跨河桥梁及施工对河涌防洪引水与排水影响分析.pdf

2 0 1 4 年第 1 期 东北水利水电 规划设计 [ 文章编号] 1 0 0 2 --0 6 2 4 ( 2 0 1 4 ) 0 1 —0 o o 3 一O 2 跨河桥梁及施工对河涌防洪 引水与排水影响分析 朱秋菊， 冯志鹏， 郑江丽 ( 珠江水利委员会珠江水利科学研究院， 广东 广州 5 1 0 6 1 1 ) [ 摘 要】 文中通过建立一、 二维数学模型， 较为合理地模拟计算了广州市海珠 区某立交工程跨 河桥 梁工程对周边河网的影响 ， 得 出该工程建设后对周边河涌防洪、 排涝、 河势稳定、 通航等 影响不大， 施工期不影响该片区河涌正常引、 排水。 [ 关键词] 引水 ； 排水； 防洪； 排涝； 跨 河桥梁工程 [ 中图分类号】 X1 4 3 [ 文献标识码】 A 1 研 究背景 2 0 0 9 年， 为缓解城市交通压力 ， 适应 2 0 1 0 年广州亚运 会举办的道路交通需求 ， 促进城市发展 ， 广州市拟在海珠 区建设某快速路立交工程 。该区内河网密布 ， 内部水系与 外江相连 ， 水系复杂 ， 施工难度较大。 南洲立交工程跨河桥梁工程设计防洪标准为 1 0 0年 一 遇 ， 跨河桥梁工程与河网内 3条河涌相交 ， 其 中纵向跨 黄冲涌( 河涌内布置直径 1 ． 2 m的桥墩 8 个 ) ， 横跨土华涌 ( 河涌内布置直径 1 ． 2 I T I 的桥墩 2 4 个 ) 、 石榴岗河 ( 河涌 内 布置直径 1 ． 2 m 的桥墩 2 1 个) ，所跨土华涌断面宽约 2 4 0 m， 所跨石榴岗河断面宽约 6 0 m， 黄冲涌断面宽 1 0 - 2 5 m。 跨河桥梁工程实旌时， 考虑先拓宽黄冲涌河道断面 。该工 程在河涌内布置桥墩众多，跨涌桥梁阻水比在 6 ． 8 ％ ～ 1 3 ％ 之间 ，工程建设后可能对这 3 条河涌乃至周边河网的防 洪 、 排涝等产生不利影响。 由于当时要改良河网内河涌水质 ， 石榴岗河南、 北片 及北濠一 石溪片很多水闸都在施工 ，与后航道相连的河涌 涌 口的水闸除黄冲水闸已建成可使用外， 其余水闸均处于 施工阶段 ，该区河涌的换水途径只能是从石榴岗河引水 ， 从黄冲涌排水 ，黄冲涌成为唯一一个可排入后航道的通 道 ； 而南洲立交工程施工期恰与临时调水期相冲突 ， 为确 保跨黄冲涌桥梁施工期时临时调水能得到保证 ， 进行施工 期的引、 排水计算分析也是很有必要的。 2 数学模型 由于该区河网水系复杂，考虑利用一维水流数学模 型， 模拟计算工程后南洲立交工程跨河桥梁工程对附近河 网的防洪影响和施工期对该片区引、 排水的影响。 2 ． 1 数学模型基本方程 工程壅水计算采用一维明渠非恒定流数学模型， 采用 圣维南方程组 ： 寺 誓+ 警 ( ) 誓+ 誓+ 等 + g = 0 ( 2 ) 式中 ： 日 ——断面水位 ， m； 流量 ， m S ／ s ； 旷_ _平均流 速 ， u = Q ／ s ， s 为河道过水断面面积， k m 2 ； g 一重力加速度 ； B ——不 同高程下的过水宽度 ， m； g ——旁侧人流流量 ， m V s ； R — — 冰力半径， m； 才( C h e z y ) 系数； ， r— 【 置 和时间的坐标。 方程离散采用 A b b o ~6 点隐式格式 ， 该离散格式在每 一 个网格点并不同时计算水位和流量， 而是按顺序交替计 算水位或流量， 分别称为 h点和 p点。求解方法同时适用 于树枝状和环状水系， 计算网格布置为交 叉网格方式 ( 交 替水位点和流量点) 。有断面数据的点设置为水位点， 流量 点自动布置在相邻水位点的中间和水工建筑物点。 2 ． 2 研究范围及断面布置 一 维数学模型模型断面间距约 2 0 0 m。 其中断面最小 间距为 3 0 m。 