跨河桥梁防洪影响浅析

郭选英,安航永,王 凯

(华北水利水电大学，河南 郑州 450011)

跨河桥梁防洪影响浅析

郭选英,安航永,王 凯

(华北水利水电大学，河南 郑州 450011)

在河道上修建桥梁，直接影响河道的行洪是否顺畅及堤防的安全。壅水和冲刷是影响河道行洪、堤防安全的两个主要方面。本文简要介绍了跨河桥梁防洪影响的计算方法，并以太澳高速某跨河大桥为例，分析其建桥后的壅水和冲刷现象对河道行洪和桥梁本身的影响。

防洪影响评价；壅水；冲刷

交通运输是国民经济的生命线，它对促进我国社会经济的发展和提高人民的生活水平具有非常重要的支撑作用。改革开放以来，随着国民经济持续快速的发展，我国组织新建了一大批公路、铁路等交通工程项目，大幅度提高了交通运输条件。桥梁是公路、铁路等跨河工程项目的重要组成部分，安全、稳定的桥梁设计是交通运输顺利进行的重要保障。桥梁桥墩的修建将占据天然河道的部分行洪断面，导致桥址断面上游河道水位产生一定的壅高，局部水流流态发生变化，对河道的防洪安全具有一定的不利影响；当发生洪水时，洪水对桥墩和两岸岸坡有一定强度的冲刷作用，将危及桥梁自身的安全[1]。因此，对新建跨河桥梁进行防洪影响分析是一件非常重要的工作。

1 防洪分析内容

跨河桥梁的防洪影响分析工作主要包括两个方面，即壅水和冲刷。桥梁桥墩的修建将占据天然河道的部分行洪断面，缩小了河道桥址断面的过水面积。桥孔对水流产生一定程度的挤压，使得桥址断面上游河道水位有所壅高[2]。桥墩修建完成以后，其附近水流和泥沙状况发生变化，桥墩附近河床将产生冲刷变形[3]。在防洪分析工作中，首先根据壅水计算结果，分析其对河道行洪的影响，以及对桥梁自身安全的影响；然后，根据冲刷计算结果，分析桥梁修建完成后，对两岸岸堤和桥墩自身安全的影响。

2 防洪分析计算

2.1 水面线计算

由于天然河道的发展过程复杂多变，其断面形态沿程变化较大，因此在推求天然河道设计洪水位时，按明渠恒定非均匀流考虑。

河道水面线采用水面线法进行计算。水面线法的主要理论依据为Bernoulli能量守恒方程[4]，公式如下：

(1)

式中：z1为上断面洪水位，m；z2为下断面洪水位，m；p1为上断面动水压强，N/m2；p2为下断面动水压强，N/m2；ρ为水密度，kg/m3；g为重力系数，N/kg；v1为上断面平均流速，m/s；v2为下断面平均流速，m/s；α1为上断面动能校正系数；α2为下断面动能校正系数；Δhf为沿程水头损失；Δhj为局部水头损失。

2.2 壅水计算

桥梁的壅水计算主要指壅水高度和壅水长度两部分。在进行壅水计算时，采用《公路桥涵设计手册·桥位设计》[5]中的相应公式进行计算。

(2)

(3)

2.3 冲刷计算

冲刷计算分为一般冲刷与局部冲刷两部分。一般冲刷是指桥址断面河床发生整体冲刷的冲刷现象。局部冲刷是指水流对桥墩附近河床的冲刷现象。从河床泥沙的性质考虑，冲刷计算又分为非黏性土河床与黏性土河床两种情况。在进行冲刷计算时，采用交通运输部发布的《公路工程水文勘测设计规范》(JTG C30—2015)[6]中推荐的相应公式进行计算。

(1)非黏性土一般冲刷计算公式

河槽部分

(4)

河滩部分

(5)

(2)黏性土一般冲刷计算公式

河槽部分

(6)

河滩部分

(7)

式中：Ad为单宽流量系数，取1.0～1.2；IL为黏性土液性指数，适用范围为0.16～1.19；其它参数同上。

(3)非黏性土局部冲刷计算公式

当V≤V0时

(8)

当V>V0时

(9)

式中：hb为局部冲刷深度,m；Kξ为墩型系数；Kη为河床颗粒影响系数；B1为桥墩宽度,m；V为一般冲刷后墩前流速,m/s；V0为河床泥沙起动流速,m/s；V0′为墩前泥沙起冲流速,m/s；n为指数。

(4)黏性土局部冲刷计算公式

当hp/B1≥2.5时

(10)

当hp/B1<2.5时

(11)

式中：IL为黏性土液性指数，为0.16～1.48；其它参数同上。

3 工程实例

3.1 工程概况

太澳高速跨白河某大桥位于河南省南阳市。桥址以上流域面积约为1200 km2。桥址上游600 m处向南约90°弯曲，下游主河槽基本顺直。桥位附近左岸为山体，右岸为低堤所围滩地，主河床由中砂组成。依据《防洪标准》(GB 50201—2014)，白河在该段的保护对象为乡村防护区的第Ⅳ等，确定该段河道防洪标准为20 a一遇。该桥全长1178.2 m，共计39跨，每跨30 m，与白河正交。该桥设计车辆荷载为公路Ⅰ级，设计洪水标准采用300 a一遇洪水。

