跨河桥梁防洪评价分析_秦丽.pdf

收稿日期:2 0 2 2-1 2-0 5;修回日期:2 0 2 3-0 3-0 1作者简介:秦 丽(1 9 9 3-),女,安徽巢湖人,硕士,从事水利工程的教学与研究。第2 3卷第2期安徽水利水电职业技术学院学报V o l.2 3N o.22 0 2 3年6月J O U R N A LO FA NHU IT E C HN I C A LC O L L E G EO FW A T E R R E S O U R C E SA N DHY D R O E L E C T R I CP OWE RJ u n.2 0 2 3跨河桥梁防洪评价分析秦 丽1,胡凯旋2(1.安徽水利水电职业技术学院,安徽 合肥 2 3 1 6 0 3;2.安徽省交通勘察设计院有限公司,安徽 合肥 2 3 0 0 1 1)摘 要:文章以宿州至固镇高速公路为例,对桥梁跨河段进行设计洪水、壅水和河道冲刷分析与计算,分析评价了跨河桥梁对河道行洪、河势稳定和防汛抢险等的影响,并提出了合理的安全防护措施。关键词:跨河桥梁;壅水;冲刷;防洪评价D O I:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 6 7 1-6 2 2 1.2 0 2 3.0 2.0 0 6中图分类号:TV 6 4 1 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 1-6 2 2 1(2 0 2 3)0 2-0 0 2 3-0 5F l o o dc o n t r o l e v a l u a t i o na n da n a l y s i so f r i v e rc r o s s i n gb r i d g e sQ I NL i1,HU K a i x u a n2(1.A n h u iT e c h n i c a lC o l l e g eo fW a t e rR e s o u r c e sa n dH y d r o e l e c t r i cP o w e r,H e f e i 2 3 1 6 0 3,C h i n a;2.A n h u iT r a n s p o r tS u r v e ya n dD e s i g nI n s t i t u t eC o.,L t d.,H e f e i 2 3 0 0 1 1,C h i n a)A b s t r a c t:T a k i n gS u z h o u-G u z h e nE x p r e s s w a ya s a ne x a m p l e,t h i sp a p e r a n a l y z e s a n dc a l c u l a t e s t h ed e-s i g nf l o o d,b a c k w a t e r a n d r i v e r c h a n n e l e r o s i o no f t h eb r i d g e c r o s s i n g r i v e r s e c t i o n,a n a l y z e s a n de v a l-u a t e s t h e i m p a c to ft h eb r i d g ec r o s s i n gr i v e ro nr i v e rc h a n n e l f l o o dd i s c h a r g e,r i v e rr e g i m es t a b i l i t ya n df l o o dp r e v e n t i o na n dr e s c u e,a n dp r o p o s e s r e a s o n a b l es a f e t yp r o t e c t i o nm e a s u r e s.K e yw o r d s:r i v e rc r o s s i n gb r i d g e;b a c k w a t e r;r i v e rc h a n n e l e r o s i o n;f l o o dc o n t r o l e v a l u a t i o n跨河桥梁建设一般需要在河道管理范围内设置桥墩,这会改变河道水流的形态,影响局部冲淤平衡,对河道的行洪能力将产生一定的影响,甚至对后期水利工程管理和防汛抢险都有着较大影响。