擬建德勝河大橋對河道行洪安全的影響分析

徐 乾，周 娟，賀陽穎

(1.常州市河道湖泊管理處，江蘇 常州 213000;2.常州市城市防洪工程管理處，江蘇 常州 2130003.常州市水資源服務中心，江蘇 常州 213000)

1 工程概況

德勝河擬建橋址段村莊密集，工廠較多，其余多為農田及魚塘，溝渠縱橫其間。兩岸地勢稍有起伏，地面高程4.3-7.2m(吳淞基準面，本小節同)，船閘兩側堤頂高程5.8-6.9m，德勝河入江口的長江大堤堤壩頂高程約8.12m。該河道具備較大噸位通航功能，除個別消險河段，該航道基本處于天然狀態。德勝河特大橋位于德勝河船閘上游引航道段彎道上，橋位處水面寬約220m，跨河大橋與德勝河規劃航道斜交79.2°。考慮橋位沿岸現有碼頭船舶通行及防撞設施的預留空間，降低船撞幾率，橋梁需采用兩孔約125m跨徑。125m跨徑若采用斜拉橋、懸索橋及拱橋等上部構造相對體量較小，無法形成標志性景觀，且施工工期長，施工方案復雜，造價高[4]。故采用連續梁或連續剛構橋造價省，工期較短，施工技術成熟，且線形簡潔流暢。在新的德勝河中，設2個一組橋墩，總的長×寬為30.6m×13.6m，與水流夾角10.8°。德勝河特大橋跨河平、立面示意圖，見圖1。

圖1 德勝河特大橋跨河平、立面示意圖

2 工程對河勢穩定的影響分析

2.1 長江側河床演變

位于長江口附近河道，常會受到上游徑流與下游潮汐等綜合影響，河勢情況較為復雜多變。尤其漲、落潮流速差較大，對于河床的變化影響極大。形成河床的泥沙主要由潮汐帶動，當泥沙下沉速度大于水流落潮速度，即會被沉積下來。根據泥沙的粒徑不同，一般分為>0.2mm的主槽底沙和較細的懸沙[5]。根據錄安洲實測資料統計結果，可知2003年以后其右汊分流比相對比較穩定，約為10%。2017年左右汊分流比為90.60%和9.40%。通過構建局部河段近20a地形地貌模型，可直觀對比得到該區域的沖淤變化情況，1999-2009年工程段區域河道沖淤變化圖，見圖2；2009-2020 年工程段區域河道沖淤變化圖，見圖3。河道兩岸在護岸工程作用下基本得以穩定。但由于左汊河床較寬，上游來水來沙的變化，兩岸之間河床仍出現沖淤變化，主要表現在以下幾方面：

圖2 1999-2009年工程段區域河道沖淤變化圖

圖3 2009-2020 年工程段區域河道沖淤變化圖

1)歷年錄安洲洲頭及其兩側、夾江南側的拋石護岸段近岸河勢較為穩定。

2)錄安洲左緣洲頭至常州港錄安洲碼頭段，雖然人工導流岸壁初步形成，河勢漸趨穩定，但還是受到主流一定沖刷。

3)錄安洲右汊夾江的演變取決口門的變化，夾江進口南岸受入流頂沖，右汊河槽變深。雖有拋石護岸，但在2016年、2020年超歷史記錄泄洪壓力下，南岸河床仍舊存在被沖刷可能性，北岸已形成較為規律的沖淤交替，其地勢變化較小。

2.2 河勢穩定分析

過江通道涉及河道西側岸坡采用直立式混凝土擋墻，右側為現有的漿切塊石護坡，在兩側岸坡均有防護的情況下，德勝河總體河勢將保持穩定的狀態。工程實施后，在防洪設計水位下，橋梁處河道主流線位置基本不變。對河勢穩定的影響該河道處于平原河網區，一般情況下流速緩慢，水流對河道的沖刷影響較小，若遇大洪水時可能發生局部沖刷，但幅度不大。據計算，橋址處最大沖刷深度為1.60m。過江通道距離德勝河入江口約3.2km，中間有德勝河魏村樞紐相隔，故新建橋墩不會對長江河勢造成影響。

3 壅水對行洪的影響分析

3.1 壅高分析

壅水的高度跟河道過水面積減少程度有直接的關系，過水斷面減少，水流流速增加，導致橋墩附近水流體積有一定壓縮，造成水流能量由動能轉變為勢能，進而局部水位抬高形成壅水現象。其壅水高度計算公式為：

