王俊芳，石小蓁，王 琰

（1.浙江中水工程技術(shù)有限公司，杭州 310000；2.山東浩華建設(shè)集團(tuán)有限公司，山東 青島 266205；3.青島瑞泰創(chuàng)展工程檢測有限公司，山東 青島 266111）

1 研究背景

鐵路是國民經(jīng)濟(jì)的動脈，確保汛期鐵路運輸安全暢通，直接關(guān)系到經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展。鐵路橋梁工程建設(shè)對河道堤防安全、河勢穩(wěn)定、輸水安全、通航及渠道治理規(guī)劃等產(chǎn)生一定影響。根據(jù)《中華人民共和國防洪法》、《中華人民共和國河道管理務(wù)例》和國家計委、水利部《河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項目管理的有關(guān)規(guī)定》等法規(guī)，對河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項目應(yīng)進(jìn)行防洪評價。經(jīng)過不懈努力，尤其是建國以來的防洪建設(shè)，鐵路已基本形成了較為完整的防洪工程體系。然而經(jīng)濟(jì)社會的飛速發(fā)展，對防洪體系的要求則越來越高。因此對鐵路防洪體系效果進(jìn)行評價則顯得尤為重要。趙繼華［1］對北京鐵路局不同時期的防洪體系效果進(jìn)行評價，制定各評價指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)，最后得出各時期防洪體系效果評價的等級。王茂龍［2］以甘泉鐵路為例，闡述洪災(zāi)系統(tǒng)及其風(fēng)險、鐵路防洪體系，并根據(jù)甘泉鐵路現(xiàn)狀，采用頻率統(tǒng)計法、聚類分析法、經(jīng)驗判斷法和專家評價法等方法選取了22個指標(biāo)作為甘泉鐵路的評價體系指標(biāo)。胡余忠［3］介紹了合肥至武漢鐵路跨越淠河總干渠特大橋基本情況，就橋梁建設(shè)對河道輸水能力的影響作了分析評價，結(jié)果表明，鐵路建設(shè)對河道輸水能力影響較大，建議采取相應(yīng)的補償措施。

MIKE 21是一個專業(yè)的工程軟件包，用于模擬河流、湖泊、河口、海灣、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及環(huán)境。MIKE 21為工程應(yīng)用、海岸管理及規(guī)劃提供了完備、有效的設(shè)計環(huán)境。竇海英［4］防洪評價中不同的評價模型進(jìn)行了對比研究，結(jié)果表明相對于其他模型MIKE模型具有更高的精度。MIKE模型在橋梁防洪評價中得到了廣泛運用，也驗證了該方法的準(zhǔn)確性［5-8］。本文基于MIKE模型對杭州至富陽城際鐵路工程全宋家塘段鐵路進(jìn)行防洪評價，并給出評價結(jié)果和防洪建議，為類似工程提供了參照。

2 M IKE模型計算理論

本文采用二維水動力模型進(jìn)行防洪評價計算，該控制方程包括一個連續(xù)方程和兩個動量方程［9］。二維水流連續(xù)方程如下：

x向的動量方程為：

y向的動量方程為：

式中 z為水位；p、q為x、y方向單寬流量；h為水深；s為源、匯項；six、siy分別為源、匯項在x、y方向的分量；c為謝才阻力系數(shù)；Ωp為科氏力；E為紊動擴(kuò)散系數(shù)。

若不考慮源、匯項及科氏力項，并除以水深h，則可得相應(yīng)的基本方程組如下：

式中 u、v為x、y方向垂線平均流速。

模型求解采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中心網(wǎng)格有限體積法求解，其優(yōu)點為計算速度加快，非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格可以擬合復(fù)雜地形。對計算區(qū)域內(nèi)灘地干濕過程，采用水位判別法處理，即當(dāng)某點水深小于淺水深時，令該處流速為0，灘地干出；當(dāng)某點水深大于淺水深時，參與計算，灘水上灘。

3 實際工程防洪評價

3.1 工程概況

杭州至富陽城際鐵路工程全線設(shè)置宋家塘車輛基地一座，車輛段位于宋家塘村與高壓走廊所夾陰凍山區(qū)域，320國道及北渠以北、規(guī)劃九龍二環(huán)路以南的地塊內(nèi)，屬富陽區(qū)銀湖街道范圍。

