山區河道斜交橋梁的防洪計算分析

趙忠偉　馬亮　袁帥

摘要：山區河道彎曲狹長，洪水期峰高流急，而受地形和線位制約，很多橋梁不得不采用斜交方式跨河，進一步增加了阻水面積，給河道防洪造成很大壓力。以擬建蘭江特大橋為例，通過二維數值模型計算分析斜交橋梁扭轉橋墩和增大橋跨兩種結構優化方案對山區河道防洪和河床沖刷的影響效果。結果表明：扭轉橋墩軸線與水流方向平行可以減小斜交橋梁對河流的阻水效應，并且可以改善橋墩的挑流作用，減小河道沖刷;增大橋跨（減少橋墩阻水面積）也是減輕橋梁阻水的有效措施，再結合扭墩對橋梁結構進行優化，可以顯著減輕橋梁阻水作用，改善橋墩的挑流作用，并且減輕對河道的沖刷。

關鍵詞：山區河道;斜交橋梁;數值模型;防洪安全;河道沖刷

中圖分類號：TV214

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2019.04.004

隨著我國公路和鐵路交通建設的蓬勃發展，大量跨河橋梁的建設加大了河流的防洪壓力，尤其對于山區河流，河道彎曲狹長，洪水期峰高流急，防洪安全問題尤為突出[1]。受地形和橋梁線位等條件因素制約，很多山區橋梁不得不選擇斜交方式跨河，增大了河道內橋墩的阻水面積，進一步增加了防洪壓力，而且橋墩軸線與水流存在夾角，容易引起流向偏轉，對河床和堤岸造成挑流沖刷[2]。為避免橋墩對水流的控導作用，減緩墩柱束水和挑流作用對河床和堤岸的沖刷，很多工程采取加大橋跨和偏轉橋墩的方式減輕河道防洪壓力[3]。

山區斜交橋梁壅水計算已有經驗公式可供參考[4-5]，然而斜交橋梁的壅水特性和流場分布規律還需要結合數值模型和物理模型試驗來分析[6].目前針對此類問題的研究仍較少[7]。本文以擬建蘭江特大橋為研究對象，結合二維數值模型分析扭轉橋墩軸線方向和增大橋跨方案對河道壅水、流速改變和河床沖刷的影響，為該河段防洪影響評價提供參考依據。

1 工程概況

蘭江位于浙江中西部錢塘江水系上游，起自金華蘭溪城區三江（金華江、衢江和蘭江）口，經女埠、洲上、下埠頭至將軍巖往北人建德市境內，流經三河、麻車、大洋至建德梅城“三江口”（蘭江、新安江和富春江），貫穿蘭溪和建德兩市。蘭江屬于典型山區河道，河槽狹窄，坡陡流急，沿程有多個彎道和險灘，洪峰過流期間水位暴漲暴落。蘭江原來是砂礫石河床，局部有基巖出露。富春江水庫建成后，下游水面比降變緩，流速降低，河床有懸移質泥沙沉積。工程位置河床仍以砂礫石為主，中值粒徑21.5 mm，屬卵石范疇。

擬建蘭江特大橋位于女埠鎮下游約4 km處（見圖1），為新建金華至建德高速鐵路斜跨蘭江的一座大型橋梁，長約1 160 m。工程主跨橋梁長度200 m，采用鋼筋混凝土系桿拱橋結構，主橋墩采用橢圓墩柱結構，為減小橋墩阻水作用，擬采用扭轉橋墩或增大引橋橋跨兩種方案進行結構優化。不考慮結構優化時，橋墩軸線和橋梁軸線垂直，共有11個墩（簡稱11墩原方案）。第一種結構優化方案，不改變橋墩數量，扭轉橋墩使橋墩軸線方向與水流方向接近平行（簡稱11墩扭墩方案）。第二種結構優化方案，增大引橋橋跨，減少橋墩數量至9個，同時扭轉橋墩軸線與水流方向接近平行（簡稱9墩方案）。本研究的目的是對比分析不同方案下橋墩阻水、流場變化和河床沖刷演變情況。

