橋梁建設(shè)防洪計算與防洪影響分析

劉香驛

(北票市凌河保護(hù)區(qū)管理局，遼寧 朝陽 122100)

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橋梁建設(shè)防洪計算與防洪影響分析

劉香驛

(北票市凌河保護(hù)區(qū)管理局，遼寧 朝陽 122100)

新建燕陽山南路凌河大橋位于朝陽市東北部的燕都新城。燕陽山南路大橋是朝陽燕都新城路網(wǎng)的重要組成部分，將為燕都新城開辟一條新的對外交通通道，對促進(jìn)新城的迅速發(fā)展，對于促進(jìn)城市土地資源的整合，實(shí)現(xiàn)遼寧省“突破遼西北”的目標(biāo)具有重要作用。文章就此對該工程建設(shè)對防洪影響進(jìn)行了計算與分析，并對其進(jìn)行了防護(hù)綜合評價分析，旨在為工程建設(shè)提供依據(jù)和為類似工程建設(shè)提供參考和借鑒作用。

大橋；水文計算；防洪影響；重要意義；朝陽市

1　項(xiàng)目建設(shè)的意義及作用

燕都新城位于朝陽市中心城區(qū)北部，南至十家子河、北至顧同河、東至麒麟山、西至京四高速公路，總面積65 km2，其中城市建設(shè)用地面積40 km2。燕都新城暫時沒有跨越大凌河的橋梁。對河流兩側(cè)土地資源的統(tǒng)一整合與管理產(chǎn)生了一定的制約因素。燕陽山南路凌河大橋建設(shè)能夠改善朝陽市基礎(chǔ)設(shè)施條件，拓展城市發(fā)展空間，加速農(nóng)業(yè)人口向非農(nóng)業(yè)人口轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)城市飛躍發(fā)展。同時將改善大凌河兩側(cè)運(yùn)輸不暢現(xiàn)狀，是吸引企業(yè)投資的必要條件，對促進(jìn)朝陽市經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展，對落實(shí)遼寧省“突破遼西北”戰(zhàn)略具有重要意義。燕陽山南路凌河大橋建成后，與燕都新城內(nèi)公路相結(jié)合，將更快、更短的連接大凌河兩岸的燕都新城和鳳凰組團(tuán)，極大方便新城居民出行。燕陽山南路大橋是朝陽燕都新城路網(wǎng)的重要組成部分，將為燕都新城開辟一條新的對外交通通道，在城市交通中，未來將作為城市主干道使用，對促進(jìn)新城的迅速發(fā)展，進(jìn)一步完善朝陽地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，促進(jìn)城市土地資源的整合，實(shí)現(xiàn)遼寧省“突破遼西北”的目標(biāo)具有重要作用。

2　跨河橋梁建設(shè)規(guī)模

新建燕陽山南路凌河大橋位于朝陽市東北部的燕都新城，橫跨大凌河，大體呈南北走向，北接大凌河左岸(燕都新區(qū)的濱河路西路)，南接大凌河右岸鳳凰大街(朝陽市外環(huán))。根據(jù)《朝陽市燕陽山南路凌河大橋工程項(xiàng)目建議書》和《防洪標(biāo)準(zhǔn)》GB50201-94，汽車專用公路各類建筑物、構(gòu)筑物的等級和防洪標(biāo)準(zhǔn)，燕陽山南路凌河大橋?qū)佗窦壒犯綄俅笮蜆蛄汗こ蹋B接重要政治中心、經(jīng)濟(jì)中心，通往重點(diǎn)工礦區(qū)港口、機(jī)場等地。因此路基洪水重現(xiàn)期采用100 a一遇，大橋洪水重現(xiàn)期采用100 a一遇。燕陽山南路凌河大橋?yàn)橐患壒罚p向四車道，橋面寬度25.5m，橋梁全長520m，其中主橋結(jié)構(gòu)形式為五跨變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，跨徑布置為40m+3×65m+40m=275m；兩側(cè)引橋橋長及跨徑布置相同，均為五等跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，兩側(cè)引橋橋長均為122.5m，跨徑布置為5×24.5=122.5m。所有基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁。

3　防洪計算

3.1流域概況

大凌河是遼寧省西部最大河流，在朝陽市境內(nèi)流經(jīng)5縣(市)、2區(qū)，總流長為283 km，總流域面積為14162 km2，最大徑流量為15600 m3/s，最小徑流量0.09 m3/s，年平均徑流量為8.82 億 m3，可利用水總量為6.5549 億 m3。境內(nèi)共有大凌河支流22條，主要支流有大凌河西支、老虎山河、牤牛河、十家子河等。

3.2工程跨越河流斷面設(shè)計水位計算

3.2.1大橋跨越大凌河處河道斷面

根據(jù)朝陽市交通局提供實(shí)測燕陽山南路大橋橫跨大凌河處斷面數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　大凌河實(shí)測斷面成果表

