橋梁工程跨越蓄洪區(qū)對(duì)防洪的影響評(píng)價(jià)

張 鵬 季益柱

（中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司 合肥 233000）

蓄洪區(qū)是指包括分洪口在內(nèi)的河堤背水面以外臨時(shí)貯存洪水的低洼地區(qū)及湖泊等。淮河干流現(xiàn)有蓄洪區(qū)6處，設(shè)計(jì)蓄洪量65.44億m3，蓄洪區(qū)的主要作用是蓄滯河道洪量，削減洪峰，減輕河道兩岸堤防和下游的防洪壓力，在歷次大洪水中發(fā)揮了重要作用。

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，交通運(yùn)輸行業(yè)投資規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，跨越蓄洪區(qū)的公路橋梁建設(shè)項(xiàng)目逐年增多，橋梁建成后，可為蓄洪區(qū)內(nèi)群眾的生產(chǎn)、生活及分洪時(shí)撤退轉(zhuǎn)移提供更為有利的交通保障，是保護(hù)區(qū)域居民生命和財(cái)產(chǎn)安全的交通命脈，建設(shè)意義重大。但是橋梁的建設(shè)也會(huì)帶來(lái)一些不利因素，如橋位斷面的過(guò)流面積會(huì)被壓縮，造成局部流速加大，壅水、沖刷和流態(tài)紊亂等會(huì)給蓄洪區(qū)的運(yùn)用、防汛搶險(xiǎn)和水利管理帶來(lái)不利影響。鑒于以上情況，在項(xiàng)目建設(shè)前對(duì)擬建橋梁工程進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和分析并作出合理的防洪影響評(píng)價(jià)是十分必要的。

本文以跨越濛洼蓄洪區(qū)的某省道特大橋工程為例進(jìn)行分析，通過(guò)收集濛洼蓄洪區(qū)基本情況、相關(guān)水利規(guī)劃和橋梁工程設(shè)計(jì)文件等資料，采用規(guī)范推薦的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行壅水和沖刷分析計(jì)算，同時(shí)，為更好地分析橋梁建設(shè)對(duì)濛洼蓄洪區(qū)運(yùn)用時(shí)區(qū)內(nèi)蓄洪水位、分洪歷時(shí)、流速過(guò)程和水流流場(chǎng)等情況的影響，采用平面二維水流數(shù)學(xué)模型對(duì)工程前后濛洼蓄洪區(qū)的水流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)分析計(jì)算成果給出橋梁工程跨越蓄洪區(qū)對(duì)防洪的影響評(píng)價(jià)結(jié)論，并對(duì)擬建工程設(shè)計(jì)和施工提出修改建議及防治與補(bǔ)救措施，減輕或降低工程建設(shè)對(duì)蓄洪區(qū)安全運(yùn)用帶來(lái)的不利影響。

1 濛洼蓄洪區(qū)和橋梁工程概況

濛洼蓄洪區(qū)是淮河防洪工程體系的重要組成部分，位于安徽省阜南縣境內(nèi)，淮河干流洪河口以下至南照集之間，南臨淮河，北臨濛河分洪道。濛洼蓄洪工程由濛洼圈堤、王家壩進(jìn)洪閘和曹臺(tái)孜退水閘等組成，圈堤長(zhǎng)94.3km。濛洼蓄洪區(qū)內(nèi)地面高程一般為26.0～21.0m，地勢(shì)由西南向東北傾斜。現(xiàn)狀蓄洪區(qū)總面積180.4km2，設(shè)計(jì)蓄洪水位27.7m，設(shè)計(jì)進(jìn)洪流量1626m3/s，設(shè)計(jì)蓄洪量7.50億m3。當(dāng)淮干王家壩水位達(dá)29.2m且有繼續(xù)上漲趨勢(shì)時(shí)，視雨情、水情和工程情況，適時(shí)啟用濛洼蓄洪。濛洼蓄洪區(qū)的主要作用是降低淮干王家壩水位，現(xiàn)狀啟用標(biāo)準(zhǔn)約為5年一遇。

