了新的局部水流，使得該采樣點所處區(qū)域形成了江心洲地形，局部流場發(fā)生了變化，導致了該部分采樣點變化與主流變化規(guī)律不一致。

4 結(jié)語

1) 根據(jù)MIKE一維計算成果，科峰大橋遭遇百年一遇洪水時的最大壅水高度約為0.009 m，最大壅水影響范圍約為600 m?？品宕髽虻慕ㄔO會存在一定的壅水影響，但因受下游新豐江水庫回水影響，科峰大橋的壅水影響較小，對河道行洪影響較小。

2) 綜上所述，工程河段的流態(tài)總體變化相對穩(wěn)定、變化幅度較小且相對規(guī)律，工程建設對河勢整體影響較小，對河道行洪的影響較小；橋墩與岸坡處的局部流場流速變化不大，其主要影響體現(xiàn)在流向的改變，工程后河段主要行洪區(qū)的水流流向偏向河道左岸，會一定程度的增大河流左岸岸坡沖刷，右岸局部流場則受水位影響較大，因此科峰大橋設計增加了岸坡防護和橋墩防沖等相應內(nèi)容，減小了因橋梁建設產(chǎn)生的岸坡、河道沖刷影響。