宋家塘段通段道路特大橋為宋家塘車輛段車輛基地連接國道G320的物資運輸專用通道，橋梁跨越北渠，橋梁全長419m，位于樁號T1DK0+066.5～T1DK0+485.5，橋跨布置采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁4×35m+4×30m+4×35m，橋面寬度9m，0號橋臺采用重力式橋臺、12號橋臺采用肋板式橋臺，其余橋墩采用雙柱墩，墩徑1.5m。墩臺均采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

表1 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

3.2 設(shè)計洪水

項目區(qū)附近有千家村和富陽兩個雨量站，其中千家村站位于車輛段西北部、新橋江上游右岸區(qū)域，距離項目區(qū)較近，有1961年以來的雨量觀測資料；根據(jù)千家村雨量站1961—2015年共55年最大10min，1，3，6，24h暴雨量統(tǒng)計成果進(jìn)行頻率計算分析，并采用P-Ⅲ曲線適線擬合各短歷時設(shè)計暴雨。設(shè)計洪水采用浙江省推理公式法計算；北渠無實測流量資料，采用暴雨資料間接推求洪水［10］。項目區(qū)位置北渠上游的主要支流包括坑西溪、新義溪，下游主要有受降溪，所在段年設(shè)計洪水計算成果如表2。

表2 年最大設(shè)計洪水計算成果

北渠作為撇洪渠道承擔(dān)高水高排任務(wù)，北渠右堤保護(hù)對象為皇天畈流域富陽城區(qū)，根據(jù)GB50201—2014《防洪標(biāo)準(zhǔn)》、GB50805—2012《城市防洪工程設(shè)計規(guī)范》和《富陽市皇天畈水系綜合規(guī)劃》等有關(guān)規(guī)劃，富陽主城區(qū)防山洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，即北渠非回水段右堤的防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇。

綜合考慮與富陽區(qū)城市防洪排澇工程標(biāo)準(zhǔn)的匹配性，防洪影響的評價標(biāo)準(zhǔn)與河道設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)一致，即對北渠右岸堤防的影響采用20年一遇，對北渠河道及河灣的影響采用梅雨期5年一遇?？紤]到本文主要研究新建橋梁建筑物對河道防洪效果的影響，因此在防洪評價分析中采用河道的20年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校核。

3.3 局部二維水力計算

為分析工程建設(shè)前后橋墩對河道流場的影響變化，采用丹麥DHI研發(fā)的MIKE 21 FlowModel軟件（HD模塊）進(jìn)行二維水動力模型計算。本次二維計算主要針對橋梁上下游北渠河道，計算范圍為北渠受降閘上游至通道道路橋上游約800m的河道，網(wǎng)格布設(shè)考慮了水流、地形的差異，并作了加密，工程位置附近河段的概化地形見圖。

圖1 工程建設(shè)前后地形

根據(jù)二維計算，橋位處北渠現(xiàn)狀20年一遇水位為17.88m，工程建成后該段河道20年一遇水位為17.88～17.93m。當(dāng)遭遇20年一遇洪水時，由于新建橋墩阻水，橋墩上游局部位置水位有壅高，最大壅高幅度為0.05m，由于出入段線橋與通段道路橋橋位之間距離很小，橋墩壅水影響相互疊加，最大壅高位置發(fā)生在上游通段道路橋的橋墩上游側(cè)。橋墩壅水影響向上游逐漸減小，橋墩上游1m范圍內(nèi)水位最大壅高0.05m，至橋墩上游側(cè)10m處，壅水幅度減小至0.01m，橋墩壅水影響范圍至橋墩上游側(cè)約500m。

圖2 工程建設(shè)前后20年一遇洪水位等值線圖

受橋墩阻水影響，橋位處河道流場和流速都會有所變化，明顯變化就是橋墩處水流出現(xiàn)繞流，橋墩上游側(cè)流速減緩，橋墩之間流速增加［11］。根據(jù)二維計算，遭遇20年一遇洪水時，橋位處河道流速約0.55～1.03m/s，橋梁建成后，橋墩之間河道流速增加，約為0.63～1.10m/s，最大流速增幅約0.15m/s；遭遇梅雨期5年一遇洪水時，橋位處河道流速約0.33～1.02m/s，橋梁建成后，橋墩之間河道流速增加，約為0.38～1.24m/s，最大流速增幅約0.24m/s。