擬建橋梁工程位于阜南縣中崗鎮(zhèn)、曹集鎮(zhèn)，在濛洼蓄洪區(qū)內(nèi)布置2座特大橋分別為濛洼特大橋和曹集特大橋，橋梁設(shè)計(jì)荷載公路-Ⅰ級(jí)，設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為300年一遇。其中，濛洼特大橋位于曹集鎮(zhèn)北側(cè)，橋梁北側(cè)與濛河分洪道右岸堤防平交，南側(cè)接過(guò)渡段路基，橋梁全長(zhǎng)約3000m。曹集特大橋位于曹集鎮(zhèn)東側(cè)，橋梁北側(cè)接過(guò)渡段路基，南側(cè)接區(qū)內(nèi)縣道，橋梁全長(zhǎng)2200m。濛洼蓄洪區(qū)及橋梁工程線路示意見(jiàn)圖1。

圖1 濛洼蓄洪區(qū)及橋梁工程線路示意圖

2 橋梁工程對(duì)蓄洪區(qū)運(yùn)用的影響

橋梁工程的修建對(duì)蓄洪區(qū)運(yùn)用的影響一般包括以下幾個(gè)方面：（1）對(duì)蓄洪水位的影響；（2）對(duì)分洪歷時(shí)的影響；（3）對(duì)流速過(guò)程的影響；（4）對(duì)水流流場(chǎng)的影響。上述影響均可利用平面二維水流數(shù)學(xué)模型對(duì)橋梁工程修建前后濛洼蓄洪區(qū)的水流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬后對(duì)比分析得到。

2.1 濛洼蓄洪區(qū)二維水流模型

2.1.1 控制方程及計(jì)算方法

連續(xù)性方程：

X方向動(dòng)量方程：

Y方向動(dòng)量方程：

式中：t為時(shí)間；x，y，z為右手 Cartesian 坐標(biāo)系；d 為靜止水深；h=η+d為總水深；η為水位；u，v分別為流速在x，y方向上的分量；f為科氏力系數(shù)f=2Ωsinθ，Ω為地球旋轉(zhuǎn)的角頻率，θ為當(dāng)?shù)氐木暥龋沪褳樗拿芏龋沪?為參考水密度；為地球自轉(zhuǎn)引起的加速度；sxx，sxy，syx和 syy為輻射應(yīng)力分量；Txx，Txy，Tyx和 Tyy為水平粘滯應(yīng)力項(xiàng)；Pa為當(dāng)?shù)氐拇髿鈮海籗 為源匯項(xiàng)，us，vs為源匯項(xiàng)水流流速；τsx，τsy為風(fēng)場(chǎng)摩擦力在x，y上的分量；τbx，τby為底床摩擦力在x，y上的分量。

采用非結(jié)構(gòu)有限體積法離散控制方程。有限體積法中使用的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格通常由三角形或四邊形網(wǎng)格組成，為了準(zhǔn)確擬合蓄洪區(qū)曲折的岸邊界，一般采用三角形網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。

2.1.2 模型的建立

（1）計(jì)算范圍

模型計(jì)算采用實(shí)測(cè)的濛洼蓄洪區(qū)地形資料，計(jì)算范圍為整個(gè)濛洼蓄洪區(qū)。計(jì)算范圍、保莊圩、進(jìn)出口閘門及特征點(diǎn)示意見(jiàn)圖2。

（2）糙率

圖2 計(jì)算范圍及特征點(diǎn)示意圖

濛洼蓄洪區(qū)在進(jìn)行洪水模擬的過(guò)程中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、已有項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)資料的查閱，模型中糙率選用0.05。

（3）網(wǎng)格

采用三角形網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，模型中對(duì)莊臺(tái)及橋墩等局部地區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格加密，同時(shí)扣除安崗等保莊圩的保護(hù)范圍，總共劃分了約30000個(gè)網(wǎng)格。模型網(wǎng)格劃分如圖3所示。

（4）時(shí)間步長(zhǎng)

