沈陽滿都戶大橋改建工程防洪評價要點(diǎn)

周 哲

(沈陽市交通運(yùn)輸事務(wù)服務(wù)與行政執(zhí)法中心 沈陽市 110000)

1 概況

沈陽沈環(huán)線滿都戶大橋改建工程位于遼中境內(nèi)，目前該橋與遼河大橋同屬于沈環(huán)線上跨遼河的橋梁，現(xiàn)狀滿都戶大橋位于遼河大橋的西側(cè)，兩橋相距70m，該橋與遼河大橋已經(jīng)一并評定為需改建橋梁；擬建設(shè)方案為拆除原滿都戶大橋、遼河大橋及兩橋之間的70m路基，在原滿都戶大橋下游側(cè)凈距1m處新建滿都戶大橋。該項(xiàng)目需開展前期工作，防洪評價工作是橋梁建設(shè)前期工作的重中之重，直接影響到橋梁建設(shè)規(guī)模以及對遼河防洪的影響(和河道沖刷)。

從防洪評價角度對該橋的擬建長度進(jìn)行分析，是否對遼河水位及相關(guān)防洪規(guī)劃和工程設(shè)施(河道)造成影響。評價工作主要是從以下程序開展：

(1)收集遼河流域相關(guān)的水文資料進(jìn)行水文分析；

(2)根據(jù)水文資料對該橋位進(jìn)行水力計(jì)算；

(3)河道沖刷計(jì)算。

2 水文資料及水文分析

水文資料來源：遼河流域自1932年先后建立了水位站和水文站，各主要支流均設(shè)有水文站，基本反映了個河流的來水量；實(shí)測資料均經(jīng)過整編刊印，并經(jīng)過內(nèi)、外業(yè)調(diào)查分析確定。各測站的主要資料年限表如表1所示。

3 水力計(jì)算

3.1 一維水力計(jì)算

(1)水面線計(jì)算

表1 遼河各主要站資料年限表

河道水面線采用恒定非均勻流公式推算。基本方程式為：

K=K左灘+K右灘+K主槽

ΔZ—上下游水位差；

L—上下游流心距；

V上—上游斷面平均流速；

V下—下游斷面平均流速。

(2)橋梁壅水計(jì)算

公路橋壅水高度計(jì)算采用公路設(shè)計(jì)規(guī)范推薦的公式：

式中：ΔZ—橋下最大壅水高度(m)；

η—系數(shù)，應(yīng)按表-2的規(guī)定取值；

V0—斷面平均流速，為設(shè)計(jì)流量被全河過水?dāng)嗝?包括邊灘和河灘)除得之商(m/s)；

V—橋下平均流速，應(yīng)按表3規(guī)定計(jì)算求得(m/s)。

表2 η系數(shù)

表3 橋下平均流速

3.2 計(jì)算范圍

計(jì)算范圍從遼中環(huán)線高速橋斷面至L116斷面，計(jì)算范圍內(nèi)河道全長24883m，布置河道計(jì)算橫斷面11個(圖1，斷面-7為本項(xiàng)目位置)。

圖1 水面線計(jì)算斷面位置示意圖(斷面-7為本項(xiàng)目位置，粗線所示)

3.2.1計(jì)算頻率及流量

擬建橋梁工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇；所在遼河河段設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)也為100年一遇，擬建工程位于石佛寺水庫下游，其組合設(shè)計(jì)流量受石佛寺放流控制，根據(jù)水文計(jì)算成果，斷面1～斷面7(屬卡力馬～盤山閘區(qū)段)100年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量取5000m3/s，斷面8～斷面11(屬巨流河～卡力馬區(qū)段)100年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量取5250m3/s。

3.2.2計(jì)算地形資料

擬建橋梁所在遼河河段計(jì)算采用平面地形資料為2011年實(shí)測1∶1萬平面地形圖；經(jīng)多方面資料收集，目前工程所在河段橫斷最新資料為2011年測量成果，因此本次水面線計(jì)算橫斷面采用2011年測量結(jié)果，其中橋址附近斷面采用本次2018年實(shí)測橫斷資料。

3.2.3起點(diǎn)水位

本次計(jì)算選取高速橋斷面為水面線計(jì)算起始斷面，該斷面100年一遇設(shè)計(jì)洪水下，相應(yīng)起點(diǎn)水位為18.20m。

3.2.4河道糙率

本次主河槽根據(jù)河段河床質(zhì)及河道的平面形態(tài)等參照《水力學(xué)計(jì)算手冊》進(jìn)行取值，取值范圍為0.018～0.024；灘地糙率主要利用洪痕等資料進(jìn)行驗(yàn)證，并結(jié)合遼河現(xiàn)有河灘地植被，參照《水力學(xué)計(jì)算手冊》中天然河道糙率表確定，取值范圍為0.038～0.13。