因此,为了保证河道满足一定行洪标准,保障水利工程安全,对跨河桥梁进行防洪评价是十分有必要的。1 工程概况拟建新汴河特大桥工程位于宿州市埇桥区刘庙村村北,地处新汴河河道顺直,两岸堤防距约6 0 0m,主河槽宽约1 3 0m,河底最小高程约为1 7.5m。河道滩地较宽,两岸滩地宽度约2 0 0m,高程范围2 4.1 0m2 5.0m之间。堤后为农田和村庄,地面高程约为2 4.0m。本次评价分析范围横向为新汴河左堤背水侧堤脚外2 0m至右堤背水侧堤脚外2 0m,纵向为上游6.0k m到下游6.0k m。该桥桥梁全长10 6 4.4m,桥梁按两幅桥设计,单幅桥宽1 2.7m。本桥9号1 2号墩、1 4号1 7号墩、1 9号2 2号墩上部结构采用预应力混凝土悬浇变截面连续箱梁,其他位置采用先简支后连续小箱梁;下部结构桥台采用肋板台,桥墩采用片墩、柱式墩,墩台均采用桩基础。河道管理范围内主要为8号1 9号桥墩,共1 2个桥墩,其中9号1 8号布置在两堤之间,8号、1 9号布置在堤防背水侧护堤地范围内。2 水文分析计算新汴河设有宿县水文站、团结闸水文站,均为观测新汴河流量和水位,观测系列年为1 9 6 9年至今。另外在唐河地下涵处设有水文站,观测唐河水位和流量及新汴河水位,观测系列年为1 9 7 2年至今;在新汴河干流上游支流沱河上设有徐楼闸水文站,1 9 7 0年开始观测沱河上段水位和流量,支流肖濉新河上设有符离集水文站,1 9 7 3年开始观测肖濉新河水位和流量。新汴河流域及周边雨量站点较多,在设计暴雨计算中,新汴河流域采用了3 7个雨量站资料,唐河采用了5个雨量站资料。2.1 设计水位淮北地区除涝水文设计流量计算一般以利用设计暴雨通过产、汇流推算的间接法计算为主。随着观测资料的逐年增加、暴雨统计参数、降雨径流关系的变化和面上河道开挖后汇流条件的改变等原因,具体参数虽经过了几次变动,但计算方法一直未变。为了恢复新汴河排洪排涝能力,使新汴河达到设计的防洪2 0年一遇,排涝5年一遇标准,对新汴河河道进行疏浚,疏浚后河道主要节点七岭子、濉河引河口、宿县闸等排涝水位维持原设计不变。相应的河道设计流量及设计水位如表1所列。表1 新汴河设计流量、水位表起讫地点起讫桩号距离/k m集水面积/k m2设计流量/(m3s-1)5年一遇2 0年一遇设计水位/m5年一遇2 0年一遇5 0年一遇七岭子濉河引河口0+0 0 09+0 7 29.0 739 3 65 3 59 3 02 7.1 02 6.9 02 8.5 62 8.2 62 9.3 02 8.9 8宿县闸1 2+7 6 03.6 965 6 29 0 014 6 02 6.6 9/2 6.5 92 7.9 2/2 7.7 22 8.7 0芦湾4 3+8 4 33 1.0 865 6 29 0 014 6 02 4.4 32 5.5 92.2 工程处设计流量及水位拟建工程上距京沪铁路桥约9.0k m,下距芦湾约5.7k m。两岸为新汴河大堤,河段防洪标准为2 0年一遇,除涝标准为5年一遇,最终确定工程处水位及流量如表2所列:表2 工程处除涝、设计防洪水位及流量表控制断面5年一遇除涝水位/m流量/(m3s-1)2 0年一遇防洪水位/m流量/(m3s-1)工程处2 4.8 39 0 02 6.0 014 6 03 壅水和行洪能力分析计算建桥后,由于桥墩占用过水断面面积,水流流线在墩体的上游形成收缩,下游形成扩散,加上墩体本身的阻力等因素,河道水流受桥墩的阻碍作用,桥下过水断面减少,使河流的局部阻力增大,造成局部水头损失,引起水流动能转化为势能,使桥前水位抬高,形成一定的壅水,这将会对桥位处河道的过流能力、滩槽分流比、水流速度等造成一定的影响。