利用有限體積法計(jì)算三角網(wǎng)格的水流模擬時(shí)，采用30s作為最大時(shí)間步長(zhǎng)，0.01s作為最小時(shí)間步長(zhǎng)。

（5）邊界條件

上游進(jìn)口邊界采用王家壩閘流量過(guò)程，下游出口邊界采用曹臺(tái)孜閘流量過(guò)程。

2.1.3 模型的驗(yàn)證

選取2003年濛洼蓄洪區(qū)進(jìn)洪后區(qū)內(nèi)洪水復(fù)演過(guò)程對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。選取2003年7月3日0∶00～7月22日0∶00作為模型驗(yàn)證時(shí)段，模擬計(jì)算濛洼蓄洪區(qū)兩次進(jìn)洪過(guò)程及第一次退洪過(guò)程，上、下邊界條件分別為2003年王家壩閘及曹臺(tái)孜閘實(shí)測(cè)流量過(guò)程，驗(yàn)證過(guò)程中需考慮該時(shí)段蓄洪區(qū)內(nèi)的降雨及蒸發(fā)量。

2003年洪水演進(jìn)過(guò)程模擬結(jié)果如圖4所示。自王家壩閘開(kāi)閘進(jìn)洪開(kāi)始，洪水到達(dá)曹臺(tái)孜閘附近，大致需要2d左右的時(shí)間。曹集水位站水位驗(yàn)證結(jié)果顯示，計(jì)算水位與實(shí)測(cè)水位吻合較好，水位平均誤差在0.06m以內(nèi)。

圖3 網(wǎng)格劃分圖

圖4 2003年濛洼洪水演進(jìn)模擬結(jié)果圖

從2003年洪水復(fù)演的模擬結(jié)果看，模型的網(wǎng)格劃分、參數(shù)取值等較合理，模型能較好地模擬濛洼蓄洪區(qū)內(nèi)洪水的淹沒(méi)過(guò)程，可應(yīng)用于工程前后區(qū)內(nèi)洪水演進(jìn)情況的分析對(duì)比。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

2.2.1 對(duì)蓄洪水位的影響

由于橋墩的阻水作用，橋墩兩側(cè)區(qū)域的水位會(huì)略微抬高。由于濛洼蓄洪區(qū)面積較大，為反映工程后蓄洪區(qū)內(nèi)蓄洪水位的變化情況，選取具有代表性的特征點(diǎn)的水位過(guò)程進(jìn)行分析。模型計(jì)算結(jié)果顯示，各特征點(diǎn)處水位的最大抬高值不超過(guò)0.005m，橋墩阻水對(duì)濛洼蓄洪區(qū)蓄洪水位的影響很小。

2.2.2 對(duì)分洪歷時(shí)的影響

對(duì)分洪歷時(shí)的影響主要表現(xiàn)為：濛洼蓄洪區(qū)分蓄洪水時(shí)，工程對(duì)洪水到達(dá)蓄洪區(qū)內(nèi)各點(diǎn)時(shí)間的影響。橋梁工程修建前后洪水到達(dá)蓄洪區(qū)內(nèi)各特征點(diǎn)時(shí)間見(jiàn)表1。由表1可以看出，橋梁工程修建后，洪水到達(dá)蓄洪區(qū)內(nèi)各特征點(diǎn)的時(shí)間基本一致。可見(jiàn)，橋梁工程的修建對(duì)洪水到達(dá)各特征點(diǎn)位置的歷時(shí)有一定的影響，但影響較小。

2.2.3 對(duì)流速過(guò)程的影響

工程沿線各特征點(diǎn)相應(yīng)的流速峰值統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。可以看出，濛洼蓄洪區(qū)分蓄洪水時(shí)，區(qū)內(nèi)洪水流速整體較小，且工程前后各特征點(diǎn)的流速峰值相差也不大。

總體來(lái)說(shuō)，工程修建后，濛洼蓄洪區(qū)進(jìn)洪時(shí)區(qū)內(nèi)各點(diǎn)的流速過(guò)程、流速峰值有所變化，但變化非常小。

