基于GIS和赋权法的大型桥梁防洪影响评价.pdf

为确保新建跨河桥梁运行安全及河道行洪安全,提出基于G I S和赋权法的大型桥梁防洪影响评价方法.以白沙溪大桥作为研究对象,基于G I S获取大型桥梁防洪影响评价数据,制定设计洪水位、河道壅水高度、洪水冲刷度为大型桥梁防洪影响评价指标,基于赋权法确定评价指标权重,构建大型桥梁防洪影响评价模型.通过二维数学模型获取评价成果,综合评价指数 ,属于影响较小级别,说明本次白沙溪大桥施工对防洪基本无影响.关键词:G I S;赋权法;防洪影响评价;白沙溪大桥中图分类号:T V ;U 文献标志码:A文章编号:()收稿日期:作者简介:张晓沛(),女,浙江杭州人,工程师,研究方向为地表水资源论证或防洪影响评价.E m a i l:k o n g u u c o m.近些年来,洪涝灾害在我国频繁出现,在带来巨大经济财产损失的同时,甚至威胁着人们的生命安全.我国针对防洪评价等相关问题的研究颇多,王鹏全等通过定性加定量的方法,设计一种防洪评价的结构框架,对跨河桥梁施工技术具有一定参考意义;倪晋等针对淮河流域冯铁营银河工程,提出一种水动力数学模型,实现防洪效益及影响的客观评价.本文以白沙溪大桥的防洪影响评价为实例,全面研究大型桥梁施工对河道防洪的影响,望有助于降低跨河桥梁建设对水利工程的不良影响.研究实例概况位于重庆巫镇的白沙溪大桥,在桩号Z K 及YK 处的桥段跨过白沙溪.白沙溪大桥跨河处跨径均为 m,其中左幅跨径为 m,且右幅跨径为 m.在桥梁施工时,于白沙溪河道中布设排个桥墩,且左右幅的桥墩位于同一水流方向上.白沙溪大桥的基础采用桩基础,预应力混凝土T梁结合预应力混凝土连续箱梁的形式构成桥梁上部结构,柱式墩构成桥梁下部结构.由于白沙溪起点位于沙金安渡槽,终点位于金华江汇水口,全长约为 k m,属于市级河道,所以白沙溪的主要功能就是行洪排涝.在白沙溪大桥跨越河道的桥段位置处,现状河宽 m,河底高程为 m,金华市婺城区白沙溪河道治理规划 中指出,白沙溪大桥工程项目所在河段控制最小堤距应 m,所以该现状河宽满 足 规 划 要 求,河 道 的 北 岸 堤 顶 高 度 大 约 m,南岸堤顶高度大约 m,两岸堤防是一级斜坡式的防洪堤.大型桥梁防洪影响评价指标研究 计算设计洪水位本文为方便计算,参考上述获取的河道断面数据,然后获取不同水位下的河道输水断面面积以及水力半径参数,再根据白沙溪大桥的实际情况,选取合适的河道输水断面比降参数以及河床糙率系数,通过曼宁公式计算白沙溪不同洪水位的过流能力,进而确定白沙溪大桥的水位流量关系,如式():LcS rb()式中:L为 白 沙 溪 大 桥 断 面 的 河 道 流 量 数 据,m/h;c为河床糙率系数;S为河道输水断面面积数据,m;r为河道断面的水力半径数据,m;b为河道输水断面比降参数,.其中S、r和b数据需要结合文中上述内容获取的白沙溪大桥相关数据以及已有研究成果来确定,c则参考天然河床糙率表进行取值.然后根据恒定非均流公式来计算设计洪水位,如式():W()Lg SDLVW()Lg SDLV()式中:W、W为白沙溪上游与下游的输水断面水位数据,m;V、V分别为白沙溪上游与下游的输水断面的输水效率数据,m;为河道动能修正系数值;为河道水头损失系数值;g为河流流动时的重力加速度数据,m/s;D为白沙溪河道断面之间的距离数据,m.根据此公式获取到白沙溪上游与下游输水断面水位数据,以此逐段获取设计洪水位,然后将设计洪水位作为本文评价大型桥梁防洪影响的其中一个指标.计算河道壅水高度由于白沙溪大桥跨越白沙溪的主河道,并且河道中布设了排个桥墩,当在白沙溪河道进行行洪时,大桥的桥墩会占用白沙溪过水断面,所以会造成桥梁前的河道壅水高度增加 ,从而影响行洪工作.河道壅水高度的计算属于较为复杂的水力问题,其中大型桥梁的布置方式、河道的边界条件等参数均会影响壅水变化.本文将G I S获取的有效数据,结合 公路工程水文勘察设计规范(J T GC )中提出的公式,计算河道壅水高度,如式():H()VgVg()式中:H为白沙溪大桥前的壅 水高度最 大值,m;为桥墩墩形系数,根据实际情况取值;V、V为白沙溪大桥下与河道输水断面的流速数据,m/s.当在白沙溪上方建设大型桥梁时,受到桥墩的阻水效应,白沙溪过水断面的面积会降低,进而形成壅水区,严重影响行洪工作.并且河道壅水的高度与白沙溪桥梁的高度存在直接联系,涉及白沙溪上游和下游跨河建筑物的安全问题,所以本文将河道壅水高度作为评价大型桥梁防洪影响的另一个指标.计算洪水冲刷深度当白沙溪大桥修建完成时,如果白沙溪的流速比河道中泥沙起动流速快,河流会冲刷河床质,如果冲刷力度较大,会导致桥梁结构遭受一定破坏.与此同时,输沙力与河流冲刷也存在一定联系,总之,只要白沙溪的水动力环境出现改变,大桥结构就会受到相应的影响.