南沙新區上橫瀝大橋工?防洪分析與評價

趙晶晶

（廣東粵源工程咨詢有限公司，廣東 廣州510000）

1 項目基本情況

上橫瀝大橋（以下簡稱“擬建橋梁”）位于廣州南沙新區，南起橫瀝鎮西南部的現狀萬環西路，北接大崗鎮中船中路，跨越上橫瀝水道建設。橋梁長度為750m，跨徑組合為3×30+2×35+3×35+（57.5+100+57.5主橋）+2×30+3×30+4×30，分左右幅，橋寬28.0m，采用雙向六車道，城市主干路標準，設計車速60km/h。

擬建橋梁采用U型薄壁式橋臺，在河道內設置7排橋墩（橋墩編號7#～13#）；主墩（10#、11#墩）采用雙肢薄壁墩，垂直水流方向的墩寬1.25m；其余橋墩均采用花瓶墩，垂直水流方向的底部墩寬4.5m。各橋墩承臺頂高程均位于河床面以下，基樁均為端承樁，橋墩占用河道過水斷面面積阻水比約5.29%。

擬建橋梁6#、7#橋墩所跨南岸堤防為橫瀝島義沙圍，13#、14#橋墩所跨北岸堤防為大崗鎮番順聯圍，工程對橋址兩岸及上下游各50m范圍內堤防先行按照規劃200年一遇防洪（潮）標準進行加固，設計堤頂高程5.344m（采用國家85高程系統，下同），堤寬8m（含0.5m寬的防浪墻）。梁底距離兩岸堤頂的最小凈空分別是5.55m、6.92m；橋墩承臺與兩岸迎水側拋石區前沿的最近距離約1.71m，與兩岸背水側坡腳排水邊溝的最近距離約4.94m。

2 防洪分析計算

2.1 建立數學模型

目前，整個西江、北江、東江下游及其三角洲構成了一個較完整的水動力系統，西江、北江下游三角洲通過獅子洋與東江三角洲相連。由于河道的互聯互通，橋梁工程建設將引起所在河道的水位、流量發生變化，并對附近相鄰河道產生一定的連帶影響。本項目防洪分析過程主要利用一維模型計算橋墩壅水及其引起的河道斷面平均流速變化情況，利用二維模型計算工程對河道局部水流流態等方面的影響。

2.1.1 一維河網水流數學模型

（1）基本方程

一維非恒定流河網數值計算的控制方程采用較為成熟、工程應用較多的圣維南方程組（一維河網三級解法）求解：利用Preissman四點加權差分格式離散水流方程組，該差分格式穩定性好，求解速度快，能適應復雜河網的水面線計算。式中：Q為流量；Z為水位；R為水力半徑；u為流速；ql為旁側入流；n為糙率系數，可用謝才公式計算；BT為包括主河道泄流寬度和僅起調蓄作用的附加寬度；B為過流河寬；A為過水面積；g為重力加速度；x、t為空間和時間坐標。

動力連接條件Zk=Zk+1k=1，2，3…K-1，

式中：Q為節點過流量；i為表示匯集于同一節點的各河道斷面的編號；w為節點蓄水量；k為節點分支；Z為各分支斷面處的水位。

（2）模型的率定與驗證

本次模型利用西、北江“99.7”“98.6”等歷史洪水資料優選得到河道糙率，研究范圍內珠江網河區糙率分布大致介于0.015～0.037之間，三角洲上游河段糙率較大，口門段較小。選取2001年2月資料對模型進行枯水代表潮型驗證，模型驗證誤差均不超過0.1m，符合水利工程計算規范要求，糙率分布合理，可用于工程方案評價計算。

（3）模型（橋墩）概化

在一維（河網）計算中，需根據擬建橋梁的平面布置及橋墩結構形式，對橋位處的河道過水斷面進行概化。從工程偏安全的角度考慮，對橋墩在垂直水流方向上作全封堵處理，即扣除相應部分的過水面積。