表1 工程修建前后洪水到達(dá)濛洼蓄洪區(qū)內(nèi)各特征點(diǎn)時(shí)間表

表2 工程修建前后各特征點(diǎn)流速峰值及峰值出現(xiàn)時(shí)間比較表

2.2.4 對(duì)水流流場(chǎng)的影響

為分析工程修建對(duì)濛洼蓄洪區(qū)運(yùn)用時(shí)水流流場(chǎng)的影響，選取濛洼特大橋第30號(hào)橋墩為代表，圖5為濛洼蓄洪區(qū)進(jìn)洪36h后橋墩處流場(chǎng)圖。從圖中可以看出，工程修建后，橋墩附近出現(xiàn)了繞流，水流流場(chǎng)在橋墩附近有一定的變化，但影響范圍較小，僅在橋墩局部網(wǎng)格處的流速大小和流向有稍為明顯的改變，其他網(wǎng)格處的流速大小和方向并無(wú)明顯的變化。

3 蓄洪區(qū)運(yùn)用對(duì)橋梁工程的影響

蓄洪區(qū)運(yùn)用對(duì)橋梁工程自身安全的影響主要為蓄洪區(qū)運(yùn)用時(shí)對(duì)橋墩基礎(chǔ)的沖刷影響、長(zhǎng)時(shí)間的蓄洪對(duì)路基的侵泡、風(fēng)浪淘刷影響和遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水，蓄洪區(qū)堤防可能潰決的影響。

本文運(yùn)用規(guī)范推薦的公式，根據(jù)模型計(jì)算得到的流速和水深變化過(guò)程，對(duì)擬建橋梁進(jìn)行沖刷計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，橋址處不產(chǎn)生一般沖刷，局部沖刷深度為0.23cm，沖刷對(duì)橋墩基礎(chǔ)的影響較小。

根據(jù)濛洼蓄洪區(qū)歷次運(yùn)用情況，蓄洪區(qū)一般蓄洪時(shí)間較長(zhǎng)，有時(shí)持續(xù)數(shù)月，路基長(zhǎng)時(shí)間浸泡，加上風(fēng)浪淘刷及進(jìn)退水等因素，可能會(huì)對(duì)路基邊坡穩(wěn)定造成不利影響。

現(xiàn)狀濛洼蓄洪區(qū)堤防級(jí)別為3級(jí)，根據(jù)《淮河洪水調(diào)度方案》，當(dāng)淮干王家壩水位達(dá)29.2m且有繼續(xù)上漲趨勢(shì)時(shí)，視雨情、水情和工程情況，適時(shí)啟用濛洼蓄洪。因此，從風(fēng)險(xiǎn)角度考慮，當(dāng)淮河發(fā)生較大洪水時(shí)，橋址處濛洼圈堤可能會(huì)潰決，堤防潰決后洪水流速較大，將會(huì)造成大的沖刷坑，對(duì)橋墩乃至大橋的穩(wěn)定性造成較大影響，不利于橋梁安全。

4 橋梁工程對(duì)防洪工程及防汛搶險(xiǎn)的影響

橋梁工程的修建對(duì)防洪工程影響主要為對(duì)堤防和區(qū)內(nèi)莊臺(tái)安全的影響，對(duì)防汛搶險(xiǎn)的影響是橋梁施工和運(yùn)行期間對(duì)防汛搶險(xiǎn)的影響。

該工程中濛洼特大橋與濛河分洪道右堤平交，根據(jù)大橋的總體布置圖以及現(xiàn)狀堤防狀況，未在濛河分洪道右堤堤身斷面內(nèi)布置橋墩，且墩臺(tái)布置在濛河右堤的堤腳外；曹集特大橋與安崗保莊圩圩堤相距約300m，距離較遠(yuǎn)；因此大橋的布置符合《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)要求。

圖5 濛洼特大橋第30號(hào)橋墩處流場(chǎng)圖

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，擬建大橋上下游各1.0km范圍無(wú)莊臺(tái)，且橋址處目前也無(wú)規(guī)劃建設(shè)的莊臺(tái)，因此大橋的建設(shè)對(duì)莊臺(tái)無(wú)影響。

