蔡 磊，許天一，蔡 霞

（1.長江水利委員會(huì)長江下游水文水資源勘測(cè)局，江蘇 南京 210011；2.珠江水利委員會(huì)珠江水利綜合技術(shù)中心，廣東 廣州 510611）

跨河橋梁是交通工程建設(shè)的重要渡河建筑物。橋梁跨越河流時(shí)，會(huì)侵占行洪面積，壅高上游水位，改變局部流態(tài)，給河道行洪和兩岸堤防安全造成影響。洪水在橋墩及橋梁防護(hù)部位產(chǎn)生局部沖刷，危及橋梁自身安全。在開展跨河橋梁的建設(shè)時(shí)，需要綜合考慮橋梁的運(yùn)行安全，同時(shí)應(yīng)根據(jù)《河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目防洪評(píng)價(jià)報(bào)告編制導(dǎo)則》[1]的要求對(duì)河道的行洪安全影響進(jìn)行評(píng)價(jià)。近年來，這方面的研究漸趨多元化。郭婷[2]在跨河橋梁防洪影響評(píng)價(jià)研究中建立了防洪影響評(píng)價(jià)體系；董勝男[3]借助SMS軟件中的FESMWS 模塊建立了數(shù)學(xué)模型，對(duì)橋墩產(chǎn)生的壅水和沖刷進(jìn)行平面二維數(shù)值模擬；喬連朋等[4]以某公路橋梁跨越河道工程為例，在分析與計(jì)算基礎(chǔ)上綜合評(píng)價(jià)了跨河橋梁對(duì)河道泄洪、河勢(shì)穩(wěn)定、防護(hù)工程、防汛搶險(xiǎn)等的影響；張婷等[5]結(jié)合工程實(shí)例，基于分析計(jì)算結(jié)果，對(duì)大橋建成后的河勢(shì)穩(wěn)定和堤防安全等方面進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。

1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)為永城市G311線永城境改建工程，該線為省際物資運(yùn)輸?shù)闹匾ǖ?，是永城市公路運(yùn)輸網(wǎng)體系的重要組成部分，G311的成功改建對(duì)該區(qū)域完整的高效運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的形成，改善沿線的路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，構(gòu)筑快速、便捷的運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)起著重要作用，同時(shí)也是打開河南省中部通往安徽、江蘇、上海及東部沿海地區(qū)的一條快速通道。工程涉河建筑物主要為王引河豫皖交界大橋、小王引河茴村鎮(zhèn)中橋、韓溝橋、大澗溝柘樹集中橋、東沙河劉大莊大橋、擋馬溝中橋、小洪河渾河中橋共7座橋梁。

豫皖交界大橋位于王引河河道彎道處，主槽邊坡較不規(guī)則，河底淤積，灘地平坦；茴村鎮(zhèn)中橋所在的小王引河兩岸有道路，河道邊坡較規(guī)整，河線順直；韓溝橋所在的韓溝河堤防完好，灘地平坦起伏較?。昏蠘浼袠蛭挥诖鬂緶虾拥缽澋捞?，邊坡規(guī)整，兩岸棄土成堤，灘地平坦；劉大莊大橋位于東沙河河道彎道處，上游緊鄰永酂運(yùn)河，河道邊坡規(guī)整，灘地平坦；擋馬溝中橋所在的擋馬溝現(xiàn)狀河道岸坡規(guī)則，橋址下游左右岸零散分布有堆土，上下游河槽內(nèi)局部有取土坑；渾河中橋橋址處小洪河堤防不完整，除下游右岸為混凝土路面外，其余堤防均為土路面，下游左岸有開敞式排水涵閘1 座，右岸有穿堤排水涵1 座。本工程涉及的7 條河道除澇標(biāo)準(zhǔn)均為5 a 一遇，王引河、韓溝、東沙河防洪標(biāo)準(zhǔn)為20 a 一遇，小洪河防洪標(biāo)準(zhǔn)為10 a 一遇，小王引河、大澗溝、擋馬溝河道無防洪任務(wù)。按照規(guī)劃，東沙河、小洪河分別于2013、2010 年進(jìn)行了治理，近期無治理規(guī)劃。王引河、韓溝、大澗溝、小王引河、擋馬溝將于近期進(jìn)行治理。