2.1.2 平面二維數學模型

為了模擬工程對局部河段水流平面流態造成的影響，在一維網河數值計算的基礎上，建立擬建工程局部河段的平面二維數學模型。工程局部河段平面二維數學模型的計算條件同一維河網模型，邊界條件直接采用一維河網計算成果。

（1）控制方程

平面二維數學模型主要用于較為細致地計算工程河段局部的流速及流場形態變化，其控制方程采用笛卡爾坐標系下的二維淺水方程組：

水流連續性方程：

水流運動方程：

式中：d為時變水深；ζ為水面高程；h（h=ζ-d）為水深；p，q分別為x，y方向的單寬流量；C為謝才系數；f為風阻力系數；V為風速；Vx，Vy分別為風速和風速在x，y方向的分量；Ω為科氏力參數；pa為大氣壓強；τxx，τxy，τyy為各方向的有效切應力。

（2）定解條件及動邊界處理

初始條件主要包括水深和流速的初始值，通過迭代計算若干次得出穩態的初始流場及水位。

邊界條件的上邊界采用進口斷面的流量，下邊界采用出口斷面水位。

為確定計算區域中有、無水區域交界線，通常采用“凍結法”處理動邊界問題：通過定義臨界水深Δh來確定干、濕點或干、濕單元，當水深h＞Δh時，糙率取正常值，反之糙率取一大值。

（3）主要參數

通常采用實測資料反求床面阻力系數，紊動粘性系數可采用J.W.Elder經驗公式求解：

式中：u*為摩阻流速；h為水深；α為綜合系數，與河道形態及水流條件等因素有關，其變化范圍為0.3～1.0。

（4）計算范圍及網格布置

研究范圍上邊界取距離擬建橋梁上游1.3km的上橫瀝入口斷面，下邊界取距離擬建橋梁下游7.5km的上橫瀝出口斷面。采用三角形非結構網格，對工程附近的網格進行局部加密。

2.2 壅水計算分析

通過局部河段平面二維數學模型運算，求得在設計洪水頻率為P=0.5%（200年一遇）的水文條件下，橋墩阻水作用引起工程位置上游的水位壅高值以洪為主時最大約0.019m，以潮為主時最大約0.003m，且水位壅高值隨著斷面與工程距離的增加逐漸減小。工程建成后，橋位上游附近河段的水位略有上升；工程所在斷面則因為受過流面積減小、局部阻力增大的共同影響，表現為水位有所降低、流速有所增大；對于工程下游河段，受上游來流量減小的影響，其洪水位略有降低。

2.3 河勢影響分析

2.3.1 河道分流比變化

由數學模型計算結果可知，在以洪為主及以潮為主條件下當P=0.5%時，擬建工程河段斷面的流量減小值分別為81.1m3/s、25.9m3/s，流量變化率分別為2.0%、1.3%，工程上、下游其他河段斷面的流量變化率均低于工程河段。因此，擬建橋梁對所在上橫瀝水道及相鄰水道的行洪流量變化值和變化率的影響均較小。

2.3.2 水動力條件變化

本次計算過程在工程上游300m及下游1000m范圍內共布置88個流速采樣點，由采樣點分析成果和流速變化等值線圖可知：擬建橋梁軸線斷面上減小的河道過流面積對斷面水流起到一定的收束作用，工程后流速有所增大，增加值為0.2m/s～0.3m/s；橋軸線近區水域的其他斷面受橋墩繞流的影響，流速有所減小，流速減小最明顯位置為橋墩下游墩頭前緣斷面，減小值為0.59m/s。此外，橋墩周圍水流產生繞流流態，墩頭周圍的流向變化相對較大，主槽的流向變化基本在-5°～5°之間。