从防洪安全以及桥梁自身安全角度出发,本文壅水分析采用 桥渡水文 推荐的经验公式,分析计算河道设计洪水条件下的壅水。42 安徽水利水电职业技术学院学报 第2 3卷3.1 壅水高度计算根据 桥渡水文,桥前壅水高度计算公式为:Z=(2M-20)(1)其中,Z为桥前最大壅水高度,m;2M为桥下断面平均流速,m/s;20为桥前断面平均流速,m/s;为与河段特征及河滩路堤阻挡流量和设计流量比值有关的系数。3.2 壅水曲线长度计算壅水曲线长计算公式:L=2 ZI(2)其中,L为壅水曲线长度,m;Z为桥前最大壅水高度,m;I为桥址河段天然水面坡度,本次计算取1/1 00 0 0。壅水高度及曲线长度计算成果如表3所列。表3 新汴河特大桥桥前壅水计算成果表项目名称计算工况5年一遇除涝2 0年一遇防洪设计水位/m2 4.8 3 02 6.0 0 0设计流量/(m3s-1)9 0 0.0 0 014 6 0.0 0 0河道过水面积/m212 7 0.0 0 019 1 7.0 0 0桥墩阻水面积/m23 1.4 3 05 9.5 9 0建桥后河道过水面积/m212 3 8.5 7 018 5 7.4 1 0桥墩阻水占过流面积比/%2.4 7 03.1 1 0壅水高度/m0.0 0 10.0 0 2桥址河段天然水面坡度/%0.1 0 00.1 0 0壅水曲线长/m2 5.8 1 03 7.8 2 0 由表3可知,现状断面条件下,发生5年一遇除涝工况下,河道桥墩阻水面积占总过流断面面积为2.4 7%;2 0年一遇设计洪水时,河道桥墩阻水面积占总过流断面面积为3.1 1%。桥梁建成后,跨河桥梁造成了桥前水位壅高,发生5年一遇除涝水位时,河道壅水高度为0.0 0 1m,壅水曲线长度约2 5.8 1m;发生2 0年一遇设计洪水时,河道壅水高度为0.0 0 2m,壅水曲线长度约3 7.8 2m。桥墩引起的壅水高度和壅水曲线长度较小,桥墩阻壅作用对河道洪水位有一定的影响,但影响程度不大。4 冲刷淤积计算与河势影响分析建桥后,由于水流受桥墩的阻壅作用,河道中单宽流量增加,局部水面比降变陡,水流流速加大,河床可能产生一般冲刷;同时由于桥墩本身的挡水,其附近引起水流流态变化,桥墩周围出现局部冲刷。一般冲刷和局部冲刷的冲刷深度与过流条件、河道断面、河床土壤特性、阻水建筑物几何形状等因素有关。根据 公路工程水文勘测设计规范(J T GC 3 0-2 0 1 5)推荐的计算公式,对设计水位条件下引起的冲刷进行分析计算。根据地质勘查资料,桥址处河床表层主要为淤泥质粘土和粉质粘土,因此本次计算采用粘性土冲刷公式计算。4.1 一般冲刷计算(1)河槽部分。根据 公路工程水文勘测设计规范(J T GC 3 0-2 0 1 5)推荐的计算公式来计算河槽冲刷后的水深,公式如下:hp=A Q2Bchm chc530.3 31IL58(3)52第2期 秦 丽,等:跨河桥梁防洪评价分析其中,hp为河槽冲刷后水深,m;A为单宽流量集中系数,A=1.01.2;Q2为河槽部分通过的设计流量,m3/s;Bc为桥下河槽部分桥孔过水净宽,m;hm c为桥下河槽最大水深,m;hc为桥下河槽平均水深,m;IL为冲刷坑范围内粘性土液性指数,在本文IL的范围为0.1 61.1 9;为桥墩水流侧向压缩系数。(2)河滩部分。根据 公路工程水文勘测设计规范(J T GC 3 0-2 0 1 5)推荐的计算公式来计算河滩冲刷后的水深,公式如下:hp=QtBthm tht530.3 31IL67(4)其中,Q t为桥下河滩部分通过的设计流量,m3/s;Bt为河滩部分桥孔净长,m;hm t为桥下河滩最大水深,m;ht为桥下河滩平均水深,m;其余符号意义同前。4.2 局部冲刷计算当hpb12.5时,hb=0.8 3Kb0.61I1.2 5LV当hpb12.5时,hb=0.5 5Kb0.61h0.1pILV(5)其中,hb为桥墩局部冲刷深度,m;hp为河槽冲刷后水深,m;K为墩形系数;b1为桥墩计算宽度,m;IL为冲刷坑范围内粘性土液性指数,IL的范围为0.1 61.1 9;V为一般冲刷后墩前行近流速,m/s。