一维河网水动力模型的模拟河涌 2 7 条 ， 搭建 成河网。 2 ． 3 边界条件 上游采用流量边界。片区河网内部缺乏实测流量资 料 ， 流量边界条件采用《 海珠区河涌水系规划深化实施方 案》 中 2 O 年一遇设计洪峰流量。模型中下边界均有水闸与 外江后航道隔开， 采用各水闸的实际运行水位。 2 ． 4 水闸模拟 模拟河网内有水闸 1 2 座。 根据调查 ， 海珠区的挡潮水 闸一般在涨潮时关闸挡潮 ， 落潮时开闸排涝。在这些构筑 物处 ， 圣维南方程组已经不再适用 ， 必须根据闸的水力学 特征作特殊处理 。在模型中闸通常作为流量点处理 ， 根据 水闸闸内外相临水位点的水位关系采用闸的流量公式计 算过闸流量。 3 规划设计 东北水利水电 2 0 1 4年第 1 期 3 壅水计算 由于该工程纵向跨过黄冲涌， 沿河涌 3 5 0 m范围内都 有桥墩布置 ， 占用了河道过流断面， 采用扩宽河涌断面的方 法来解决此问题。壅水计算分现状和工程后 同时考虑黄冲 涌断面拓宽和拟建工程桥墩的影响) 两种情况来考虑。 从最不利的角度考虑 ， 水闸调度分以下 7 种工况来考 虑。 工况 1 ： 现状规划河涌 ， 各水闸均定向控制， 洪水排入后 航道 ， 闸内水位高于闸外水位 ， 开闸排水 ， 反之则关闸； 工 况 2 ： 在工况 1 基础上 ， 以石榴岗河为主要研究对象 ， 与石 榴岗河相连的北片河涌不分流，土华涌下游水闸关闭 ； 工 况 3 ： 在工况 1 基础上， 以土华涌为主要研究对象 ， 石榴岗 水闸关闭； 工况 4 ： 在工况 1 基础上， 以黄冲涌为主要研究 对象 ， 石榴岗水闸、 土华涌下游水闸关闭； 工况 5 ： 在工况 1 的基础上 ， 不考虑黄冲涌的存在 ， 闸内水位高于闸外水位 ， 开闸排水， 反之则关闸 ； 工况 6 ： 在工况 5 的基础上， 关闭土 华水闸， 土华西闸， 洪水仅从石榴河水闸排入后航道 ； 工况 7 ： 在工况 5 的基础上 ， 关闭石榴岗河水闸 ， 洪水从后航道 各水闸排出。 计算结果表明， 在各种工况下， 考虑黄冲涌断面拓宽 和桥梁工程的叠加影响，水位最大壅高幅度只有 0 ． O 1 m， 水位壅高发生在各条河涌跨涌桥梁工程上下游 3 k m范围 内 ， 拟建工程实施产生的壅水对石榴岗河、 土华涌和黄冲 涌行洪影响很小 ， 对工程附近其他河涌行洪基本无影响。 4枯季施工期景观水换水计算与分析 4 ． 1 引、 排水的水闸调度原则 石榴岗河南、 北片及北濠一 石溪片引、 排水时 ， 水闸调 度遵循以下原则 ：石榴岗水闸和黄冲水闸均定向控制水 流 ， 引水从石榴岗水闸处引入， 只进不出， 当石榴岗水闸内 水位达到 0 ． 8 m景观水位时关闸； 排出则从黄冲水闸处排 出， 只出不进 ， 当闸内水位排至一 0 ． 7 m时， 或石榴岗水闸闸 内水位排至 0 m时 ， 关闸； 位于土华涌的虾九水闸( 土华水 闸) 正在修建， 土华新水闸关闭， 截断了土华涌与石榴岗河 的连通 ； 位于赤沙涌的沙涌水闸定向控制水流， 当闸内水 位高于闸外水位时开闸 ， 水流从赤沙涌流向届航道 ， 反之 关闸， 当闸外水位高于 1 ． 2 m时亦关闸。 4 ． 2 引排水计算边界 因施工期为枯水期， 故采用距离模型上、 下游边界最 近的黄埔站、 浮标厂站的 2 0 0 1 年 2 月的枯水典型潮位过程 作为上、 下游水位边界条件。 4 ． 3 引、 排水计算方案设计 对比计算工程前和施工期 2 种工况的引、 排水情况。 施工期工况 ， 河涌断面采用施工步骤中工程 占河道过 水面积最大时的河道断面。 4 4 ． 4 引、 排水计算成果分析 计 算结果表明 ，工程前 ，该 片区平均 引水流量 为 1 1 9 ． 3 3 m V s ， 引水 3 h ， 引水总量为 1 2 8 ． 