△Z=η(vM2-v02)

(1)

式中：△Z最大壅水高度，m；η為橋墩阻斷流量與設計流量的比值系數，本次計算采用0.05；v0為斷面平均流速，m/s；vM為橋下平均流速，m/s。

考慮橋梁工程建設后行洪斷面有所減小，防洪設計水位3.7m下，河道行洪斷面面積減小4.7%。按魏村水利樞紐運行調度規則，當京杭運河常州站水位超過2.62m時，魏村水利樞紐趁長江低潮時開閘排水或開啟泵站向長江翻水。按德勝河魏村樞紐設計流量300m3/s進行計算，在水位為2.62m時，最大壅水高度為0.2cm，水位為3.7m時，最大壅水高度為在0.2cm內。

3.2 壅水曲線分析

德勝河魏村樞紐設計過閘流量300m3/s，最大壅水高度為0.2cm進行計算，L=18m。在防洪設計水位3.70m時，德勝河橋壅水曲線長度在20m內。其壅水曲線計算公式為：

L=2△H/I

(2)

式中：L為壅水曲線長度，m；I為水面比降；△H為相鄰兩斷面的水位差，m。

3.3 壅水影響分析結果

跨德勝河主橋采用(70+125+125+70)m變截面預應力混凝土連續梁，其中東側125m跨過現狀德勝河，兩跨125m跨過規劃建設的德勝河，中間橋墩布置于新、老河道間。由公式1可知，壅水高度與流速的二次方成正比，即橋墩阻水面積與引道布置尤為關鍵。經計算，在設計洪水位工況下，橋墩處最大壅高≤0.2cm，影響范圍≤20m。綜合分析新建橋墩對河道行洪無不利影響。

4 沖刷對行洪的影響分析

對于跨河橋梁建成后，橋墩對具有行洪要求的河道影響應做沖刷分析。根據《公路工程水文勘測設計規范》要求，在明確橋墩基礎設計后，應綜合分析自然、一般、局部三種沖刷工況，以最不利結果作為橋墩設計論證依據[7]。

4.1 河道一般沖刷分析

一般沖刷是指以等效過流斷面計算的單寬流量為基礎，提高動態水流中的含沙量后，導致橋址位置一定區域的垂直河床走向方向的沖刷。根據工程所在河道的形態，本次只需對河槽進行計算。根據沖刷計算結果，工程后一般沖刷后最大水深為2.36m，主槽一般沖刷后最大水深小于其最大設計水深3.5m，故不沖刷。具體計算公式為：

(3)

式中：hp為橋下一般沖刷后的最大水深，m；A為單寬流量集中系數；Qc為河槽部分通過的設計流量，m3/s；IL為液性指數；Bc為橋下河槽部分橋孔過水凈寬，m；hmc為河槽最大水深，m；hc為河槽平均水深，m。

4.2 橋墩局部沖刷分析

局部沖刷是指以橋墩為中心點，輻射一定距離的特定位置處沖刷。該類沖刷型式主要是由于橋墩的阻礙，水流流向發生突變，造成一定旋渦和體積壓縮而形成。經分析，跨德勝河大橋橋墩主要受局部沖刷影響，采用黏性土基礎對應計算公式4可得，橋墩處沖刷最大深度為1.60m，在設計安全范圍2.5m之內。

(4)

式中：kζ為墩型系數；Bt為橋墩計算寬度，m；V為般沖刷后墩前行近流速，m/s。

5 小 結

1)河演分析表明，德勝河的發展變化，主要還是受開挖、行洪、續建加固等人類活動的影響較大，受自然界影響較小。目前，德勝河內側河側河道流速、流向相對穩定，少部分航段已建護岸，航道內水面比降平緩，流速較小，對兩側護岸頂沖作用較小，河道深槽居中，河床基本穩定。

2)橋梁對河道的影響重點在壅水分析，需計算設計洪水位橋墩阻水工況。綜合河道功能，分析減少的等效過水面積，判斷橋位斷面處流速增大及體積壓縮幅度。行洪影響還需結合河道遠期規劃，進行動態河勢分析。

3)應注意減少工程實施對工程區域水系與排灌系統的影響，加強工程區域河道觀測。根據施工安排，橋墩施工在航道整治工程之前，關注中間主墩施工對堤防的影響，保證樁基及橋梁施工中堤防的安全和防汛通道的暢通。