3.2.2大橋跨越大凌河處水面線計算

3.2.2.1起始水位

利用朝陽市交通局提供的實(shí)測大凌河C4至C5段河道斷面進(jìn)行水面線計算。本次水面線計算時，起推斷面選C4斷面。查閱《大凌河朝陽城區(qū)段第四人工湖工程初步設(shè)計報告》，河道比降采用大凌河四湖完工河道整治后的比降為1‰。起始水位采用《大凌河朝陽城區(qū)段第四人工湖工程初步設(shè)計報告》中的水面線計算成果，詳見表2。

表2　洪水流量表

3.2.2.2水面線推求

水面線采用能量方程式進(jìn)行計算。

1)河道水面線采用以下公式推算，基本方程式為：

(1)

2)沿程水頭損失的計算。一般采用均勻流沿程水頭損失的公式計算河道漸變流的沿程水頭損失：

(2)

(3)

(4)

(5)

3)動能改正系數(shù)α。天然斷面：

(6)

(7)

(8)

4)局部水頭損失

a)河槽擴(kuò)大的局部水頭損失

(9)

ξ′=-0.5～-1.0(急劇擴(kuò)大)

ξ′=-0.1～-0.333(逐漸擴(kuò)大)

b)橋梁壅水計算如下：

公路橋壅水高度計算公式：

(10)

計算條件：①河道斷面：本次設(shè)計洪水水面線推算采用的斷面來自朝陽市交通局提供的2014年春季實(shí)測斷面(在橋梁上下游都測有斷面)；②河道糙率：大凌河在朝陽市區(qū)內(nèi)河段河道糙率參考《大凌河朝陽城區(qū)段第四人工湖工程初步設(shè)計報告》成果，并根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮后采用主槽糙率為0.024～0.026，灘地糙率為0.050～0.070。

3.2.2.3水面線計算成果

根據(jù)上述已知條件及所確定的有關(guān)參數(shù)，計算水面線結(jié)果見表3與表4：

表3　水面線成果表

表4　建橋前后水面線對照表

從水面線對比表4可見，100a一遇情況下燕陽山南路大橋局部壅水最大約為0.30m，壅水至h15斷面影響消失，20a一遇情況下燕陽山南路大橋局部壅水最大約為0.24m，壅水至C5斷面影響消失。分析由于新建燕陽山南路大橋工程，橋墩與引橋的迎水面阻水面積較大，阻水面積減少了河道行洪斷面面積，因此對河道過流能力產(chǎn)生了影響。并使上游已建橡膠壩工程在100a一遇洪水情況下壅水增加0.23m，20a一遇洪水情況下壅水增加0.22m，對橡膠壩段的泄流產(chǎn)生了一定影響，因此需采取一定的措施，以減少大橋?qū)π泻榈挠绊憽?/p>

3.3沖深計算

在河道上修建橋梁后，橋下水流受橋墩的阻壅作用，河道中單寬流量增加，局部水面比降和流速加大，導(dǎo)致河床產(chǎn)生一般沖刷，同時在橋墩附近形成復(fù)雜的流態(tài)，導(dǎo)致橋墩周圍出現(xiàn)局部沖刷。由于水流流態(tài)的改變，橋下流速增大，河槽也產(chǎn)生沖刷。沖刷深度計算按《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》計算[4]。

3.3.1一般沖深計算

河槽部分按下列公式進(jìn)行計算：

(11)

經(jīng)計算，100a一遇洪水情況下，一般沖刷深度為2.15m。

3.3.2局部沖刷計算

計算公式如下：

(12)

經(jīng)過計算橋址處局部沖刷深度為3.18m。

由計算結(jié)果得出，100a一遇洪水總沖刷深度5.33m。

經(jīng)以上計算，設(shè)計流量通過時，橋下主河床的部分沉積層將被沖走。橋墩附近發(fā)生局部沖刷，故建議在沖刷影響范圍內(nèi)，河道兩岸應(yīng)采用有效措施，以抵御水流沖刷。

3.4河勢影響分析計算

在河道上修建橋梁后，橋下水流受橋墩的阻壅作用，河道中單寬流量增加，局部水面比降和流速加大，致使河床產(chǎn)生一般沖刷，同時在橋墩附近形成復(fù)雜的流態(tài)，導(dǎo)致橋墩周圍出現(xiàn)局部沖刷。經(jīng)計算橋下河床部分一般沖刷深度2.15 m，橋墩附近局部沖刷深度為3.18 m，可見建橋?qū)觿莘€(wěn)定有一定影響[1]。

