彭興 馬祺瑞 果鵬

摘要：為研究雅魯藏布江流域江熱橋?qū)拥婪篮榈挠绊?，基于MIKE21軟件建立該研究區(qū)域的二維水動力數(shù)值模型，并對該工程的行洪水位和流場影響進行了模擬計算分析。結(jié)果表明：在10 a一遇和50 a一遇洪水條件下，工程建設(shè)引起水位最大壅高值分別為7.8 cm和9.8 cm，引起流速增加的最大值分別為0.11 m/s和0.12 m/s，工程建設(shè)不會對河道防洪和河勢造成明顯的不利影響。此外，對橋墩沖刷、岸坡沖刷、岸坡邊坡穩(wěn)定進行了計算分析，計算結(jié)果滿足規(guī)范要求。研究結(jié)果可為江熱橋工程項目提供防洪影響評價方面的技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：防洪影響評價； 二維水動力模型； 橋梁工程； 江熱橋； 雅魯藏布江

中圖法分類號：TV214

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.S2.002

文章編號：1006-0081（2023）S2-0005-06

0 引 言

橋梁工程跨越河流架設(shè)于兩岸之間，在施工及運行過程中，往往會導(dǎo)致河流形態(tài)變化，破壞河道局部沖淤平衡，有的甚至?xí)^(qū)域河段行洪及河勢產(chǎn)生較大影響。因此，跨河橋梁工程的防洪影響評價歷來是水行政主管部門關(guān)注的重點對象，同時，做好跨河橋梁工程的防洪影響分析及評價是確保區(qū)域防洪安全的重要保障。

本文以西藏自治區(qū)山南市浪卡子縣江熱橋為例，從多方面開展分析論證，將橋梁對流域局部壅水、流速變化、岸坡穩(wěn)定的影響進行了系統(tǒng)分析，可為相似項目研究提供參考，同時也可為實際橋梁設(shè)計建設(shè)及工程附近區(qū)域防洪減災(zāi)提供參考。

1 工程概況

山南市浪卡子縣江熱橋位于雅魯藏布江干流中游索朗嘎咕峽谷段，左、右岸行政區(qū)劃分屬拉薩市尼木縣、山南市浪卡子縣，工程位置見圖1。

江熱橋按照四級公路標準設(shè)計，橋面寬度為7.5 m（行車道）+2×1.25 m（人行道、護欄），共10 m，設(shè)計車速為30 km/h，橋型布置見圖2。工程從左岸往右岸布置了0號橋臺、1號橋墩、2號橋墩和3號橋臺，其中1號橋墩、2號橋墩位于河道內(nèi)。

2 洪水影響分析計算

2.1 二維水動力模型

采用丹麥水力研究所（DHI）開發(fā)的MIKE21 FM建立工程區(qū)域河道平面二維水流數(shù)學(xué)模型，計算分析10 a一遇設(shè)計洪水和50 a一遇設(shè)計洪水條件下，擬建工程對工程區(qū)域河段防洪設(shè)計洪水位和流場的影響。二維水流模型基本方程如下［1-3］：

水流連續(xù)方程：

水流運動方程：

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為源、匯項在x、y方向的分量;c為謝才阻力系數(shù);Ω為科氏力;E為渦黏擴散系數(shù)，根據(jù)Smagorinsky公式確定。

式中：u、v為x、y方向垂線平均流速;

Δ為網(wǎng)格間距;CS為計算參數(shù)，0.25＜CS＜1.0。

2.2 邊界條件參數(shù)取值

2.2.1 研究范圍及網(wǎng)格布置

模型計算范圍為橋址以上2.0 km至橋址以下2.2 km、全長4.2 km的河段，見圖3。采用無結(jié)構(gòu)三角形混合網(wǎng)格剖分計算區(qū)域，網(wǎng)格單元數(shù)為45 669個，特別對工程局部區(qū)域進行了加密，工程附近網(wǎng)格尺度為2 m。

2.2.2 計算工況與邊界條件

選取以下2種計算工況開展計算分析。

工況1：橋址10 a一遇設(shè)計洪水。相應(yīng)洪水流量為4 680 m3/s、設(shè)計洪水位為3 642.21 m，分別作為工況1的模型上下邊界條件。