總體來看，擬建工程對河道整體灘槽格局及河勢穩定的影響較小。

2.4 工程對潮排、潮灌的影響分析

珠江三角洲河道縱橫交錯，堤外的圍區多為地勢低洼的農田村莊，易積水成澇。對于潮汐地區，農田灌溉常通過短時間的漲潮進行引水，圍內澇水通過低潮位時段進行搶排，因此高高潮位降低及低低潮位升高將分別對工程區域的潮排、潮灌造成一定程度的影響。通過采用“99.7”中水和“2001.2”枯水兩組典型的水文組合進行一維非恒定流計算，結果表明：擬建橋梁引起工程上游100m處的低低潮位增加值為0.009m，高高潮位降低值為0.0008m；工程下游700m處的低低潮位增加值為0.003m，高高潮位降低值為0.0004m。潮位水頭差的變化較小，因此，工程建設對區域潮排、潮灌的影響較小。

2.5 沖淤影響分析

采用《公路工程水文勘測設計規范》（JTG C30-2015）推薦的粘性土河床沖刷公式計算擬建橋梁所引起的一般沖刷和局部沖刷深度。

2.5.1 一般沖刷計算

（1）河槽部分

式中：hp-橋下一般沖刷的最大水深（m）；Ad-單寬流量集中系數)0.15；Bz-造床流量下的河槽寬度（m）；Hz-造床流量下的河槽平均水深（m）；IL-沖刷坑范圍內粘性土液性指數，適用范圍為0.16～1.19；μ-橋墩水流側向收縮系數；Q2-橋下河槽部分通過的設計流量（m3/s）；Bcj-橋長范圍內的河槽寬度（m）；hcm-河槽最大水深；hcq-橋下河槽平均水深。

（2）河灘部分

式中：Q1-橋下河灘部分通過的設計流量（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）。

2.5.2 局部沖刷估算

式中：hb-橋墩局部沖刷深度；V-一般沖刷后的墩前行近流速-墩形系數；B1-橋墩計算寬度。

2.5.3 計算結果及沖淤演變分析

經計算，在遭遇200年一遇設計洪水水位條件下，擬建橋梁河道斷面處的河槽一般沖刷最大水深約1.86m，河灘一般沖刷最大水深約0.72m，橋墩局部最大沖刷深度為2.08m。分析認為，計算的沖刷深度僅代表洪水期間的瞬時沖深，整個洪水過程對河床沖刷和淤積的影響是動態調整的，實際沖深將小于計算值；考慮到主槽內橋墩局部流速增加所產生的局部沖刷較明顯，為避免水流沖刷對橋墩周圍及堤岸的破壞，建議加強對橋梁結構安全的復核考慮及必要的防沖刷設計。

2.6 堤防穩定計算

堤防滲流計算方法采用有限元法，依據非飽和土理論、達西定律等，利用改進平方根法直接求解線性代數方程組，進而求出多種邊界條件下的堤防浸潤線。邊坡穩定計算采用瑞典圓弧滑動法，分別對穩定滲流期和水位驟降期找出最小安全系數及相應的滑裂弧位置。

本項目選取擬建橋梁跨越的北岸番順聯圍堤防位置作為計算的典型斷面，考慮穩定滲流期（工況Ⅰ）、水位驟降期（工況Ⅱ）、施工期（工況Ⅲ）的三種工況，分別計算不同工況下的浸潤線、逸出坡降及邊坡穩定安全系數。滲流計算結果表明：各工況下的計算斷面滲流出口比降均小于逸出口土層允許水力比降，堤身滲流穩定滿足規范要求。邊坡穩定計算結果表明：各工況下的計算斷面抗滑安全系數均大于規范允許值，滿足《堤防工程設計規范》（GB 50286-2013）的要求。

3 工程建設對防洪的綜合影響評價

3.1 工程建設與相關規劃的關系方面

（1）擬建橋梁對所在河道及附近相鄰河道的泄流量影響很小，工程的實施與珠江河口泄洪整治規劃的有關要求相適應。

（2）工程區域附近的兩岸堤防將開展達標加固，并與橋梁工程同步實施，符合南沙區防洪（潮）排澇規劃的防洪要求。

（3）擬建橋梁所在的上橫瀝水道已被劃為珠江三角洲重要河道禁采區，且工程建設不涉及采砂活動，與河道采砂規劃不矛盾。

3.2 工程建設與防洪標準和管理要求的適應性方面

（1）擬建橋梁涉及番順聯圍和義沙圍堤防的規劃防洪標準為200年一遇，對應設計洪水位為3.654m，橋梁跨番順聯圍橋址處最低梁底高程約12.104m，跨義沙圍橋址處最低梁底高程約10.734m，可滿足200年一遇的規劃防洪標準，且按照防洪和航運的要求，留有一定的超高。

