秦 麗, 胡凱旋

(1.安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,安徽 合肥 231603;2.安徽省交通勘察設(shè)計院有限公司,安徽 合肥 230011)

跨河橋梁建設(shè)一般需要在河道管理范圍內(nèi)設(shè)置橋墩,這會改變河道水流的形態(tài),影響局部沖淤平衡,對河道的行洪能力將產(chǎn)生一定的影響,甚至對后期水利工程管理和防汛搶險都有著較大影響。因此,為了保證河道滿足一定行洪標準,保障水利工程安全,對跨河橋梁進行防洪評價是十分有必要的。

1 工程概況

擬建新汴河特大橋工程位于宿州市埇橋區(qū)劉廟村村北,地處新汴河河道順直,兩岸堤防距約600 m,主河槽寬約130 m,河底最小高程約為17.5 m。河道灘地較寬,兩岸灘地寬度約200 m,高程范圍24.10 m～25.0 m之間。堤后為農(nóng)田和村莊,地面高程約為24.0 m。

本次評價分析范圍橫向為新汴河左堤背水側(cè)堤腳外20 m至右堤背水側(cè)堤腳外20 m,縱向為上游6.0 km到下游6.0 km。該橋橋梁全長1 064.4 m,橋梁按兩幅橋設(shè)計,單幅橋?qū)?2.7 m。本橋9號～12號墩、14號～17號墩、19號～22號墩上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土懸澆變截面連續(xù)箱梁,其他位置采用先簡支后連續(xù)小箱梁;下部結(jié)構(gòu)橋臺采用肋板臺,橋墩采用片墩、柱式墩,墩臺均采用樁基礎(chǔ)。河道管理范圍內(nèi)主要為8號～19號橋墩,共12個橋墩,其中9號～18號布置在兩堤之間,8號、19號布置在堤防背水側(cè)護堤地范圍內(nèi)。

2 水文分析計算

新汴河設(shè)有宿縣水文站、團結(jié)閘水文站,均為觀測新汴河流量和水位,觀測系列年為1969年至今。另外在唐河地下涵處設(shè)有水文站,觀測唐河水位和流量及新汴河水位,觀測系列年為1972年至今;在新汴河干流上游支流沱河上設(shè)有徐樓閘水文站,1970年開始觀測沱河上段水位和流量,支流肖濉新河上設(shè)有符離集水文站,1973年開始觀測肖濉新河水位和流量。 新汴河流域及周邊雨量站點較多,在設(shè)計暴雨計算中,新汴河流域采用了37個雨量站資料,唐河采用了5個雨量站資料。

2.1 設(shè)計水位

淮北地區(qū)除澇水文設(shè)計流量計算一般以利用設(shè)計暴雨通過產(chǎn)、匯流推算的間接法計算為主。隨著觀測資料的逐年增加、暴雨統(tǒng)計參數(shù)、降雨徑流關(guān)系的變化和面上河道開挖后匯流條件的改變等原因,具體參數(shù)雖經(jīng)過了幾次變動,但計算方法一直未變。為了恢復(fù)新汴河排洪排澇能力,使新汴河達到設(shè)計的防洪20年一遇,排澇5年一遇標準,對新汴河河道進行疏浚,疏浚后河道主要節(jié)點七嶺子、濉河引河口、宿縣閘等排澇水位維持原設(shè)計不變。相應(yīng)的河道設(shè)計流量及設(shè)計水位如表1所列。

2.2 工程處設(shè)計流量及水位

擬建工程上距京滬鐵路橋約9.0 km,下距蘆灣約5.7 km。兩岸為新汴河大堤,河段防洪標準為20年一遇,除澇標準為5年一遇,最終確定工程處水位及流量如表2所列:

表2 工程處除澇、設(shè)計防洪水位及流量表

3 壅水和行洪能力分析計算

建橋后,由于橋墩占用過水斷面面積,水流流線在墩體的上游形成收縮,下游形成擴散,加上墩體本身的阻力等因素,河道水流受橋墩的阻礙作用,橋下過水斷面減少,使河流的局部阻力增大,造成局部水頭損失,引起水流動能轉(zhuǎn)化為勢能,使橋前水位抬高,形成一定的壅水,這將會對橋位處河道的過流能力、灘槽分流比、水流速度等造成一定的影響。從防洪安全以及橋梁自身安全角度出發(fā),本文壅水分析采用《橋渡水文》推薦的經(jīng)驗公式,分析計算河道設(shè)計洪水條件下的壅水。

3.1 壅水高度計算

根據(jù)《橋渡水文》,橋前壅水高度計算公式為:

(1)

3.2 壅水曲線長度計算

壅水曲線長計算公式:

(2)