8 7万 m 3 ； 平均排水 流量为 2 9 ． 7 3 m 3 ／ s ， 排水 1 3 h ， 排水总量为 1 3 9 ． 1 3万 m 3 。 因 此可以看出， 在一个潮周期内， 引水量小于排水量 ， 水可从 黄冲涌顺禾 U { j E 出。 施 工期时 ， 该片区平均引水流量 1 2 6 ． 8 4 r n 3 ／ s ， 引水 3 h ， 引水总量 1 3 6 ． 9 8 万 ； 平均排水流量 2 8 ． 6 9 m 】 ／ s ， 排水 1 5 h ， 排水总量为 1 5 4 ． 9 3 万 m 3 。 同样， 在一个潮周期内， 引水 量小于排水量， 水亦可从黄冲涌顺利排出。 对比工程前与施工期 ， 引水量均小于排水量 ， 即水均 可从黄冲涌顺利排出。且施工期引水量有所增大 ， 这是由 于施工期时黄冲涌河涌拓宽而使得施工期河涌净过水断 面面积总体大于河涌原断面面积引起的。但因受施工影 响， 排水时间较工程前长 2 h 。 5 河涌排涝调蓄能力影响分析 根据工程前后河涌容积统计 ， 工程后由于黄冲涌断面 扩宽 ， 扣除桥墩影响， 整个模型计算范围内河网涌容还有 一 定增加， 不同水位下涌容增加百分比在 1 ％ - 2 ％ 之间。 以 2 0年一遇 2 4 h时暴雨过程遭遇外江 ( 以浮标厂站 为准 ) 多年平均最高潮位潮型 ， 进行河涌调蓄计算， 计算工 况共 7 种 ， 与壅水计算工况一致。汛期排涝按照能排就排 ， 不能排尽量蓄在河涌内的原则。 计算结果表明， 在各种工况 下 ， 工程后河涌内蓄水量均有所增加 ， 而出流量相应减小。 各工况中工程后河涌内蓄水量最大增大值为 5 ． 5 8 ， 小于 河涌工程后涌容增加量 ( 最小为水位为 1 ． 4 m时的 8 ． 7 2 万 m 3 ) 。因此 ， 工程后对其附近片区排涝调蓄影响较小。 6 其他影响 6 ． 1河道冲淤和河势稳定分析 对河涌冲淤和河势稳定分析主要通过建立二维数学模 型来实现。二维模型范围主要包括有拟建跨涌桥梁的 3 条 涌， 范围小于一维模型范围； 水文计算边界条件从一维模型 中提取。计算结果表明， 工程后各河涌整体流态依然平顺 ， 工程流态变化仅局限于工程附近水域，且工程附近流速变 化幅度有限， 定型分析工程对河涌冲淤影响不大。由于各河 涌整治后河岸固化， 工程对河涌河势稳定影响有限。 6 ． 2 对第三人合法水事权益的影响 黄冲涌、 土华涌和石榴岗河规划是海珠区以后的 3 个 主航道。这 3 条河涌有 3 种船型需要保证通航 ： 龙舟、 清淤 船和施工船。工程方案基本能满足各河涌通航要求， 但工 程方案河涌中布置桥墩较多， 行船需注意安全。 根据现场调查 ， 拟建工程东岸为南洲水厂 ， 是主要的 第三人合法水事权益者。在进行工程建设的同时 ， 尽量避 免对水厂造成不利影响。 ( 下转第 6页 ) 规划设计 东北水利水电 2 0 1 4 年第 1 期 确， 运行时稳定性良好， 管理方便安全 ， 省人、 省事、 省时、 省 力； 门体为预制钢筋混凝土结构 ， 仅支承部分为金属结构。 维修方便 ， 费用低 ； 由于能准确 自动调控水位 、 就 当前水资 源短缺， 在合理使用和利用水资源方面有其独到之处。 3 ． 2 应用 在爱河流域水力发电规划的 3 9 座电站中， 有 2 0 座电 站的拦河坝拟采用水力自控翻板闸门， 总投资约 6 6 4 5 2 万 元。以石桥电站为例 ， 将翻板闸门方案和平板闸门方案进 行比较。 1 ) 工程简介 石桥水利枢纽工程位于爱河下游、 凤城市东汤镇石桥 村， 距凤城市 3 2 k m， 坝址处控制流域总面积 4 8 3 9 k m2 ， 占 总流域面积的8 2 ％。它是以发电为主， 以河道整治、 水产养 殖及旅游开发等为辅的中型水利枢纽工程。 正常蓄水位 4 7 ． 