工況2：橋址50 a一遇設(shè)計洪水。相應(yīng)洪水流量為6 220 m3/s、設(shè)計洪水位為3 644.01 m，以此作為工況2的模型上下邊界條件。

在計算過程中，網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)的部分單元在漲水時被“淹沒”，在落水時則“干出”。為正確反映這些單元的干濕變化，模型中采用了如下的動邊界模擬技術(shù)：選定一臨界水深（hmin一般取為0.01 m），當(dāng)某時刻某濕單元的實際水深（水位減去河底高程）小于hmin時，認為該單元“干出”，在本步時末退出模型計算；干單元的水位值由附近濕單元的水位插值得到，當(dāng)某時刻某干單元實際水深大于臨界水深且有流入的動量通量時，則讓其變濕，并恢復(fù)該單元的模型計算。

對于橋墩阻水處理，則通過計算現(xiàn)有橋墩柱體上減少的拖曳力來反映橋墩對水流的阻力，而每個柱體上減少的拖曳力在MIKE21 FM中通過動量公式轉(zhuǎn)化為切應(yīng)力來計算。

2.2.3 模型率定與驗證

由于缺少實測資料，經(jīng)多次試算來確定河段的糙率系數(shù)。計算結(jié)果顯示：當(dāng)河段綜合糙率系數(shù)為0.048，進口流量為4 680 m3/s時，橋址計算水位為3 652.521 m；再采用相同的糙率系數(shù)，進口流量為6 220 m3/s（50 a一遇）時，橋址計算水位為3 654.959 m。由此可見，橋址計算水位與設(shè)計洪水位的絕對誤差均小于0.1 cm，由此確定河段的綜合糙率為0.048。

2.3 10 a一遇設(shè)計洪水計算結(jié)果分析

2.3.1 阻水面積計算

根據(jù)橋梁相關(guān)設(shè)計圖紙，將加入橋梁后的斷面與原始斷面進行對比，計算大橋建成前后斷面過水面積與橋墩水下面積，得到橋墩阻水面積占河道過水?dāng)嗝婵偯娣e的比例。結(jié)果顯示：在10 a一遇設(shè)計洪水位工況下，原河道斷面過水面積1 377.15 m2，橋墩占用面積32.11 m2（表1），橋墩阻水面積占河道過水?dāng)嗝婵偯娣e的2.33%。

2.3.2 工程對水位的影響分析

在江熱橋上游與該橋距離為5 m的橫斷面內(nèi)，等間距布置6個評價點，采用前述構(gòu)建的二維模型分析擬建工程修建前后的壅水影響［2］。不同評價點工修建程前后水位變化統(tǒng)計結(jié)果見表2，可以看出，工程后水位最大壅高為7.8 cm。

工程修建前后橋梁附近局部壅水見圖4，可以看出，水位變幅0.5 cm以上的影響范圍為橋址上游62.4 m至橋址下游21.9 m；水位變幅0.1 cm以上的影響范圍為橋址上游86.1 m至橋址下游 26.5 m。

2.3.3 工程對流速的影響分析

10 a一遇洪水條件下，不同評價點工程修建前后流速變化統(tǒng)計結(jié)果見表3，可以看出，工程修建后流速基本沒有變化，最大流速變化0.11 m/s。

10 a一遇洪水條件下，工程修建前后流速等值線分布和流場分布見圖5和圖6，可以看出，工程修建前后流速大小和流場變化不大。

2.4 50 a一遇設(shè)計洪水計算結(jié)果分析

2.4.1 阻水面積計算

根據(jù)橋梁相關(guān)設(shè)計圖量算，在橋址50 a一遇設(shè)計洪水位（3 654.96 m）工況下，原河道斷面過水面積1 587.75 m2，橋墩占用面積40.41 m2，橋墩阻水面積占河道過水?dāng)嗝婵偯娣e的比例為2.50%。

2.4.2 工程對水位的影響分析

不同評價點工程修建前后水位變化統(tǒng)計結(jié)果見表4，可以看出，工程修建后水位最大壅高為98 cm。

工程修建后橋梁附近局部壅水見圖7，可以看出，水位變幅0.5 cm以上的影響范圍為橋址上游 71.2 m至橋址下游17.6 m；水位變幅0.1 cm以上的影響范圍為橋址上游103.2 m至橋址下游 37.6 m。