所以需要计算白沙溪大桥工程区域进行洪水冲刷深度,本文将从一般冲刷深度与局部冲刷深度两个层面进行计算.参考规范J T GC ,其中一般冲刷深度的计算,如式():HJLP wwhm a xhXd()式中:H为白沙溪大桥的一般冲刷深度数据,m;J为跨越河道宽度流量集中系数值;LP为洪水频率为P时的流量数据,m/h;为白沙溪大桥桥墩侧向压缩水流的系数值;w、w为河槽位置处大桥桥孔的过水净宽以及河槽宽度数据,m;hm a x、h为白沙溪大桥桥下的河槽水深最大值与平均值,m;X为汛期时河道含沙量的系数值;d为河槽中泥沙粒直径的平均值,mm.基于赋权法确定评价指标权重关于大型桥梁防洪影响评价指标权重的确定,一般包括主观赋权法以及客观赋权法,本文为防止获取的评价指标权重具有主观性以及片面性,将这两种方法结合起来获取评价指标权重.首先通过主观赋权法的层次分析获得评价指标体系的原始权重数据,然后再运用客观赋权法的熵权法对原始权重数据进行排列组合,最后可以得到比较精准的评价指标组合权重数据.通过赋权法计算评价指标权重时,关键在于保持指标权重的均匀性,如式():Niqi(xi)()式中:为评价指标权重数据;N为评价指标的数量;qi为第i个赋权法的加权参数;(xi)为评价指标组合权重向量.通过此公式将主观赋权法与客观赋权法融合在一起,就可以得到大型桥梁防洪影响评价指标的最终权重.构建大型桥梁防洪影响评价模型根据文中上述内容,构建大型桥梁防洪影响评价模型如式():Zt()Nmmt()Bmt()()式中:Z(t)为t时刻的大型桥梁防洪影响评价指水 利 科 学 与 寒 区 工 程第卷数;m(t)为t时刻 第m个评价指标权重数 据;Bm(t)为t时刻第m个评价指标的标准化参数.本文为了方便评价,根据防洪影响的严重程度,将此式得到的综合评价指数划分为三个等级:无影响、影响较小、影响较大,并用,区间的自然数表示,当指数为,则表明白沙溪大桥对防洪无影响;影响最严重时,指数为.不同等级的评价指数的分级,直观地展现了大型桥梁防洪影响评价结果.评价成果为了获取本次修建的白沙溪大桥对防洪影响的评价成果,本文利用M I K E 软件对白沙溪、白沙溪大桥以及洪水进行模拟,构建一个二维数学模型,应用于白沙溪大桥的防洪影响评价中.本次模拟的二位数学模型计算区域网格为长方形网格,并且在白沙溪大桥的桥墩位置处对网格进行了局部加密.那么通过二维数学模型模拟 a一遇洪水来临的情况,获取白沙溪大桥防洪评价成果如表所示.表白沙溪大桥防洪评价成果情景桩号设计洪水位/m河段断面平均流速/ms桥前壅水高度/m总冲刷深度/m大桥Z K 修建前YK 大桥Z K 修建后YK 由表可知,白沙溪大桥修建后的河段流速与修建前相比变化较小,虽然会使白沙溪河道产生轻微淤泥,但影响范围较小,桥梁不会加剧洪水对白沙溪两岸堤防的冲刷,所以白沙溪大桥的施工对白沙溪河势稳定影响较小.通过壅水高度数据可知,桥梁施工会对白沙溪泄洪产生一定影响,但本次施工,退水管道埋在白沙溪河槽出口处,且深度较小,由于此次施工在非汛期进行的,桥梁修建结束后可以恢复白沙溪河道原貌,不会占据行洪断面,所以白沙溪大桥的施工对行洪产生影响较小.总体来说,根据二位数学模型获取的数据,计算综合评价指数为 ,属于影响较小级别,说明本次白沙溪大桥的施工,对白沙溪防洪基本无影响,只需将施工时间控制在白沙溪的非汛期即可,并且加强施工现场的管理,避免破坏河道周围生态环境.结语()大型跨河桥梁的建设工程务必在保证防洪安全基础上进行,本文在白沙溪大桥的防洪影响评价方法中结合了G I S与赋权法,通过防洪影响指标建立的评价模型,不仅可以获取直观的评价成果,而且所需成本较低.()白沙溪大桥修建后的河段流速与修建前相比变化较小,且桥梁不会加剧洪水对白沙溪两岸堤防的冲刷.此次施工在非汛期进行,桥梁修建结束后可以恢复白沙溪河道原貌,不会占据行洪断面,所以白沙溪大桥的施工对行洪产生影响较小.根据二位数学模型获取的数据,计算综合评价指数为 ,属于影响较小级别,说明本次白沙溪大桥的施工,对白沙溪防洪基本无影响.()但由于不同施工环境中的评价指标权重存在一定差异,所以本文今后的研究重点就是设计更具有适用性的评价模型,为大型桥梁修建工程提供一定理论依据.参考文献:王鹏全,吴元梅跨河桥梁工程防洪评价关键技术框架与应用J中国农村水利水电,():,倪晋,虞邦义,张学军,等淮河流域冯铁营引河工程的防洪效果及影响评估J人民长江,():熊江,唐川,龚凌枫,等基于G I S的强震区泥石流流域崩滑物源演化强度评价J地理与地理信息科学,():丛晓红,王俊英,唐伟明跨行政区域河道防洪水力计算影响因素分析J人民黄河,():,王念秦,张帅,刘鹏基于博弈论组合赋权法的泥石流灾害易发性评 价 云 模 型 J长 江 科 学 院 院 报,():第期张晓沛基于G I S和赋权法的大型桥梁防洪影响评价