在设计洪水条件下桥位处冲刷计算成果如表4所列。表4 新汴河特大桥桥位处冲刷计算成果表冲刷类型项目名称计算工况5年一遇除涝2 0年一遇防洪河滩河槽河滩河槽一般冲刷水位/m2 4.8 32 4.8 32 6.0 02 6.0 0流量/(m3s-1)1 7 8.6 97 2 1.3 13 6 1.2 010 9 8.8 0平均流速/(ms-1)0.4 40.8 40.4 11.0 7过水面积/m24 0 8.0 58 6 1.9 58 3 1.6 610 2 5.7 5过水净宽/m4 4 1.1 91 0 5.8 14 2 8.9 21 0 5.8 1平均水深/m0.9 28.1 51.9 49.6 9最大水深/m1.8 78.2 13.0 49.3 8冲刷后水深/m1.7 1 15.2 3 02.1 9 87.1 3 5冲刷深度/m0000墩形系数1.01.01.01.0局部冲刷桥墩计算宽度/m4.54.5冲刷深度/m0.3 8 30.4 4 6冲刷合计/m0.3 8 30.4 4 64.3 河势影响分析根据 公路工程水文勘测设计规范(J T GC 3 0-2 0 1 5)的相关规定,在确定桥梁墩台基础埋置深度时,应根据桥位河段具体情况,取河床自然演变冲刷、一般冲刷和局部冲刷的不利组合,作为确定墩台基础埋深的依据。由表4可知,桥位处河道5年一遇除涝水位,河槽一般冲刷深度为0 m,河滩局部冲刷深度为0.3 8 3m;发生2 0年一遇设计洪水时,河槽一般冲刷深度为0m,滩地局部冲刷深度为0.4 4 6m。由此可知,河槽及河滩不会发生一般性冲刷,仅桥墩周围会发生局部冲刷。近堤桥墩的局部冲刷会形成冲刷坑,对堤防岸坡的整体稳定不利,因此,为了降低大桥的建设对河势和堤防安全稳定的不利影响,建议根62 安徽水利水电职业技术学院学报 第2 3卷据计算冲刷深度适当降低墩台基底埋置深度,基底埋在墩台局部冲刷线下的深度不应小于 公路工程水文勘测设计规范(J T GC 3 0-2 0 1 5)规定的安全值,同时对河岸和堤防采用一定的冲刷防护工程措施。5 结束语(1)新汴河特大桥建成后,河道桥墩将占用行洪断面,会降低河道行洪能力。为降低桥墩阻壅的影响,需对河道进行断面补偿。桥梁建成后遭遇2 0年一遇设计洪水时,阻水面积为5 9.5 9m2,宜按照不小于阻水面积的1.2倍进行补偿,即7 1.5 1m2。同时,由于河道处两岸较为顺直,可对两岸进行对称疏浚。(2)桥梁建设及河道切滩等工程措施对岸坡安全有一定的影响,需要加强岸坡的防冲护砌,对桥址处上下游两岸河槽岸坡采取防冲护砌。建桥后断面水流流速增大,特别是近堤桥墩的局部冲刷,对堤防安全有一定的影响。为保证大桥附近上下游迎水侧堤防坡面的稳定,避免崩塌,工程建成后,需对河道左右岸堤坡进行护砌防护。(3)考虑到近堤桥墩基础施工,会对堤基产生扰动,引起局部渗透变形,对堤防安全构成威胁,应对近堤桥墩基础做局部防渗处理,同时对堤外近堤脚桥墩周边进行防冲守护,以保证堤防防汛安全。参 考 文 献1 王希衡.跨河桥梁对河道防洪的影响分析J.河北水利,2 0 2 2(6):3 9-4 0.2 李艳东.浅析跨河桥梁对河道的冲刷J.工程与建设,2 0 1 7,3 1(2):1 5 7-1 5 8,1 6 1.3 J T GC 3 0-2 0 1 5,公路工程水文勘测设计规范S.4 王明会.河口地区潮流作用下桥墩局部冲刷深度研究D.重庆:重庆交通大学,2 0 1 4.(责任编辑 汪明磊)著作权使用声明本刊已许可中国知网、万方数据、中文科技期刊数据库等网站以数字化方式复制、汇编、发行、信息网络传播本刊全文。作者相关著作权使用费及稿酬,本刊均用作为作者文章发表、出版、推广交流(含信息网络)以及赠送样刊之用途,即不再另行向作者支付。所有署名作者向本刊提交文章发表之行为视为同意上述声明。如有异议,请在投稿时说明,本刊将按作者说明处理。安徽水利水电职业技术学院学报 编辑部72第2期 秦 丽,等:跨河桥梁防洪评价分析