根據(jù)近期測(cè)量的河道斷面資料，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，分析G311 線永城境改建工程跨越的7 條河道河勢(shì)穩(wěn)定情況，認(rèn)為河線基本無大的變化，河道縱橫斷面沖淤略有變化，現(xiàn)狀河道逐年小幅淤積，河段河勢(shì)基本穩(wěn)定，預(yù)測(cè)河勢(shì)不會(huì)有大的變化，以后將會(huì)發(fā)生小幅淤積，橋梁的建設(shè)不會(huì)影響整個(gè)河勢(shì)穩(wěn)定，但可能會(huì)存在局部沖刷。

2 防洪分析計(jì)算

2.1 水文分析計(jì)算

本次水文分析采用“70 對(duì)口水文”。其中，小洪河、擋馬溝、東沙河、大澗溝采用澮河流域面積-流量關(guān)系曲線，韓溝、小王引河采用沱河流域面積-流量關(guān)系曲線，王引河采用王引河流域面積-流量關(guān)系曲線。

根據(jù)河道所在水系和橋址河道流域面積分別查取并計(jì)算對(duì)應(yīng)河道相應(yīng)的5 a一遇除澇流量、10 a一遇防洪流量、20 a 一遇防洪流量、100 a 一遇防洪流量。根據(jù)河道特性和河道水面線，以除澇斷面為基礎(chǔ)，采用明渠恒定非均勻漸變流能量方程計(jì)算各河道橋址100 a一遇洪水位，公式如下：

式中：z2，z1分別為上，下游斷面水位（m）；Δz為上下游兩斷面水位差（m）；hf，hj分別為上下游斷面之間的沿程水頭損失和局部水頭損失（m）；Δhv為上下游斷面流速水頭之差（m）；v2，v1分別為上，下游斷面流速（m/s）；α1，α2分別為上，下游斷面動(dòng)能改正系數(shù)；g為重力加速度（m/s2）。

2.2 壅水分析計(jì)算

2.2.1 壅水高度計(jì)算

根據(jù)《鐵路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10017-2021），最大壅水高度計(jì)算采用如下公式：

式中：ΔZ為最大壅水高度（m）；η為系數(shù)，對(duì)平原河流η=0.10（中等河灘）～0.15（有較大河灘的低洼地區(qū)），本次計(jì)算取η=0.10；為橋下平均流速（m/s）；vˉ0為斷面平均流速（m/s），計(jì)算方法為設(shè)計(jì)流量除以全河過水?dāng)嗝妗?/p>

2.2.2 壅水影響范圍計(jì)算

根據(jù)《鐵路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10017-2021），壅水影響范圍即壅水曲線全長計(jì)算采用如下公式：

式中：Ly為壅水曲線長度（m）；Δzm為橋前最大壅水高度（m）；I0為橋址附近河道天然水面坡降。

2.2.3 壅水計(jì)算結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)單位提供的橋梁橋位、孔數(shù)、跨徑、墩徑等參數(shù)，分別計(jì)算7座橋梁的壅水情況，計(jì)算工況為各河道的防洪除澇標(biāo)準(zhǔn)和橋梁的防洪設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，各橋梁的壅水計(jì)算結(jié)果詳見表1。

表1 壅水計(jì)算結(jié)果匯總m

2.2.4 梁底高程演算

根據(jù)各跨河橋梁的橋型圖，對(duì)照設(shè)計(jì)單位提供的各橋梁最不利梁底高程，由經(jīng)計(jì)算的各種頻率下的洪水位和各頻率時(shí)橋前壅水高度可以得出橋址對(duì)應(yīng)的計(jì)算水位及梁底超高。

2.3 沖淤分析計(jì)算

根據(jù)各跨河橋涵的結(jié)構(gòu)形式分為梁板式橋梁沖刷計(jì)算和涵洞沖刷計(jì)算，其中韓溝采用涵洞沖刷計(jì)算公式進(jìn)行沖刷計(jì)算，其余橋梁均采用梁板式橋梁沖刷計(jì)算公式進(jìn)行沖刷計(jì)算。

2.3.1 梁板式橋梁沖刷計(jì)算

沖刷計(jì)算包括一般沖刷和局部沖刷兩部分，計(jì)算工況包含河道防洪標(biāo)準(zhǔn)和橋梁設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)各跨河橋梁橋位處的河道地質(zhì)情況和地質(zhì)剖面圖，橋梁橋位處主河槽及河灘均采用《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG C30-2015）推薦的黏性土沖刷計(jì)算公式進(jìn)行沖刷計(jì)算。