2.4.3 工程對流速的影響分析

50 a一遇洪水條件下，不同評價點工程修建前后流速變化統(tǒng)計結(jié)果見表5，可以看出，工程修建后流速基本沒有變化，最大流速變化0.12 m/s。

50 a一遇洪水條件下，工程修建前后流速等值線分布和流場分布見圖8和圖9，可以看出，工程修建前后流速大小和流場變化不大。

3 橋墩沖刷分析計算

根據(jù)JTGC 30-2015《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》，建橋后橋梁墩臺附近的河床沖刷由自然演變沖刷、一般沖刷和局部沖刷組成［4-7］。根據(jù)河道演變分析成果，工程河段形勢總體穩(wěn)定，河床沖淤變化較小。本次計算主要分析一般沖刷和局部沖刷兩種沖刷形式。根據(jù)地質(zhì)鉆孔揭示情況，按照非黏性土河槽一般沖刷和非黏性土橋墩局部沖刷計算。

3.1 10 a一遇設(shè)計洪水橋墩沖刷分析

10 a一遇設(shè)計洪水條件下橋址天然設(shè)計洪水位為3 652.52 m。在此水位下，擬建工程后橋址所在位置的斷面平均流速為3.48 m/s，1號與2號橋墩受到水流沖刷影響，0號與3號橋臺沒有受到水流淹沒，因此開展1號與2號橋墩的沖刷分析計算。

10 a一遇設(shè)計洪水條件下，一般沖刷后的最大水深約為27.46 m，工程修建后橋址所在斷面河槽部分一般沖刷深度為1.92 m。

橋墩局部沖刷受水流流速、水深、橋墩結(jié)構(gòu)及土質(zhì)因素的影響。橋墩結(jié)構(gòu)決定墩形系數(shù)及阻水面積。擬建橋梁橋墩均為直徑統(tǒng)一的圓柱體結(jié)構(gòu)，故其墩形系數(shù)取1.00。橋址因缺少床沙級配資料，故選用河段下游羊村水文站實測床沙級配近似代替，取其中值粒徑38 mm。經(jīng)計算，1號和2號橋墩的局部沖刷深度分別為5.02 m和7.22 m。由一般沖刷和局部沖刷計算結(jié)果可知，1號和2號橋墩的最大沖深分別為6.94 m和9.14 m。1號和2號橋墩分別埋入河底以下18.72 m和13.77 m，即最大沖深以下11.78 m和4.63 m，滿足橋梁基底埋深安全值要求。

3.2 50 a一遇設(shè)計洪水橋墩沖刷分析

經(jīng)計算，50 a一遇設(shè)計洪水條件下，工程修建后橋址所在斷面河槽部分一般沖刷后的最大水深約為30.04 m，一般沖刷深度為2.08 m；50 a一遇設(shè)計洪水條件下1號和2號橋墩的局部沖刷深度分別為6.14 m和8.83 m，最大沖深分別為8.22 m、10.91 m。1號和2號橋墩分別埋入河底以下18.72 m和13.77 m，即最大沖深以下10.50 m和2.86 m，滿足JTGC 30-2015《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》橋梁基底埋深安全值要求。

4 岸坡沖刷分析計算

橋梁施工完成后，橋墩附近水位將略微壅高，流速將有所增加，引起左岸岸坡沖刷加大［8-9］，需分析工程前后左岸岸坡坡腳處的沖刷變化情況。岸坡沖刷深度分析采用GB 50286-2013《堤防工程設(shè)計規(guī)范》附錄D.2.2中所列公式予以計算。

工程前后左岸岸坡坡腳處沖刷深度計算結(jié)果見表6。

由表6可知，在10 a一遇設(shè)計洪水位情況下，江熱橋建設(shè)后左岸岸坡坡腳沖刷深度由0.80 m增加至0.86 m；在50 a一遇設(shè)計洪水位情況下，江熱

橋建設(shè)后左岸岸坡坡腳沖刷深度由1.27 m增加至1.33 m；江熱橋建設(shè)對左岸岸坡沖刷無明顯不利影響。

5 工程河段岸坡穩(wěn)定計算分析

5.1 正常運用條件

工況1：橋梁施工前現(xiàn)狀岸坡，河道水位為10 a一遇洪水位3 652.52 m。工況2：橋梁施工前現(xiàn)狀岸坡，河道水位為50 a一遇洪水位3 654.96 m。

