李 亮

（塔里木河流域干流管理局,新疆 烏魯木齊 841000）

1 工程概況

新疆喀拉喀什河發(fā)源于喀喇昆侖山北坡開拉斯山,K54+500大橋地理位置起點(diǎn)坐標(biāo)東經(jīng)79°53'39.61'',北緯37°27'7.23'',終點(diǎn)坐標(biāo)東經(jīng)79°53'14.53'',北緯37°27'18.67'',橋長(zhǎng)787 m,橋梁設(shè)計(jì)汽車荷載采用一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè),結(jié)構(gòu)類型為26 m×30 m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁,橋面高程1292.91 m,設(shè)計(jì)洪水頻率標(biāo)準(zhǔn)100 年一遇。工程位于墨玉縣英也爾鄉(xiāng)玉依買庫(kù)勒境內(nèi),47 團(tuán)至國(guó)道580 線在K 23+556.5～24+343.5 段跨喀拉喀什河后經(jīng)玉龍喀什河特大橋及公路連接國(guó)道580 線,解決了隔河相望、車輛繞道通行的現(xiàn)狀,改善了兩河四岸三縣人民交通往來,打通了47 團(tuán)對(duì)外交通首要出口公路和干線公路,極大地促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展,可有效發(fā)揮47 團(tuán)應(yīng)急維穩(wěn)作用。

2 設(shè)計(jì)洪水

2.1 洪水位

非通航河流按設(shè)計(jì)洪水位計(jì)算橋面高程,按下式計(jì)算：

式中：Hmin為橋面最低高程,m；HS為設(shè)計(jì)洪水位,m；Δhj為橋下凈空安全值,m,查《橋位設(shè)計(jì)》附表 5-3-1 取橋下凈空安全值 0.5 m；Δh0為橋梁上部構(gòu)造建筑高度,m,包括橋面鋪裝高度,取Δh0=1.80 m；∑Δh為根據(jù)河流的具體情況,酌情考慮壅水,浪高、水拱、局部股流和雍高（水拱與局部股流雍高不能同時(shí)考慮二者取大者）河灣兩岸高差諸因素的總和,m。

得出 Hmin=HS+∑Δh+Δhj+Δh0=1288.97+1.5+0.50 +1.80=1293.71 m。因此,設(shè)計(jì)洪水位高程1288.97 m,設(shè)計(jì)橋面高程1293.71 m。

2.2 洪峰流量

天然河流的均衡狀態(tài)一般是在自然來水來沙過程中實(shí)現(xiàn),不同大小的流量均參與河道形態(tài)的塑造過程,相同條件下,流量越大則對(duì)河道形態(tài)的塑造能力越強(qiáng),但由于大洪水一般持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng),因此對(duì)某一時(shí)段平均意義上的均衡河道形態(tài)而言,起主導(dǎo)控制作用的是中等流量,即造床流量。造床流量一般可按50 年一遇天然設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算進(jìn)行河勢(shì)演變分析,對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)洪峰流量為773 m3/s。

2.3 穩(wěn)定河寬

河道或河槽的寬度是否造成河道水流不穩(wěn)定,從而造成河道再造床過程,與河道的穩(wěn)定河寬有密切的聯(lián)系。若河槽寬度過小,會(huì)造成水流坡陡流急,加大河道主流的不穩(wěn)定性,威脅兩岸的安全。反之,若河槽寬度太大,雖然對(duì)行洪有利,但是,由于河道過寬后,水流主流容易擺動(dòng),形成彎曲、分汊或漫灘、甚至游蕩性等不同河型,在不同洪水下,河型的轉(zhuǎn)化將對(duì)兩岸工程產(chǎn)生不確定的沖刷部位,給防沖帶來不利和不確定因素。因此,穩(wěn)定河寬是保證河道橫向穩(wěn)定、縱向穩(wěn)定的重要參數(shù)。穩(wěn)定河寬計(jì)算采用下述3個(gè)水流、河相基本方程聯(lián)解得式：

式中：B為穩(wěn)定河寬,m；U為平均流速,m/s；h為水深,m；η為糙率；J為能坡；K為參數(shù)；Q為造床流量,m3/s。

依據(jù)式（2）～式（5）,帶入計(jì)算得出該橋所在河段穩(wěn)定河寬成果,見表1。

表1 土體計(jì)算參數(shù)取值表

3 壅水分析計(jì)算

3.1 壅水分析方法

天然河道中水流呈自然流態(tài)方式,阻水建筑物喀拉喀什河（K54+500）大橋的修建,可能會(huì)改變河道原有斷面結(jié)構(gòu)形式,將對(duì)河道水流產(chǎn)生一定影響,甚至有可能改變天然河道的過洪通道及天然水流的流態(tài),因此,需對(duì)阻水建筑物建成后形成壅水高度進(jìn)行計(jì)算分析,并研究是否需要采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施。