9 r t l ，防洪限制水位与正常蓄水位齐 ，平 ， 死水位为 4 5 ． 7 5 m。拦河坝长 3 3 2 ． 9 7 m， 其中电站坝段 长 4 9 ． 8 7 m、 冲砂闸坝段长 3 5 ． 5 m、 翻板闸门坝段长 1 9 5 ． 9 m、 溢流堰坝段长 2 2 ． 7 m、 挡水坝段长 2 9 m， 翻板闸门坝段 最大坝高为 1 3 ． 7 5 m。 2 ) 方案比较 翻板闸门方案和平板闸门方案工程量、 投资比铰见表1 。 表 1翻板闸门方案和平板闸门方案工程量 投资比较表 3 ) 闸型比较及选择 ①施工方法 ： 平板闸门方案的施工难度大 ， 工期长。 ②水库运用条件 ： 平板闸门方案易于管理 ， 但管理费 用高 ， 运行费用高。 ③工程量 ： 平板闸门方案增加了启闭设备及相应的混 凝土和土建工程量 ， 翻板闸门方案的工程量少。 ④工程投资 ： 翻板闸门比平板闸门方案节省 3 1 7 5 万 元 ， 翻板闸门方案优势明显。 。 综合分析 ， 翻板闸门方案工程量小、 投资少、 施工方法 简单、 运行和维护管理方便， 因此推荐翻板闸门方案做为 设计方案。 4 结 语 爱河流域水能蕴藏量丰富，爱河汛期洪峰量值较高 ， 大多数坝址处都需要较大的行洪断面 ，从调洪演算成果、 坝址河道地形、 地质条件分析 ， 大多不存在修建岸边溢洪 道的条件 ， 采取开敞式的河道泄洪比较合适 。根据坝址的 地形、 地质、 枢纽布置、 施工条件、 水库运用管理条件、 工程 量及投资等几个方面进行综合比较 ，翻板闸门原理独特、 结构简单、 制造方便、 运行安全、 造价合理 ， 适于在爱河流 域广泛应用。 [ 参 考 文 献 ] [ 1 ] S L 2 6 5 — 2 0 0 1 ， 水闸设计规范[ s ] ． [ 2 ] S L 2 0 1 — 9 7 ， 水利工程水利计算规范[ s ] ． [ 3 ] 丹东市水利勘测设计研究院． 爱河流域规划报告[ R] ． 【 收稿日期】 2 0 1 3 - 0 9 - 2 4 ( 上接第 4页 ) 7 结语 上述计算分析结果表明， 在枯季黄冲涌跨涌桥梁旆工 期能满足片区引、 排水 的需求 ； 工程建成后运行期亦基本 不会影响河涌防洪、 排涝 引排水 、 通航等正常功能。只是 工程后 ， 由于河涌内布置桥墩较多 ， 需注意行船安全。 [ 参考 文 献 】 [ 1 ] 广州水水利水电勘测设计研究院． 海珠区河涌水系规划 深化实施方案[ R] ． 2 0 0 7 ， 1 1 ． [ 2 ] 广州市水利局 中水珠江规划勘测设计有限公司． 广州 市琶洲地区河涌排水修建性详细规划[ R] ． 2 0 0 3 ， 6 ． [ 3 ] 广州市海珠区农业水利局， 广州市水利水电勘测设计 研究院． 广州市海珠区引水补水工程规划深化实施方 案调整[ R] ． 2 0 0 9 ， 1 1 ． 6 [ 4 ] 广州市水利局． 广州市市区河涌整治规划[ R] ． 2 0 0 4 ， 1 0 ． [ 5 ] 广州市水利局、 广州市水利水电勘测设计研究院． 广州 市珠江堤防整治规划[ R] ． 2 0 0 8 ， 1 1 ． [ 6 ]四平市水利勘测设计研究院深圳分院． 海珠区黄冲涌整 治及清淤工程初设报告[ R] ． 2 0 0 9 ， 9 ． [ 7 ] 广州市水利水电勘测设计研究院． 海珠区土华涌( 一期) 整治工程初设报告J R] ． 2 0 0 9 ， 8 ． [ 8 ]四平市水利勘测设计研究院深圳分院． 海珠区土华涌( 二 期) 整治工程初设报告[ R] ． 2 0 0 9 ， 1 0 ． [ 9 ] 广州市水利水电勘测设计研究院． 广州市海珠区土华涌 整治工程工程地质勘察报告( 初步设计阶段 ) [ R] ． 2 0 0 9 ， 8 ． 【 收稿15 t 期】 2 0 1 3 — 0 8 — 0 6