3.2.5計(jì)算工況

本次一維水力計(jì)算，分別在以下四種工況條件下進(jìn)行：

(1)工況一：維持現(xiàn)狀，原有舊橋情況；

(2)工況二：橋梁拆除，無跨河橋梁情況；

(3)工況三：改擴(kuò)建工程建設(shè)期，新橋建成，老橋尚未拆除，新舊橋梁同時存在情況；

(4)工況四：橋梁改擴(kuò)建工程完工后，即新建橋梁通車，老橋拆除完畢，僅有新建跨河橋情況。

3.2.6計(jì)算成果分析

根據(jù)選定的河道糙率、河底、起點(diǎn)水位，四種工況下，工程位置處水面線計(jì)算成果見表4。

3.2.7橋梁運(yùn)行期水面線計(jì)算結(jié)果對比分析

工程所在位置處發(fā)生100年一遇設(shè)計(jì)洪水時，設(shè)計(jì)流量5000m3/s，橋址下游河道斷面橫向?qū)?900m，其中灘地總寬3366m，主槽寬534m，全斷面過流，設(shè)計(jì)洪水位19.8m。左灘過流寬度1353.5m，過流量1057m3/s，占總過流量的21.1%，左灘流速0.3m/s；主槽過流寬度534m，過流量2274m3/s，占總過流量的45.5%，主槽流速0.71m/s；右灘過流寬度2012.5m，過流量1669m3/s，占總過流量的33.4%，右灘流速0.27m/s。灘地過流能力占總過流能力的54.5%，主槽過流能力占總過流能力的45.5%，此處河道以灘地過流為主。

表4 遼中環(huán)線高速橋至斷面-11段水面線計(jì)算成果表

橋梁改擴(kuò)建之前，舊橋所在位置處發(fā)生100年(50年)一遇設(shè)計(jì)洪水時，舊橋橋址處水位為19.99m，橋梁壅水為19cm，與省內(nèi)平原區(qū)其它跨河橋梁相比較，壅水值較高，舊橋阻水較嚴(yán)重。究其原因，主要是因?yàn)榕f橋建成后引道壓縮了2522m河道自然過流寬度，造成河道水流流態(tài)發(fā)生變化。

根據(jù)水力計(jì)算結(jié)果，這次新擴(kuò)建的1029m主橋，屬于原舊橋引道區(qū)及兩舊橋路基連接區(qū)，臨近現(xiàn)狀主河槽，且地勢相對較低，受地形影響，打通后其對河道水位降低作用較為明顯，在遼河100年一遇設(shè)計(jì)洪水條件下，主橋擴(kuò)建1029m后，河道內(nèi)橋梁壅水僅為4cm；壅水影響長度880m。由此可見，雖橋址處現(xiàn)狀河道過流斷面寬達(dá)3.9km，但過流能力較強(qiáng)的部位集中在現(xiàn)狀主河槽及其兩側(cè)，寬度約為2.2km，過流能力占全河道的79.5%，河槽其余兩側(cè)灘地雖有1.7km寬，但過流量較小，其過流能力僅占全河道的20.5%。

按設(shè)計(jì)部門提供的方案，根據(jù)水力計(jì)算結(jié)果，遼河100年一遇設(shè)計(jì)條件下，橋址處設(shè)計(jì)洪水位為19.84m；新建滿都戶大橋梁底高程為21.92～24.12m，100年一遇設(shè)計(jì)水位下梁底凈空為2.08～4.28m，滿足河道行洪要求。

因此，按照設(shè)計(jì)部門提供的橋梁改擴(kuò)建方案，可明顯改善原跨河橋的阻水問題，橋梁壅水大幅降低；與上下游臨近的其它跨遼河橋相比，其壅水高度相對較小，橋梁建設(shè)對河道行洪影響微小。從行洪安全和經(jīng)濟(jì)合理性兩方面綜合考慮，本次改擴(kuò)建工程橋梁的設(shè)計(jì)方案基本可行。

新橋建成后，舊橋未拆除前，河道內(nèi)新舊橋梁橋墩共存，由于舊遼河橋單孔跨徑為22.2m，舊滿都戶大橋單孔跨徑為16m，新建滿都戶橋單孔跨徑為30m，因此新舊橋墩之間錯孔布設(shè)，增大了河道內(nèi)的阻水面積，進(jìn)一步影響河道行洪。根據(jù)分析計(jì)算，該工況下，100年一遇設(shè)計(jì)洪水時，橋址處水位壅高值為0.21m，較原橋壅水值相比，增大0.02m，對現(xiàn)狀行洪條件的影響不大。橋址處現(xiàn)狀兩岸堤頂高程分別為21.7m(左岸)、21.2m(右岸)；均高于該工況下100年一遇水位；因此，工程建設(shè)期間，不會降低兩岸堤防的防洪能力，基本可確保所在河段防洪安全。

4 河道沖刷計(jì)算

4.1 計(jì)算方法

橋梁墩臺沖刷包括一般沖刷、局部沖刷和河床自然演變沖刷，沖刷深度是三者的總和。洪水沖刷過程中，上述三種沖刷是交織在一起同時進(jìn)行的。本次計(jì)算只考慮一般沖刷和局部沖刷。為了便于分析計(jì)算，假定局部沖刷是在一般沖刷完成后的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，沖刷深度為這兩種沖刷深度的疊加。