2 蘭江特大橋二維數值模型

結合二維數值模型，對比橋墩與橋梁軸線垂直、橋墩與流線平行和增大橋跨3種情況下橋墩的阻水作用，分析流場的分布情況以及對河床沖刷的影響。考慮到該橋位附近河道彎曲狹長、河床地形條件復雜，模型上游截取至蘭溪水文站，下游截取至三河水位站，總長度約20.5 km。

2.1 計算原理

二維水流連續性方程如下：

2.2 計算模型和工況

模型采用非結構化網格，網格尺寸在橋墩處減小至2-3 m，橋墩外圍網格尺寸漸變至30 m（上、下游邊界處）。為削弱網格尺寸對建橋前、后計算結果的影響，建橋前、后采用同一套網格計算分析，建橋前橋墩部分過水，而建橋后剔除橋墩內部計算網格（即橋墩內部不參與計算）。根據橋梁結構優化方案，共建立6套網格進行計算分析。

模型上游取蘭溪水文站設計洪水流量過程，模型下游取三河水位站設計水位過程，梅溪和甘溪兩大支流取設計洪水流量過程，其他邊界設定為無流量邊界。橋墩內部不過水時，將橋墩周圍網格邊界設定為無流量邊界。經模型率定后，該河段河槽糙率采用0.015 -0.021.邊灘糙率采用0.022 - 0.030。

因為該河段缺乏相應水文資料，所以本次模擬計算先建立富春江庫區一維模型，通過中間三河水位站水位變化率定一維模型，率定合理后再利用工程區一維模型水位數據率定二維模型。模型率定采用“20110612”洪水，從計算結果（見圖2）可以看出，三河水位站計算結果和實測結果較為吻合，說明富春江庫區一維模型可以較好地模擬該區域水位變化情況。同時，二維模型計算結果與一維模型計算結果較為一致（見圖2），因此該二維模型計算結果較為合理。

根據《防洪標準》（ GB 50201-2014），準高速鐵路橋梁采用100 a-遇防洪標準設計，由于工程區堤防按20 a一遇洪水設防，因此本研究同時對20 a一遇洪水進行模擬計算，為蘭江大橋防洪評價提供借鑒。各工況下蘭溪水文站、甘溪、梅溪設計洪峰流量見表1。邊界洪水流量及水位過程根據蘭溪水文站典型洪水過程“19550618”洪水（見圖3）采用“峰比”放大獲得。由于洪水期三河水位站處于富春江庫區回水范圍內，因此三河水位站設計洪水位需要結合一維數值模型計算獲取，計算結果見表1。

3 計算結果分析

橋梁建成后，橋墩占用行洪面積，產生阻水和束水效應，在防洪影響評價時，通常會考慮水位壅高對橋梁和堤防的影響，以及水流變化導致的河床和堤防沖刷。本文從阻水比、壅水、流速改變和河床沖刷等方面對蘭江特大橋不同橋墩布置方案進行對比分析。

3.1 橋墩阻水比和壅水計算

橋墩阻水比反映了橋墩占用行洪面積的比例，是檢驗橋梁阻水程度的重要指標。從不同工況阻水比變化（見表2）來看，蘭江特大橋11墩原方案過水面積減幅超過9%，顯著大于文獻[8]建議的7%，可能導致墩前壅水作用顯著增強。從11墩扭墩方案來看，扭轉后橋墩在過水斷面上投影面積顯著減小，降低了橋墩的阻水作用。由此可見，與河道斜交橋梁扭轉橋墩軸線方向與水流方向平行，對降低橋墩阻水作用效果明顯，是減小斜交橋梁河段防洪壓力的有效方法。橋墩扭轉后如果阻水比仍然不滿足規范要求，可采用增大橋跨的方法進一步降低橋墩占過水面積的比率，以滿足河道行洪需求。