其中,L為壅水曲線長度,m;ΔZ為橋前最大壅水高度,m;I為橋址河段天然水面坡度,本次計算取1/10 000。

壅水高度及曲線長度計算成果如表3所列。

表3 新汴河特大橋橋前壅水計算成果表

由表3可知,現(xiàn)狀斷面條件下,發(fā)生5年一遇除澇工況下,河道橋墩阻水面積占總過流斷面面積為2.47%;20年一遇設(shè)計洪水時,河道橋墩阻水面積占總過流斷面面積為3.11%。橋梁建成后,跨河橋梁造成了橋前水位壅高,發(fā)生5年一遇除澇水位時,河道壅水高度為0.001 m,壅水曲線長度約25.81 m;發(fā)生20年一遇設(shè)計洪水時,河道壅水高度為0.002 m,壅水曲線長度約37.82 m。橋墩引起的壅水高度和壅水曲線長度較小,橋墩阻壅作用對河道洪水位有一定的影響,但影響程度不大。

4 沖刷淤積計算與河勢影響分析

建橋后,由于水流受橋墩的阻壅作用,河道中單寬流量增加,局部水面比降變陡,水流流速加大,河床可能產(chǎn)生一般沖刷;同時由于橋墩本身的擋水,其附近引起水流流態(tài)變化,橋墩周圍出現(xiàn)局部沖刷。一般沖刷和局部沖刷的沖刷深度與過流條件、河道斷面、河床土壤特性、阻水建筑物幾何形狀等因素有關(guān)。根據(jù)《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》(JTG C30-2015)推薦的計算公式,對設(shè)計水位條件下引起的沖刷進行分析計算。根據(jù)地質(zhì)勘查資料,橋址處河床表層主要為淤泥質(zhì)粘土和粉質(zhì)粘土,因此本次計算采用粘性土沖刷公式計算。

4.1 一般沖刷計算

(1)河槽部分。根據(jù)《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》(JTG C30-2015)推薦的計算公式來計算河槽沖刷后的水深,公式如下:

(3)

(2)河灘部分。根據(jù)《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》(JTG C30-2015)推薦的計算公式來計算河灘沖刷后的水深,公式如下:

(4)

4.2 局部沖刷計算

(5)

其中,hb為橋墩局部沖刷深度,m;hp為河槽沖刷后水深,m;Kξ為墩形系數(shù);b1為橋墩計算寬度,m;IL為沖刷坑范圍內(nèi)粘性土液性指數(shù),IL的范圍為0.16～1.19;V為一般沖刷后墩前行近流速,m/s。

在設(shè)計洪水條件下橋位處沖刷計算成果如表4所列。

表4 新汴河特大橋橋位處沖刷計算成果表

4.3 河勢影響分析

根據(jù)《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》(JTG C30-2015)的相關(guān)規(guī)定,在確定橋梁墩臺基礎(chǔ)埋置深度時,應(yīng)根據(jù)橋位河段具體情況,取河床自然演變沖刷、一般沖刷和局部沖刷的不利組合,作為確定墩臺基礎(chǔ)埋深的依據(jù)。

由表4可知,橋位處河道5年一遇除澇水位,河槽一般沖刷深度為0 m,河灘局部沖刷深度為0.383 m;發(fā)生20年一遇設(shè)計洪水時,河槽一般沖刷深度為0 m,灘地局部沖刷深度為0.446 m。由此可知,河槽及河灘不會發(fā)生一般性沖刷,僅橋墩周圍會發(fā)生局部沖刷。近堤橋墩的局部沖刷會形成沖刷坑,對堤防岸坡的整體穩(wěn)定不利,因此,為了降低大橋的建設(shè)對河勢和堤防安全穩(wěn)定的不利影響,建議根據(jù)計算沖刷深度適當降低墩臺基底埋置深度,基底埋在墩臺局部沖刷線下的深度不應(yīng)小于《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》(JTG C30-2015)規(guī)定的安全值,同時對河岸和堤防采用一定的沖刷防護工程措施。

5 結(jié)束語

(1)新汴河特大橋建成后,河道橋墩將占用行洪斷面,會降低河道行洪能力。為降低橋墩阻壅的影響,需對河道進行斷面補償。橋梁建成后遭遇20年一遇設(shè)計洪水時,阻水面積為59.59 m2,宜按照不小于阻水面積的1.2倍進行補償,即71.51 m2。同時,由于河道處兩岸較為順直,可對兩岸進行對稱疏浚。

(2)橋梁建設(shè)及河道切灘等工程措施對岸坡安全有一定的影響,需要加強岸坡的防沖護砌,對橋址處上下游兩岸河槽岸坡采取防沖護砌。建橋后斷面水流流速增大,特別是近堤橋墩的局部沖刷,對堤防安全有一定的影響。為保證大橋附近上下游迎水側(cè)堤防坡面的穩(wěn)定,避免崩塌,工程建成后,需對河道左右岸堤坡進行護砌防護。

(3)考慮到近堤橋墩基礎(chǔ)施工,會對堤基產(chǎn)生擾動,引起局部滲透變形,對堤防安全構(gòu)成威脅,應(yīng)對近堤橋墩基礎(chǔ)做局部防滲處理,同時對堤外近堤腳橋墩周邊進行防沖守護,以保證堤防防汛安全。