工況3：橋梁施工后岸坡，河道水位為10 a一遇洪水位3 652.52 m。工況4：橋梁施工后岸坡，河道水位為50 a一遇洪水位3 654.96 m。

5.2 非常運用條件

根據(jù)GB 18306-2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖（1∶400萬）》，江熱橋工程50 a超越概率10%地震動峰值加速度0.20g，對應(yīng)地震基本烈度Ⅷ度，非常運用條件考慮以下工況。

工況5：橋梁施工前現(xiàn)狀岸坡，河道水位為10 a 一遇洪水位3 652.52 m，遭遇Ⅷ度地震。

工況6：橋梁施工前現(xiàn)狀岸坡，河道水位為50 a一遇洪水位3 654.96 m，遭遇Ⅷ度地震。

工況7：橋梁施工后岸坡，河道水位為10 a一遇洪水位3 652.52 m，遭遇Ⅷ度地震。

工況8：橋梁施工后岸坡，河道水位為50 a一遇洪水位3 654.96 m，遭遇Ⅷ度地震。

荷載按公路Ⅰ級荷載考慮，作用于G318路面。

工程河段位于高山峽谷區(qū)，河道防洪標準為10 a一遇，邊坡為5級。根據(jù)SL 386-2007《水利水電工程邊坡設(shè)計規(guī)范》，5級邊坡在正常運用條件下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)可取1.10～1.05，在遭遇地震的非常運用條件下的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)可取 1.05～1.00。本次計算偏安全考慮，抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)取規(guī)定范圍內(nèi)的大值。

抗滑穩(wěn)定采用理正邊坡穩(wěn)定分析軟件進行計算，該程序采用最優(yōu)化原理，搜索最小安全系數(shù)和相應(yīng)臨界滑面。本次計算方法采用簡化畢肖普法［10-11］，不同工況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算結(jié)果見表7。計算結(jié)果表明，各工況岸坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)大于規(guī)范要求允許值，滿足規(guī)范要求，工程實施對左岸岸坡抗滑穩(wěn)定無不利影響。但0號橋臺開挖應(yīng)注意采取插打鋼板樁等措施做好防護，確保施工期G318國道通行安全。

6 結(jié) 論

基于工程水文地質(zhì)、設(shè)計圖紙等基本資料，對江熱橋工程臨近河道的洪水影響、橋墩沖刷、岸坡沖刷以及岸坡穩(wěn)定進行了分析計算，綜合評價了擬建項目對防洪的影響，得到的主要結(jié)論如下。

（1）工程位于高山峽谷河段，兩岸無防洪工程，無防洪保護對象，工程位置10 a一遇洪水位和50 a一遇洪水位疊加工程建設(shè)產(chǎn)生的最大壅高值后，仍然低于全橋底板最低高程（3 658.955 m）和G318國道高程（3 661.80 m），工程建設(shè)不會對河道防洪造成不利影響。

（2）在10 a一遇和50 a一遇洪水條件下，工程的興建引起流速增加的最大值分別為0.11 m/s和0.12 m/s，工程對流速的影響局限于工程附近，對計算河段整體流場影響較小，不會引起較大范圍的河床沖淤變化。工程建設(shè)不會對河勢造成明顯的不利影響。

（3）10 a一遇洪水情況下，工程修建后1號和2號橋墩最大沖深分別為6.94 m和9.14 m；50 a一遇洪水情況下，1號和2號橋墩最大沖刷深度分別為8.22 m和10.91 m。橋墩最大沖深小于橋墩埋深，滿足JTGC 30-2015《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》橋梁基底埋深安全值要求。

（4）在10 a一遇洪水情況下，工程修建后橋址所在左岸岸坡坡腳沖刷深度由0.80 m增加至0.86 m；在50 a一遇洪水情況下，左岸岸坡坡腳沖刷深度由1.27 m增加至1.33 m；增加幅度為0.06 m，因此工程建設(shè)對左岸岸坡沖刷無明顯不利影響。

（5）在10 a一遇設(shè)計洪水和50 a一遇設(shè)計洪水位情況下，正常運用條件工程前后岸坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.31～1.49，非常運用條件下工程前后岸坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.15～1.35，各工況岸坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)大于等于規(guī)范要求最大值，滿足規(guī)范要求，工程建設(shè)對左岸岸坡穩(wěn)定無不利影響。

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