受橋墩阻水作用影響，橋梁上游水位壅高，對堤防防洪安全造成一定影響。壅水范圍和壅水高度是河道防洪和涉水建筑物規劃設計的重要依據，其中壅水長度是水利部門水域補償計算的重要依據，墩前水位壅高是橋梁底高程設計的重要參考數據。對比蘭江特大橋3種方案的壅水長度計算結果（見圖4，其坐標為北京54坐標系，下同）可以看出，100 a 一遇洪水經過時，11墩原方案和11墩扭墩方案橋墩壅水高度0.01 m的范圍已經超過蘭溪水文站。采用這兩種方案建橋，壅水長度計算需要進一步延長模型范圍，同時需要考慮模型上游邊界效應影響。100 a一遇洪水下，9墩方案橋墩壅水高度0.01 m的范圍達到女埠鎮下游，壅水長度接近4 km，壅水范圍明顯小于11墩原方案和11墩扭墩方案。

從現狀堤防防洪條件（20 a一遇洪水）來看（見圖5），11墩原方案橋墩壅水范圍超過7.5 km，到達黃湓大橋附近，11墩扭墩方案壅水范圍僅為4.0 km左右，較原方案縮短3.5 km.而9墩方案壅水長度不足1 km。由此可見，扭轉橋墩可以顯著降低阻水比，縮小壅水范圍.在此基礎上增大橋跨可以進一步縮小壅水范圍。

從不同洪水重現期3種方案墩前壅水高度計算結果來看，100 a一遇洪峰經過時，11墩原方案左岸主墩墩前壅水高度超過0.06 m，而橋墩扭轉后（11墩扭墩方案）左岸主墩墩前壅水高度有所降低，主跨右岸臨近的4個橋墩墩前壅水高度也有所降低（見圖6）。相比而言，20 a一遇洪水時，扭轉橋墩對降低墩前壅水高度的作用不再顯著（見圖7）。由此可見，扭轉橋墩方向有利于改善局部水流條件，減小墩前壅水高度，尤其在發生較大洪水時效果更為明顯。從整體效果來看，蘭江特大橋9墩方案墩前壅水高度相對較低，對改善局部水流條件更為有利。忽略水流的三維特征，通過二維模型計算橋墩墩前壅水高度有一定的局限性，準確描述橋墩周圍局部水流條件，還需要借助三維數值模型和物理模型試驗。

3.2 流速變化及其對河床沖刷的影響

橋墩阻水和束水效應還表現在對橋位附近水流流速的改變，從而影響附近泥沙運動。一方面，受墩前壅水和墩后尾水作用，流速降低，泥沙落淤;另一方面，橋墩擠占行洪斷面，增大橋墩兩側水流紊動作用，造成河道斷面沖刷，影響橋梁和堤防結構安全。從流速計算結果來看，建橋前100 a一遇洪峰經過橋位附近時最大流速僅為1.8 m/s，而建橋后受橋墩束水作用影響，墩間行近流速接近1.9 m/s.主墩墩頭背水側環流流速最大達到2.25 m/s。受此影響，橋墩之間河床可能存在一定沖刷作用，墩頭背水側局部沖刷作用較強。

從主墩附近流速放大結果來看，當主墩軸線與橋梁軸線垂直布置時（11墩原方案），受橋墩尾部挑流作用影響，橋墩尾部迎水側流速顯著增大，對河床產生局部沖刷作用，影響河床和橋梁結構穩定，而扭轉橋墩軸線與水流方向平行后（11墩扭墩方案），該挑流作用基本消失（見圖8）。左岸主墩與水流方向仍有一定夾角，橋墩尾部迎水側存在局部挑流作用，如果橋梁結構受力允許，可以考慮將左岸主墩軸線方向進一步微調至與水流方向平行，以減小橋墩尾部挑流對河床造成的局部沖刷。

對比11墩扭墩方案和9墩方案可知，增大橋跨（減小橋墩數量）后橋墩占用行洪面積相對較小，橋墩束水作用有所減弱，水流對河床沖刷作用也會相對減小（見圖8）。墩后尾水影響區域內流速迅速降低，泥沙可能在墩后落淤，而尾水區外流速較建橋前普遍增大，對河床有一定沖刷作用（見圖8）。

建橋后，橋位處除橋墩附近流速變化較大外，河道斷面左岸附近和右岸墩后局部（橙紅色區域）水流流速變化較為明顯（見圖9），容易造成河床和堤岸沖刷，應適當拋填碎石和進行堤岸硬化保護。對比3種方案可知，11墩原方案建橋后左岸附近和右岸局部的流速變化最大，而9墩方案影響較小。