4　防洪影響綜合評價

4.1對行洪安全的影響分析

燕陽山南路凌河大橋建設(shè)后，橋墩將占用河道行洪面積，對河道形成阻水作用，在設(shè)計100 a一遇洪峰流量下，橋墩阻水情況如下：

燕陽山南路凌河大橋阻水面積為206m2，河道過水面積3036m2，阻水面積占河道過水面積的6.8%。大橋建成后因橋墩和引橋占用行洪面積，橋孔壓縮水流，使橋位及上游四道橡膠壩洪水水位壅高。經(jīng)前面分析計算，在100 a一遇設(shè)計洪峰水位下，橋墩前壅高最大值為0.30m，四道橡膠壩洪水水位壅高0.23m，壅水影響范圍在1400m左右。橋址處水位161.73m，水面寬度620m，阻水橋墩16個，單個橋墩阻水寬度1.8～2.2m，加上引橋有100m阻水，斷面縮窄率達(dá)到21.8%。橋梁支座與梁底板高程161.56，不能滿足設(shè)計規(guī)范要求。綜合考慮在大橋建成后，本項(xiàng)目建設(shè)會影響河道水位變化，對河道行洪有一定影響[2]。

4.2對河勢穩(wěn)定的影響分析

4.2.1對流速的影響

相應(yīng)設(shè)計100 a一遇洪峰水位下，由于橋建成束窄了行洪斷面，加大了橋下游的洪水流速，橋斷面的流速增大了0.2m/s,增大幅度為6%。流速的增大增加了水流的紊動程度，特別是加大了橋墩附近及下游河岸沖刷。

4.2.2對流向的影響

燕陽山南路凌河大橋走向與大凌河水流方向正交不會改變水流方向，對河流不會有影響。

4.2.3對河床的影響

由于橋梁的建成加大了下游的流速，使橋梁跨越大凌河段一般沖刷深最深可達(dá)2.15m，洪水過后可使河床局部下切，對河勢有一定影響[3]。

4.3對防汛搶險的影響分析

燕陽山南路凌河大橋橫跨大凌河，建成后接通左岸防汛搶險路與右岸環(huán)城路，使凌河兩岸的交通更加方便，有利于防汛搶險的交通。不會對防汛搶險產(chǎn)生不利影響。

4.4工程對防洪工程及其它水利工程的影響

本工程施工過程中，會破壞橋址附近河道兩岸堤防、岸坡和相關(guān)配套設(shè)施，并減小河槽的行洪斷面，對泄洪產(chǎn)生影響。同時根據(jù)前面水面線計算分析可知上游第四道橡膠壩泄洪時水位會最高壅高0.30m，因此會對上游的第四道橡膠壩址位置的泄洪產(chǎn)生影響。

4.5與現(xiàn)有規(guī)劃的關(guān)系與影響分析

本工程涉及大凌河流域河道生態(tài)治理規(guī)劃、大凌河流域采砂規(guī)劃及朝陽市總體規(guī)劃。朝陽市燕陽山南路凌河大橋建設(shè)工程屬于朝陽市燕都新城建設(shè)內(nèi)容之一，符合朝陽市城市整體規(guī)劃原則；大橋竣工后，可連接大凌河兩岸，對大凌河流域河道生態(tài)治理、環(huán)境保護(hù)、交通要求等方面都起到積極的促進(jìn)作用，對規(guī)劃的實(shí)施均無影響。施工期會破壞岸坡綠化帶，還會有永久占用綠化帶的橋墩及引橋，但是占用面積較小，對河道生態(tài)治理規(guī)劃影響也比較小。大橋位于采砂規(guī)劃中所劃定的禁采區(qū)，因此對采砂規(guī)劃沒有影響。

5　結(jié)　論

通過對朝陽市燕陽山南路凌河大橋建設(shè)工程跨河的計算分析，項(xiàng)目建設(shè)在一定范圍內(nèi)會影響河道的水位變化，對河道行洪有一定影響。由于橋建成束窄了行洪斷面，加大了橋下游的洪水流速，流速的增大增加了水流的紊動程度，特別是加大了橋墩附近及下游河岸沖刷。大橋橫跨大凌河，建成后接通左岸防汛搶險路與右岸環(huán)城路，使大凌河朝陽城區(qū)段兩岸的交通更加方便，有利于防汛搶險的交通。

[1]吳兵.淮河入海水道橋梁工程防洪影響評價的難點(diǎn)與對策[J].水利規(guī)劃與設(shè)計，2013(08)：8-10，28.

[2]張軍，于得萬.石油管道穿越河渠工程的防洪影響分析[J].水利規(guī)劃與設(shè)計，2013(10)：20-22，38.

[3]張?zhí)烊?山區(qū)河道防洪堤規(guī)劃建設(shè)關(guān)鍵性問題探討[J].水利規(guī)劃與設(shè)計，2013(04)：14-17.

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2016-03-25

劉香驛(1965-)，女，遼寧北票人，工程師，研究方向?yàn)楹拥馈⒎姥纯购蹬c水利工程等。

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