（2）擬建橋梁跨越兩岸規劃堤頂的最小凈空為5.55m，滿足廣東省《河道管理范圍內建設項目技術規程》（DB44/T 1661-2015）規定的“跨越1、2級堤防的，凈空不得小于5.5m”的要求，不影響防汛搶險道路的暢通，滿足交通、防汛搶險、管理維修等方面的要求。

（3）擬建橋梁的左、右半幅橋墩對孔布置，橋墩順水流方向軸線與洪水主流流向夾角約2°，橋墩阻水比為5.29%，均與有關技術要求和管理要求相適應。

3.3 工程建設對河道行洪及河勢穩定的影響方面

經前文所述多種水文組合條件計算，橋梁工程建成后水位僅在工程局部河段有變化，橋墩阻水作用對全河段洪水面線壅高的影響有限，工程建設后不至對河道泄洪造成明顯的不利影響。

除橋墩附近局部有一定的沖刷及繞流產生外，擬建橋梁工程不會對河道整體水流流態等河勢變化情況產生明顯的不利影響，對上、下游河道主流區及主航道影響不大。

3.4 工程建設對第三人合法水事權益的影響方面

擬建橋梁下游約60m處為上橫瀝水文站，工程處于水文站所監測周圍環境的河段范圍內。擬建工程施工期可能產生較大的阻水，將引起上橫水文站測驗斷面處水位、流速發生改變，造成測驗誤差變大，測驗數據失去代表性，需設立不被擬建工程干擾的臨時站進行對比觀測以校驗上橫瀝水文站測驗數據，并采取一定的防治補救措施以保障水文站原有功能。

除此之外，工程對其他取水、排灌、通航等第三人合法水事權益不會造成明顯不利影響。

4 工程防治與補救措施建議

4.1 堤防及河床保護方面

（1）為避免橋梁建成后對堤防的加固整治有所約束，建議對擬建橋位及上下游各50m范圍的兩岸堤防先行按規劃200年一遇的防洪標準達標加固，并與橋梁工程同步實施。實施堤防加固的施工要求包括：

a.開挖出的土方應堆放在遠離開挖邊坡坡頂的臨時堆土場，不能利用回填的土方應運到指定的棄土場集中堆放，并采取相應措施，防止水土流失。

b.在拆除過程中應謹慎施工，以避免破壞相鄰保留部位或對其他機構安全產生不利影響。

（2）建議將橋墩承臺埋于河床沖刷線以下，并對主槽橋墩周圍進行防沖刷設計，對堤岸坡腳進行拋填片石防護。

（3）施工期間，要盡可能減小機械施工對堤圍的震動及橋墩下部結構基坑開挖對堤腳的破壞，如有所破壞，要及時加固和修復堤防。

4.2 行洪與通航安全方面

（1）擬建橋梁下部結構施工應盡量避開洪季，施工期間的臨時設施應不影響行洪；如若跨汛期施工，應在施工前編制度汛方案和防汛搶險應急預案，并報送地方水行政主管部門備案。

（2）應制定詳細的施工組織設計方案，明確工程周期，采取必要的防洪避險措施。施工期間不得向河床傾倒余泥廢料；完工后及時、妥善、徹底清理施工臨時圍堰、棄渣等，對河床進行清理以恢復河道行洪。

（3）為確保橋梁建設水域的通航安全，避免船只航行發生意外，建議在橋墩周圍設置防撞護舷，明確施工期航道的管理、警示標志的設立、竣工時的通航條件核查、交用后的航道管理及相應增加的航道配套設施（如橋涵標示等）。

4.3 水源、水環境保護方面

應對施工期的廢棄物、堆放物、工人生活排放水等進行有效管理，盡量減少對周圍水體的污染破壞。