堤防防洪現狀（20 a一遇洪水）條件下，流速分布及變化規律與設計工況（100 a一遇洪水）基本一致，其主墩墩頭附近最大流速接近2.1 m/s，墩間行近流速接近1.65 m/s。盡管二維數值模型可以反映建橋后河道的流速變化以及對河床的沖刷作用變化，但是準確模擬河道斷面流速的垂向分布和對河床的沖刷效果，還需要結合三維數值模型和物理模型研究。針對防洪影響評價需求，可以結合二維數值模型和經驗公式定量分析建橋后流速變化導致的河床沖刷變化。

3.3 河床沖刷計算

橋涵水文計算中，把河床的沖刷分解成自然演變沖刷、一般沖刷和局部沖刷三部分，并假定它們相繼進行，可以分別計算后疊加，得到墩臺的最大沖刷深度。該橋位附近河段屬典型山區河流，河床泥沙組成主要為卵礫石，自然狀態下河床相對穩定，建橋后需考慮橋位處河床一般沖刷和橋墩局部沖刷。

本次計算采用《公路工程水文勘測設計規范》（ JTG C30-2015）給出的非黏性河床河槽一般沖刷（8.3.1）和橋墩局部沖刷（8.4.1）經驗公式。經計算，100 a一遇洪峰經過時.3種方案河槽一般沖刷水深分別為8.48、8.43、8.38 m，主橋墩局部沖刷水深分別為2.38、2.08、2.03 m（見表3）。對比3種方案，河床的一般沖刷水深差別不大，但1 1墩原方案主墩軸線和水流方向存在一定夾角，墩尾挑流作用會導致局部沖刷水深較為顯著。3種方案建橋后最大沖刷水深不超過11 m，而100 a 一遇洪峰經過時橋位附近主槽水深為15.6 m，滿足沖刷最大水深要求，橋位處河床不會產生明顯沖刷。堤防現狀防洪條件下，3種方案建橋后橋下最大沖刷水深分別為9.25、8.85、8.81 m，而該洪水重現期下洪峰經過時河槽水深為13.6 m.滿足最大沖刷水深要求，建橋后河床也不會產生明顯沖刷。

4 結語

山區河道斜跨橋梁橋墩的阻水面積相對較大，具有明顯的阻水效應和繞流作用，造成河段壅水和河床沖刷，甚至可能危及堤防安全，給河段防洪造成很大壓力。扭轉橋墩使橋墩軸線與水流方向平行，或者增大橋跨（減少橋墩數量）可以減小橋墩的阻水面積。以擬建蘭江特大橋為例，通過二維數值模型分析斜交橋梁扭轉橋墩和增大橋跨對山區河道防洪和河床沖刷的影響效果。

研究結果表明，100 a一遇洪峰經過時.3種方案橋墩的阻水比分別為9. 03%、7.55%和6.59%，9墩方案橋墩水位壅高0.01 m的范圍不足4 km.壅水范圍明顯小于11墩原方案和11墩扭墩方案;建橋前，100 a一遇洪水時橋位附近最大流速僅為1.8 m/s.建橋后受橋墩束水作用影響，墩間行近流速接近1.9 m/s，11墩原方案主墩墩頭背水側環流最大流速可達2.25 m/s;100 a 一遇洪峰經過時橋位附近主槽水深為15.6 m.而3種方案河槽最大沖刷水深分別為10.86、10.51、10.42m，滿足沖刷最大水深要求。

對比3種方案可知，扭轉橋墩使橋墩軸線與水流方向平行，可以有效減小橋墩的阻水面積，降低橋墩的阻水和繞流效應，減輕斜交橋梁對河道的壅水作用，改善橋墩周圍水流條件，尤其是改善橋墩軸線與水流存在夾角時墩尾挑流造成的紊動作用，減輕橋墩附近河道局部沖刷。橋墩扭轉后，如果橋梁阻水比仍然不滿足規范要求，可采用增大橋跨的方法進一步降低橋墩占用的行洪面積，以進一步降低橋梁壅水和改善橋位附近水流條件，但可能增加橋梁工程建設成本。

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