橋梁工程計(jì)算河床沖刷的最大深度的公式目前主要采用《公路工程水文勘測設(shè)計(jì)規(guī)范》提出的針對非粘性土和粘性土對橋下的河床一般沖刷的計(jì)算公式。根據(jù)該工程處的地質(zhì)勘測報告可以看出，工程所在河段主要由粉質(zhì)黏土和粉砂組成，本次按粘性河床計(jì)算。具體計(jì)算公式如下：

(1)一般沖刷河槽部分

式中：hp—橋下一般沖刷后的最大深度(m)；

Qp—設(shè)計(jì)流量(m3/s)；

Q2—橋下河槽部分通過的設(shè)計(jì)流量(m3/s)，當(dāng)橋下河槽能擴(kuò)寬至全橋時，Q2=Qp；

Qc—天然狀態(tài)下河槽部分設(shè)計(jì)流量(m3/s)；

Qt1—天然狀態(tài)下橋下河灘設(shè)計(jì)流量(m3/s)；

Bcj—建橋后橋下斷面河槽寬度(m)，一般情況下Bcj=L，只有當(dāng)橋孔壓縮部分河灘，而橋下河槽又不能擴(kuò)寬時，Bcj=Bc；

Bc—河槽寬度(m)；

λ—設(shè)計(jì)水位下，在Bcj寬度范圍內(nèi)橋墩阻水總面積與過水面積的比值；

μ—橋墩水流側(cè)向壓縮系數(shù)；

hcm—橋下河槽部分最大水深(m)；

hcq—橋下河槽平均水深(m)；

Ad—單寬流量集中系數(shù)；

Bz、Hz—造床流量下的河槽寬度和平均水深(m)，對復(fù)式河床可取平灘水位時河槽平均水深。

(2)一般沖刷灘地部分

式中：Q1—橋下河灘部分通過的設(shè)計(jì)流量(m3/s)；

htm—橋下河灘最大水深(m)；

htq—橋下河灘平均水深(m)；

Btj—河灘部分橋孔凈長(m)。

(3)局部沖刷

由于橋墩阻礙了水流，被阻水在橋墩周圍以旋渦的形式與河床泥沙發(fā)生作用，在建筑物周圍，特別在迎水面附近產(chǎn)生沖刷坑。

式中：hb—局部沖刷深度(m)；

Kζ—橋墩系數(shù)，取1.1；

B1—橋墩計(jì)算寬度(m)；

hp—橋下一般沖刷后的最大深度(m)；

IL—沖刷坑范圍內(nèi)黏性土液性指數(shù)，使用范圍0.16～1.48。

4.2 計(jì)算條件

新建滿都戶大橋橋梁主橋跨徑布置為80×30m=2400m，橋梁13#～30#橋墩位于河道主河槽內(nèi)，0#橋臺和1#～12#橋墩位于河道左岸灘地內(nèi)，31#～79#橋墩和80#橋臺位于河道右岸灘地；橋墩為圓形橋墩，直徑為1.4m(0#和80#橋臺墩柱直徑為0.8m)。擬建工程所在位置處，河道主河槽寬534m，左岸灘地長約1353.5m，右岸灘地長約2012.5m。

擬建工程設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，所在河道設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇。由于工程位置處50年和100年一遇水位基本一致，本次僅對工程所在位置處100年一遇設(shè)計(jì)洪水條件下的沖刷深度進(jìn)行計(jì)算。

4.3 計(jì)算成果分析

本計(jì)算結(jié)果只針對工況四，即新建橋梁通車，老橋拆除完畢，僅有新建跨河橋梁的情況，沖刷計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 擬建橋梁所在河段處沖刷計(jì)算結(jié)果(單位：m)

根據(jù)計(jì)算的沖刷成果，新建滿都戶大橋處橋梁100年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)下主河槽沖刷深度分別為3.75m，止沖高程分別為10.05m；灘地沖刷深度為1.39m，止沖高程分別為14.14m。新建橋梁樁基礎(chǔ)長35m，埋深大于橋址處河道沖刷深度，基礎(chǔ)埋深滿足河道沖刷要求。

5 結(jié)語

沈環(huán)線滿都戶大橋的防洪評價是從多方位對遼河水域的影響進(jìn)行分析，通過水力計(jì)算分析了四種工況下對河道行洪的影響，本橋的改建以及建設(shè)期間對遼河的行洪能力影響微小，從行洪安全和經(jīng)濟(jì)合理性兩方面綜合考慮，本次改擴(kuò)建橋梁的設(shè)計(jì)方案基本可行。同時，根據(jù)《公路工程水文勘測設(shè)計(jì)規(guī)范》從橋梁對阻水、壅水及河道沖刷角度進(jìn)行計(jì)算分析，橋梁的基礎(chǔ)埋深對新建橋梁樁基礎(chǔ)長度設(shè)置和埋深滿足河道沖刷要求。本文對公路橋梁的長度設(shè)置、跨徑組合以及基礎(chǔ)沖刷等參數(shù)確定，具有參考意義。