工程斷面河道現(xiàn)狀行洪寬度約592 m、左岸灘地103 m、右岸灘地122 m。由于設(shè)計(jì)洪峰流量較大,該處主流行洪寬度較寬,單跨橋梁僅為30 m,因此,過水橋墩較多,再加之現(xiàn)狀河道河堤為土堤,河道土質(zhì)為粉細(xì)沙土、細(xì)沙土,抗沖能力弱,該段河道縱坡I=7.24‰,相對(duì)較陡,主流河槽較寬,水流易左右擺動(dòng),成游蕩性河道,部分河床淤積抬高,需進(jìn)行壅水分析。造成橋前水面壅高的原因有兩種情況：（1）多跨橋梁橋墩阻水,使水面寬縮窄,發(fā)生壅水現(xiàn)象,該種情況多采用《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG C30-2015）推薦的計(jì)算公式以及流速水頭法、簡(jiǎn)化公式法三種計(jì)算方法。（2）橋總跨度小于天然河床寬度時(shí)引起壅水,應(yīng)采用無坎寬頂堰公式進(jìn)行壅水分析計(jì)算。

本工程設(shè)計(jì)橋全長(zhǎng)787 m,河道現(xiàn)狀行洪寬度為592 m,橋總跨度遠(yuǎn)大于河道現(xiàn)狀行洪寬度,因此大橋壅水由上述第一種情況產(chǎn)生,采用《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGC 30-2015）推薦公式計(jì)算壅水高度和長(zhǎng)度。

3.2 壅水分析計(jì)算

3.2.1 最大壅水高度計(jì)算

方法1：根據(jù)《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGC 30-2015）計(jì)算公式,推算各橋前的最大壅水高度,其表達(dá)式為：

式中：ΔZ為建筑物前最大壅高,m；η為計(jì)算系數(shù),根據(jù)阻斷流量的不同取0.05～0.15；為建筑物布置后斷面平均流速,m/s。

式中：Qp為設(shè)計(jì)流量,m3/s； Wj為建筑物過水?dāng)嗝婷娣e,m2；為建筑物范圍內(nèi)天然情況下平均流速,m/s；為天然斷面平均流速,m/s。

經(jīng)計(jì)算,計(jì)算橋前最大壅高取值ΔZ為0.14 m。

方法2：采用簡(jiǎn)化公式進(jìn)行橋墩前最大壅水高度計(jì)算,其公式為：式中：Q為流量,m3/s；B為無橋墩時(shí)的截面寬度,m；b 為兩墩間的凈寬,m；hs為橋墩下游正常水深,m；ζ為過水?dāng)嗝媸湛s系數(shù),取ζ=0.85～0.95。

計(jì)算得,橋前最大壅高取值為0.09 m。

綜上,采用上述兩種計(jì)算方法分別進(jìn)行了橋前最大壅水高度計(jì)算,為安全起見,最大壅水高度取0.14 m。

3.2.2 壅水長(zhǎng)度計(jì)算

采用《公路橋位勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ 062-2002）推薦采用8.4.1-4公式計(jì)算：

式中：L中壅水長(zhǎng)度,m；ΔZ為長(zhǎng)橋前最大壅水高度,m；I為水面比降。

計(jì)算采用《防洪評(píng)價(jià)相關(guān)計(jì)算軟件包1.03》之雍水計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算分析,計(jì)算結(jié)果見表2。即壅水長(zhǎng)度39 m。

表2 最大雍水高度和雍水長(zhǎng)度計(jì)算成果表

3.3 壅水對(duì)上游河道防洪影響分析

設(shè)計(jì)洪水位高程1289.11 m,壅水高度0.14 m,設(shè)計(jì)橋面高程1292.91 m。壅高后設(shè)計(jì)洪水位1289.25 m,小于設(shè)計(jì)橋面高程3.66 m,壅水不影響設(shè)計(jì)橋面高程。由于壅水長(zhǎng)度為39 m,壅水高度0.14 m,橋前水面壅高度及壅水長(zhǎng)度均較小,因此,對(duì)上游河道防洪產(chǎn)生漫溢影響甚微。

4 沖刷分析計(jì)算

4.1 河道演變沖刷

河床演變是十分復(fù)雜的自然過程,由于目前尚無可靠的定量分析方法,只能根據(jù)調(diào)查,作出定性的評(píng)價(jià)。據(jù)調(diào)查分析,工程段河流,河床由土質(zhì)粉細(xì)沙、細(xì)沙組成,屬于易沖刷土質(zhì),總體趨勢(shì)是河床下切,但幅度不大。

4.2 局部沖刷

水流受到橋墩阻擋,淘刷橋墩周圍,形成局部沖刷。本次計(jì)算的河段主要有無河灘的黏性土河床和無河灘的非粘性土河床。采用《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGC 30-2015）中的式8.4.2-1與8.4.2-2式對(duì)河槽黏性土河床局部沖刷進(jìn)行計(jì)算。

式中：hp為橋墩局部沖刷深度,m；B1為橋墩計(jì)算寬度,m；Kζ為墩型系數(shù),本次計(jì)算取1.0；Bt為造床流量下的河槽寬度,m；IL為沖刷坑范圍內(nèi)黏性土液性指數(shù),取0.16～0.19；v為一般沖刷后墩前行近流速,m/s。