（1）一般沖刷計(jì)算。根據(jù)《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG C30-2015），主槽沖刷深度計(jì)算采用如下公式：

式中：hp為橋下主槽一般沖刷后的最大水深（m）；Ad為單寬流量集中系數(shù)；Q2為橋下河槽部分通過的設(shè)計(jì)流量（m3/s）；μ為橋墩水流側(cè)向壓縮系數(shù)；Bcj為河槽部分橋孔過水凈寬（m）；hcm為河槽最大水深（m）；hcq為橋下河槽平均水深（m）；IL為沖刷坑范圍內(nèi)黏性土液性指數(shù)。

根據(jù)《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG C30-2015），橋下灘地沖刷深度計(jì)算采用如下公式：

式中：hp為橋下灘地一般沖刷后的水深（m）；Q1為橋下河灘部分通過的設(shè)計(jì)流量（m3/s）；Btj為河灘部分橋孔凈長（m）；htm為橋下河灘最大水深（m）；htq為橋下河灘平均水深（m）；其余變量含義同上。

（2）橋墩局部沖刷計(jì)算。根據(jù)《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG C30-2015），黏性土河床橋墩局部沖刷計(jì)算公式如下：

式中：hb為橋墩局部沖刷深度（m）；Kξ為橋墩系數(shù)；B1為橋墩計(jì)算寬度（m）；v為一般沖刷后墩前行近流速（m/s）；其余變量含義同上。

其中，河槽部分一般沖刷后墩前行近流速v計(jì)算公式為：

河灘部分一般沖刷后墩前行近流速v計(jì)算公式為：

橋梁橋址處沖刷計(jì)算結(jié)果，詳見表2。

表2 橋梁橋址處沖刷計(jì)算結(jié)果

2.3.2 涵洞沖刷計(jì)算

韓溝橋?yàn)楹唇Y(jié)構(gòu)，孔洞內(nèi)過流，建筑物上下游沖刷計(jì)算采用《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 265-2016）附錄B 中推薦的河床沖刷深度計(jì)算公式。韓溝橋涵洞沖刷計(jì)算結(jié)果，詳見表3。

表3 韓溝橋涵沖刷計(jì)算結(jié)果

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，橋梁建成后將發(fā)生河槽和灘地一般沖刷、橋墩局部沖刷，其中100 a 一遇一般沖刷和橋墩局部沖刷較大。

2.4 河勢(shì)影響分析

橋梁建成后，因橋址處河道過流斷面面積有不同程度的減小，過流流速有所增大，將對(duì)河道產(chǎn)生不同程度的沖刷，對(duì)河勢(shì)穩(wěn)定產(chǎn)生影響，因此需要對(duì)河道進(jìn)行岸坡防護(hù)。

3 防洪綜合評(píng)價(jià)

本工程各橋平面布置與相關(guān)水利規(guī)劃的總體要求和整治目標(biāo)相一致，符合《中華人民共和國防洪法》《中華人民共和國水法》《中華人民共和國河道管理?xiàng)l理》和國家《防洪標(biāo)準(zhǔn)》等有關(guān)規(guī)定。

3.1 防洪標(biāo)準(zhǔn)

交叉斷面處7 條河道現(xiàn)有防洪標(biāo)準(zhǔn)為5 a 一遇或20 a 一遇，G311 線永城境改建工程跨各交叉河流橋梁設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)均為100 a一遇，高于河道現(xiàn)有的防洪標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)符合《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTGD 60-2015）和國家《防洪標(biāo)準(zhǔn)》要求。

3.2 管理要求

依據(jù)橋梁設(shè)計(jì)圖，7 座橋100 a 一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)，河道范圍內(nèi)橋梁最不利梁板底高程均高于100 a計(jì)算洪水位，滿足有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范和管理要求。

3.3 河勢(shì)穩(wěn)定影響分析

橋梁建成后，由于橋墩的阻壅作用，河道單寬流量增加，局部水面比降和流速加大，導(dǎo)致河床產(chǎn)生一般沖刷；同時(shí)，由于橋墩阻水，水流結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，墩前兩側(cè)發(fā)生水流集中現(xiàn)象，引起動(dòng)能增加，導(dǎo)致橋墩周圍出現(xiàn)局部沖刷。