圖3 工程建設(shè)前后20年一遇流速等值線圖

根據(jù)橋位處河床地質(zhì)條件，斷面流速，分析橋墩局部沖刷。據(jù)《浙江省涉河橋梁水利技術(shù)規(guī)定（試行）》，沖刷坑的橫向?qū)挾纫话銥闃蚨罩睆降?~5倍，單側(cè)約2倍，根據(jù)墩臺設(shè)計，出入段線特大橋7#橋墩距離北渠右岸堤防堤腳只有0.7m，通段道路特大橋9#橋墩距離北渠右岸堤防堤腳只有1.2m，堤防在近岸橋墩沖刷坑范圍內(nèi)。橋墩局部沖刷會影響到堤防，通段道路橋橋位處堤腳最大沖刷為0.62m。

4 綜合影響評價

4.1 河道行洪影響評價

通段道路橋的橋墩阻水面積為22.4m2，河道行洪會受到一定影響。經(jīng)防洪水利計算，橋位處遭遇20年一遇洪水時，最大壅高為0.05m，工程建成后該段河道20年一遇水位為17.88～17.93m，橋梁造成壅水較小，壅高后水位在右岸堤頂高程以下，工程建設(shè)影響在河道兩岸防洪能力可承受范圍之內(nèi)，對行洪安全影響很小。

4.2 對河勢穩(wěn)定的影響分析

通段道路特大橋占用北渠河道，橋墩布置基本順?biāo)鞣较?，橋梁建設(shè)后由于橋墩的局部阻水，在橋墩附近將產(chǎn)生水位和流速及河床沖淤變化，但是影響僅限于局部，不會對河勢穩(wěn)定產(chǎn)生影響，更不會改變此河段整體河勢。

通段道路橋橋位處右岸堤腳最大沖刷為0.62m，而現(xiàn)狀堤防堤腳的埋深為1.15m，橋位處沖刷不會影響堤防穩(wěn)定。

4.3 對現(xiàn)有水利工程的影響分析

工程建設(shè)對現(xiàn)狀河道及其他水利工程的影響主要是對橋位處堤防的影響。根據(jù)橋梁設(shè)計方案，出入段線橋7#橋墩的承臺與擋墻沖突，橋梁施工會對堤防下部擋墻造成破壞，要求降低承臺高程，同時橋梁施工時應(yīng)注意對防洪堤的保護(hù)，確保防洪堤堤身安全，及時修復(fù)破壞的堤防。

涉堤工程開工前要向當(dāng)?shù)厮姓鞴懿块T申報，經(jīng)批準(zhǔn)后方能開工，汛期來臨前要做好度汛措施，并報當(dāng)?shù)胤姥粗笓]部門批準(zhǔn)。由于通段道路特大橋梁底與現(xiàn)狀堤頂凈空只有0.72m，堤頂加高后的堤頂凈空只有0.41m，不利于后期堤防管理維護(hù)，建議優(yōu)化橋梁方案，抬高梁底高程。

5 結(jié)論

本文利用MIKE模型對宋家塘段大橋進(jìn)行防洪評價，給出了相關(guān)評價過程和評價結(jié)果。為類似工程提供了參考，主要結(jié)論如下：

（1）MIKE模型可以根據(jù)不同水文條件對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行防洪評價，可用于校核不同的設(shè)計方案對防洪影響。

（2）通過計算分析，杭州至富陽城際鐵路宋家塘段通段道路特大橋建成后，當(dāng)遭遇20年一遇洪水時，工程上游水位壅水高度0.05m，橋墩布置順?biāo)鞣较?，橋梁建設(shè)后由于橋墩局部阻水，對附近局部水位和水流以及河床沖淤產(chǎn)生變化，但影響限于局部，整個工程建設(shè)對行洪及河勢穩(wěn)定影響較小，不會影響流域的整體防洪規(guī)劃。

（3）根據(jù)《浙江省涉河橋梁水利技術(shù)規(guī)定》，“主槽處承臺頂高程宜在平均低潮（水）位以下，邊灘的承臺頂高程宜在灘面以下”，可通過降低橋墩的承臺頂高程，以減少試車線大橋占用水域面積。為保證右岸堤防滿足抗沖刷要求，可在通段道路橋墩上游至出入段線特大橋橋墩下游內(nèi)設(shè)混凝土護(hù)腳，并設(shè)砼護(hù)坡。