橋梁施工期間對(duì)防汛搶險(xiǎn)主要有三個(gè)方面的影響：一是施工對(duì)堤防及上、下堤道路的破壞，直接降低堤防的防洪標(biāo)準(zhǔn)；二是在堤防背水側(cè)進(jìn)行橋墩樁基基礎(chǔ)施工，鉆孔打通透水層產(chǎn)生管涌可能對(duì)堤基造成的滲透破壞；三是在蓄洪區(qū)內(nèi)堆放施工器材、工具等阻水物品，降低分蓄洪水的能力。

橋梁運(yùn)行期間對(duì)防汛搶險(xiǎn)的影響主要表現(xiàn)為濛洼特大橋與濛河分洪道右堤平交，可能會(huì)影響防汛、管理車輛的正常通行；橋梁工程在蓄洪區(qū)內(nèi)布置橋墩較多，橋墩會(huì)對(duì)分洪時(shí)救生船只形成障礙，可能給蓄洪區(qū)內(nèi)水上救生帶來(lái)影響。

5 對(duì)工程設(shè)計(jì)和施工的建議

通過(guò)上述分析及計(jì)算結(jié)果可知，橋梁工程的建設(shè)對(duì)濛洼蓄洪區(qū)正常運(yùn)用、橋梁工程本身安全運(yùn)行和現(xiàn)有防洪工程及防汛搶險(xiǎn)的影響很小，并且符合當(dāng)?shù)氐慕煌ㄒ?guī)劃要求。但工程在設(shè)計(jì)和施工安排上仍然存在一些不足之處，鑒于此本文結(jié)合蓄洪區(qū)運(yùn)用和工程實(shí)際情況，提出了修改性建議和預(yù)防性措施。

（1）建議設(shè)計(jì)單位對(duì)濛洼特大橋橋址與濛河分洪道右堤平交處上下游一定范圍內(nèi)采取護(hù)坡、護(hù)岸等工程措施進(jìn)行防護(hù)。

（2）建議設(shè)計(jì)單位根據(jù)本次計(jì)算的流量、水位成果重新進(jìn)行沖刷計(jì)算，復(fù)核橋梁樁基的承載力和橋墩基底的安全埋深。

（3）建議施工單位在汛期來(lái)臨前清理蓄洪區(qū)內(nèi)施工區(qū)一切臨時(shí)建筑物、施工器材，清除防汛道路上一切臨時(shí)障礙物，不得影響防汛車輛的通行。

（4）建議建設(shè)單位和設(shè)計(jì)單位綜合考慮橋址處濛洼圈堤可能潰決時(shí)對(duì)橋梁安全的不利影響，做好風(fēng)險(xiǎn)防范措施。

（5）建議設(shè)計(jì)單位在平交路口設(shè)置警示標(biāo)志，確保防汛、管理車輛的正常通行；在橋梁附近設(shè)立指示牌，橋梁側(cè)面及橋墩上設(shè)立反光標(biāo)識(shí)和警示標(biāo)志，保證蓄洪區(qū)水上救生船只和人員安全通過(guò)。

6 結(jié)語(yǔ)

蓄洪區(qū)是淮河防洪工程體系的重要組成部分，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，蓄洪區(qū)內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目逐漸增多，這些工程在發(fā)揮自身作用的同時(shí)也會(huì)對(duì)蓄洪區(qū)的安全運(yùn)用產(chǎn)生一定的影響。如何既滿足各行業(yè)建設(shè)的需要，又不致削弱或降低水利工程防御洪水的能力，這就要求必須加強(qiáng)對(duì)河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目的管理，在工程建設(shè)前期作出客觀、公正、合理的防洪影響評(píng)價(jià)，避免對(duì)后期運(yùn)行造成無(wú)法挽回的損失。最后，希望本文既能為加強(qiáng)河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目的管理提供技術(shù)依據(jù)，也能為今后類似工程的防洪影響評(píng)價(jià)提供有價(jià)值的理論和方法■