3.4 河道防洪影響分析

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTGD 60-2015）規(guī)定，新建橋梁梁板底高程應(yīng)高于河道計(jì)算水位以上0.5 m。根據(jù)壅水計(jì)算和梁底高程驗(yàn)算可知，7 座跨河橋梁的最不利梁底超高均滿足河道防洪標(biāo)準(zhǔn)的要求，對(duì)防洪影響較小。

3.5 河道岸坡沖刷影響分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，梁板式橋梁建成后將會(huì)發(fā)生主槽一般沖刷、灘地一般沖刷和橋墩局部沖刷，其中河槽和灘地的沖刷將會(huì)對(duì)岸坡的穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響，岸坡橋墩的設(shè)置增加了岸坡局部沖刷，極易導(dǎo)致岸坡局部坍塌，韓溝涵洞由于縮窄河道斷面較多，下游沖刷嚴(yán)重，對(duì)河道岸坡影響較大，因此應(yīng)采取防護(hù)和防沖措施，消除其不利影響。

3.6 上游支溝排澇影響分析

根據(jù)壅水計(jì)算結(jié)果，王引河豫皖交界大橋、小王引河茴村鎮(zhèn)中橋、韓溝橋及擋馬溝中橋壅水影響范圍內(nèi)無其他建筑物，對(duì)上下游支溝建筑物無影響。大澗溝柘樹集中橋建設(shè)對(duì)排水閘排澇和擋水運(yùn)行有一定的影響。

3.7 水事權(quán)益影響分析

王引河等7 座橋梁附近無取水口、港口碼頭等第三者用水主體，改建道路工程建設(shè)不影響各河道水資源和水質(zhì)，工程的建設(shè)不會(huì)對(duì)第三者合法水事權(quán)益造成明顯不利影響。

4 結(jié)論與建議

4.1 河道演變及穩(wěn)定性分析

根據(jù)各跨越河道歷史資料及近期觀測(cè)情況可知，多年的淤積和沖刷對(duì)河道影響并不嚴(yán)重，河勢(shì)發(fā)育穩(wěn)定，河線也基本保持不變。G311永城境改建工程的進(jìn)行會(huì)加重橋梁上下游局部河段河槽、岸坡、灘地和堤防的沖刷，但可以通過實(shí)施河底、岸坡防護(hù)和堤防護(hù)坡等措施保證河岸穩(wěn)定。

4.2 建設(shè)工程對(duì)各方面影響評(píng)價(jià)結(jié)論

（1）橋梁工程建設(shè)符合《淮河流域防洪規(guī)劃》的總體要求和整治目標(biāo)。

（2）橋梁設(shè)計(jì)洪水頻率為1/100符合《公路橋涵通用設(shè)計(jì)規(guī)范》中橋涵設(shè)計(jì)洪水頻率的規(guī)定，梁下凈空符合《公路橋涵通用設(shè)計(jì)規(guī)范》中橋下最小凈空的要求。

（3）橋梁工程實(shí)施后對(duì)岸坡沖刷有影響，橋址處左右岸河坡需采取防護(hù)措施。

（4）王引河豫皖交界大橋、東沙河劉大莊大橋、韓溝橋、小洪河渾河中橋需要增加左右岸上下游連接道路，滿足防汛搶險(xiǎn)的要求。

（5）韓溝箱涵阻水面積、壅水和沖刷均較大，箱涵缺少與堤防的連接設(shè)計(jì)和河道防沖設(shè)計(jì)，需要采取補(bǔ)救措施，保證堤防安全，減小河道沖刷。

（6）小洪河渾河橋影響下游左岸排澇涵閘的正常使用，需要對(duì)其采取專項(xiàng)補(bǔ)救措施，滿足河道防洪要求和支溝排澇要求。

（7）橋梁的建設(shè)不會(huì)對(duì)第三者合法水事權(quán)益造成影響。

4.3 有關(guān)建議

（1）根據(jù)本次沖刷計(jì)算結(jié)果復(fù)核橋梁樁基的承載力和橋墩基底安全埋深，以及韓溝箱涵的抗浮穩(wěn)定性。

（2）建議增加小洪河渾河中橋左岸排澇涵閘專項(xiàng)設(shè)計(jì)。

（3）施工方案中應(yīng)充分考慮河道主管部門的意見，施工期內(nèi)應(yīng)與河道管理部門密切配合，服從河道主管部門的管理。