同時(shí),采用《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG C30-2015）式8.4.1-1與8.4.1-2式對(duì)非黏性土河床橋墩局部沖刷進(jìn)行計(jì)算。

當(dāng)v≤vo,

當(dāng)v＞vo時(shí),

式中：hp為橋墩局部沖刷坑深度,m；Kζ為墩形系數(shù),取1.0；B1為橋墩計(jì)算寬度,m ；d為河槽泥沙平均粒徑,mm；n2為指數(shù)；v為一般沖刷后墩前行近流速,m/s,V=Ed-（1/6）hp（2/3）；vo為河床泥沙啟動(dòng)流速,m/s；vo'為墩前泥沙起沖流速,m/s。有關(guān)參數(shù)代入式（10）～式（13）,計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 局部沖刷分析計(jì)算程序輸入數(shù)據(jù)表

4.3 一般沖刷

依據(jù)《和田河防洪規(guī)劃報(bào)告》中墨玉縣英也爾鄉(xiāng)防洪段（43+000～65+000）范圍計(jì)算成果,一般沖刷深度為1.66 m,局部沖刷深度為3.53 m,防洪堤基礎(chǔ)取5.50 m。計(jì)算方法采用《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的8.3.1-4式：

式中：hp為橋下河槽一般沖刷后最大水深,m；Ad為單寬流量集中系數(shù)，本次計(jì)算取1.8；Ad為單寬流量集中系數(shù)，本次計(jì)算取1.8；hcm為橋下河槽最大水深,m；hcq為橋下河槽平均水深,m；Bcj為河槽部分橋下過水凈寬,m,當(dāng)橋下河槽擴(kuò)寬至全橋時(shí),即為全橋橋孔過水凈寬；Q2為橋下河槽部通過的設(shè)計(jì)流量,m3/s,當(dāng)橋下河槽擴(kuò)寬至全橋時(shí),Q2=Qp；d為單寬流量集中系數(shù)；為橋墩水流側(cè)向壓縮系數(shù),與橋孔跨徑和流速有關(guān),按規(guī)范表7.3.1-1取值, =0.95；E為與汛期含沙量有關(guān)的系數(shù)；d為河槽泥沙平均粒徑,mm,根據(jù)該河床處的顆分曲線取d50粒徑值。

4.4 總沖刷

總沖刷深度采用《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的8.3.2-1式對(duì)河槽黏性土河床沖刷深度進(jìn)行計(jì)算。

式中：hp為橋下沖刷后的最大水深,m；A為單寬流量集中系數(shù),取1.0～1.2；為橋墩水流側(cè)向壓縮系數(shù),與橋孔跨徑和流速有關(guān),取 =0.95；Q2為河槽部分通過的設(shè)計(jì)流量,m3/s；IL為液限指數(shù)；Bcj為橋下河槽部分橋孔過水凈寬,m；hcm為河槽最大水深,m；hcq為河槽平均水深,m。

4.5 沖刷分析

河床局部沖刷、一般沖刷及總沖刷計(jì)算結(jié)果見表4。工程段河流未修建任何堤防,河道均為自然河溝狀態(tài)。河道河床均為粉細(xì)沙、細(xì)沙,允許不沖流速約為0.73 m/s,河床易于沖刷。在遇到設(shè)計(jì)洪水時(shí),橋下會(huì)產(chǎn)生沖刷坑,上溯到橋上游和下游一定距離,對(duì)河道兩岸的穩(wěn)定產(chǎn)生一定的影響,在橋梁上下游附近的河道河床將會(huì)下切,河道兩岸邊坡將會(huì)滑塌。但考慮到橋梁的防洪標(biāo)準(zhǔn)較高,這種大洪水的發(fā)生概率相對(duì)較低,所造成的河床影響的程度也較低。即使發(fā)生了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的大洪水,洪水發(fā)生后,所造成的沖刷坑也僅僅是分布于橋梁附近,不會(huì)改變整個(gè)河道的天然縱坡。在發(fā)生頻率較高的中小洪水時(shí),沖刷坑很快會(huì)被泥沙淤積填滿,恢復(fù)原河道的縱坡,因此不會(huì)對(duì)原河道河床造成永久影響。

表4 沖刷深度計(jì)算成果表

5 結(jié)論與建議

本文以喀拉喀什河興建大橋河道發(fā)生改造為例進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果表明兩岸將形成一定沖刷和淤積,但對(duì)河道行洪安全不構(gòu)成影響。在橋梁建成運(yùn)行階段,應(yīng)增設(shè)必要的監(jiān)測(cè)系統(tǒng),定期對(duì)大橋橋樁以及兩岸防洪工程沖刷進(jìn)行監(jiān)測(cè)工程建成后應(yīng)加強(qiáng)近岸河道及防護(hù)工程的監(jiān)測(cè),及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取有效措施。遇特殊水情年,應(yīng)加大監(jiān)測(cè)力度,采取相應(yīng)措施,以確保橋梁工程的正常使用。