3.2 防洪分析计算

(1)频率洪水

根据该桥桥址上游白土岗水文站1958—2012年水文资料及历史调查洪水，结合白土岗水文站和桥址控制流域面积，采用水文比拟法推求桥址处设计洪水。该桥桥址处20 a一遇设计洪峰流量为3012 m3/s；300 a一遇设计洪峰流量为5816 m3/s。

(2)水面线计算

以大桥桥址下游600 m处的断面为起始断面，采用上述水面线法推求桥址处20 a和300 a一遇洪水水位。经计算，当发生20 a一遇洪水时，桥址断面水位为179.71 m；当发生300 a一遇洪水时，桥址断面水位为180.92 m。均低于大桥桥面底部高程185.69 m，及两岸堤顶高程194.50 m。

(3)壅水计算

壅水计算采用壅水计算公式，结果见表1。当发生20 a一遇洪水时，桥址上游水位壅高为0.016 m，壅水长度为107.7 m；当发生300 a一遇洪水时，水位壅高为0.035 m，壅水长度为219.4 m。

表1 壅水计算成果

(4)冲刷计算

由于桥址处河槽表层为中砂，厚度约为1.5 m，其下为卵石，厚度约为0～4.2 m，再下层为弱风化花岗石。滩地段表面为中砂，厚度约为7 m，部分为亚黏土，其下为卵石和弱风化花岗石。因此，冲刷深度计算选用前述非黏性土冲刷计算公式，计算结果见表2。

表2 冲刷计算成果

4 防洪影响分析

4.1 对河道行洪的影响分析

根据壅水计算结果，发生20 a和300 a一遇洪水时，桥前最大壅水高度分别为0.016 m和0.035 m；桥下净空高度分别为5.98 m和4.77 m。因此，桥梁的修建基本不影响河道的行洪。

4.2 对桥梁自身的影响分析

在发生300 a一遇的洪水时，河槽与河滩的一般冲刷深度分别为2.74 m和3.35 m；局部冲刷深度分别为0.82 m和0.81 m；总冲刷深度分别为3.56 m和4.16 m。冲刷后，河槽与河滩处桥墩基础埋深分别为21.44 m和20.84 m，远高于2.5 m的基础埋深安全值。因此，河床冲刷对桥墩安全的影响较小。

4.3 对河势稳定的影响分析

发生300 a一遇洪水时，河槽一般冲刷深度为2.74 m，局部冲刷深度为0.82 m，总冲刷深度为3.56 m；滩地一般冲刷深度为3.35 m，局部冲刷深度0.81 m，总冲刷深度为4.16 m；建桥前后桥址断面平均流速分别为1.01 m/s和0.99 m/s。鉴于河床冲刷严重，应加强防护，以保证岸坡的防洪安全。由于桥址断面较宽，桥墩间跨度较大，桥墩占据的河道行洪面积占总行洪面积的比例较小，建桥前与建桥后断面平均流速非常接近，因此该桥建成后，对河势稳定影响较小。

5 结 语

由于在河道上修建桥梁，对河道行洪，两岸堤防及桥梁本身均有影响，所以对新建桥梁进行防洪影响分析是一件非常重要的工作。本文简要的介绍了跨河桥梁防洪影响分析计算的一般方法，并以太澳高速某跨河大桥为例，从壅水和冲刷两个方面分析了它的修建对河道行洪、桥梁自身及河势稳定的影响。该方法计算简单、科学；评价结果合理、可靠；具有很强的实用性，可以为其它桥梁的防洪影响分析工作提供一定的借鉴和帮助。

[1] 吴昊潼．涉河桥梁防洪评价中应注意的几个问题[J].海河水利，2013(4):9-11.

[2] 杨文海，路志强，刘涛.跨河桥梁防洪影响评价研究[J].水资源与水工程学报，2013，24(2):163-169.

[3] 吴雪茹．桥墩一般冲刷计算研究[J].水运工程，2007(2):27-30.

[4] 吴持恭．水力学(上)[M]．北京:高等教育出版社，2007.

[5] 高冬光．公路桥涵设计手册·桥位设计[M]．北京:人民交通出版社，2011.

[6] 中华人民共和国交通运输部.JTG C30-2015 公路工程水文勘测设计规范[S].北京：人民交通出版社，2015.

Influences of crossing bridge on flood control

GUO Xuanying,AN Hangyong,WANG Kai

(NorthChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,Zhengzhou450045,China)

Construction bridge over the river directly affects the safety of flood passage and dike. Backwater and erosion are two main aspects influencing flood flowing in river and dike safety. This paper introduces a calculation method for crossing bridge influence on flood control. And it is analyzed that the influence of backwater and erosion on flood flowing in river and bridge safety with reference to a crossing bridge of Taiyuan-Macao highway.

flood defense influences evaluation; backwater; erosion

郭选英(1963-)，女，教授，主要从事工程泥沙及河流动力学研究。E-mail：980572623@qq.com

U442.3

A

2096-0506(2015)06-0033-03