新疆喀拉喀什河K54+500大橋對河道壅水和沖刷影響分析

李 亮

（塔里木河流域干流管理局,新疆 烏魯木齊 841000）

1 工程概況

新疆喀拉喀什河發源于喀喇昆侖山北坡開拉斯山,K54+500大橋地理位置起點坐標東經79°53'39.61'',北緯37°27'7.23'',終點坐標東經79°53'14.53'',北緯37°27'18.67'',橋長787 m,橋梁設計汽車荷載采用一級公路標準建設,結構類型為26 m×30 m裝配式預應力混凝土小箱梁,橋面高程1292.91 m,設計洪水頻率標準100 年一遇。工程位于墨玉縣英也爾鄉玉依買庫勒境內,47 團至國道580 線在K 23+556.5～24+343.5 段跨喀拉喀什河后經玉龍喀什河特大橋及公路連接國道580 線,解決了隔河相望、車輛繞道通行的現狀,改善了兩河四岸三縣人民交通往來,打通了47 團對外交通首要出口公路和干線公路,極大地促進區域經濟發展,可有效發揮47 團應急維穩作用。

2 設計洪水

2.1 洪水位

非通航河流按設計洪水位計算橋面高程,按下式計算：

式中：Hmin為橋面最低高程,m；HS為設計洪水位,m；Δhj為橋下凈空安全值,m,查《橋位設計》附表 5-3-1 取橋下凈空安全值 0.5 m；Δh0為橋梁上部構造建筑高度,m,包括橋面鋪裝高度,取Δh0=1.80 m；∑Δh為根據河流的具體情況,酌情考慮壅水,浪高、水拱、局部股流和雍高（水拱與局部股流雍高不能同時考慮二者取大者）河灣兩岸高差諸因素的總和,m。

得出 Hmin=HS+∑Δh+Δhj+Δh0=1288.97+1.5+0.50 +1.80=1293.71 m。因此,設計洪水位高程1288.97 m,設計橋面高程1293.71 m。

2.2 洪峰流量

天然河流的均衡狀態一般是在自然來水來沙過程中實現,不同大小的流量均參與河道形態的塑造過程,相同條件下,流量越大則對河道形態的塑造能力越強,但由于大洪水一般持續時間不長,因此對某一時段平均意義上的均衡河道形態而言,起主導控制作用的是中等流量,即造床流量。造床流量一般可按50 年一遇天然設計洪峰流量計算進行河勢演變分析,對應設計洪峰流量為773 m3/s。

2.3 穩定河寬

河道或河槽的寬度是否造成河道水流不穩定,從而造成河道再造床過程,與河道的穩定河寬有密切的聯系。若河槽寬度過小,會造成水流坡陡流急,加大河道主流的不穩定性,威脅兩岸的安全。反之,若河槽寬度太大,雖然對行洪有利,但是,由于河道過寬后,水流主流容易擺動,形成彎曲、分汊或漫灘、甚至游蕩性等不同河型,在不同洪水下,河型的轉化將對兩岸工程產生不確定的沖刷部位,給防沖帶來不利和不確定因素。因此,穩定河寬是保證河道橫向穩定、縱向穩定的重要參數。穩定河寬計算采用下述3個水流、河相基本方程聯解得式：

式中：B為穩定河寬,m；U為平均流速,m/s；h為水深,m；η為糙率；J為能坡；K為參數；Q為造床流量,m3/s。

依據式（2）～式（5）,帶入計算得出該橋所在河段穩定河寬成果,見表1。

表1 土體計算參數取值表

3 壅水分析計算

3.1 壅水分析方法

天然河道中水流呈自然流態方式,阻水建筑物喀拉喀什河（K54+500）大橋的修建,可能會改變河道原有斷面結構形式,將對河道水流產生一定影響,甚至有可能改變天然河道的過洪通道及天然水流的流態,因此,需對阻水建筑物建成后形成壅水高度進行計算分析,并研究是否需要采取相應的補救措施。

工程斷面河道現狀行洪寬度約592 m、左岸灘地103 m、右岸灘地122 m。由于設計洪峰流量較大,該處主流行洪寬度較寬,單跨橋梁僅為30 m,因此,過水橋墩較多,再加之現狀河道河堤為土堤,河道土質為粉細沙土、細沙土,抗沖能力弱,該段河道縱坡I=7.24‰,相對較陡,主流河槽較寬,水流易左右擺動,成游蕩性河道,部分河床淤積抬高,需進行壅水分析。造成橋前水面壅高的原因有兩種情況：（1）多跨橋梁橋墩阻水,使水面寬縮窄,發生壅水現象,該種情況多采用《公路工程水文勘測設計規范》（JTG C30-2015）推薦的計算公式以及流速水頭法、簡化公式法三種計算方法。（2）橋總跨度小于天然河床寬度時引起壅水,應采用無坎寬頂堰公式進行壅水分析計算。

本工程設計橋全長787 m,河道現狀行洪寬度為592 m,橋總跨度遠大于河道現狀行洪寬度,因此大橋壅水由上述第一種情況產生,采用《公路工程水文勘測設計規范》（JTGC 30-2015）推薦公式計算壅水高度和長度。

3.2 壅水分析計算

3.2.1 最大壅水高度計算

方法1：根據《公路工程水文勘測設計規范》（JTGC 30-2015）計算公式,推算各橋前的最大壅水高度,其表達式為：

式中：ΔZ為建筑物前最大壅高,m；η為計算系數,根據阻斷流量的不同取0.05～0.15；為建筑物布置后斷面平均流速,m/s。

式中：Qp為設計流量,m3/s； Wj為建筑物過水斷面面積,m2；為建筑物范圍內天然情況下平均流速,m/s；為天然斷面平均流速,m/s。

經計算,計算橋前最大壅高取值ΔZ為0.14 m。

方法2：采用簡化公式進行橋墩前最大壅水高度計算,其公式為：式中：Q為流量,m3/s；B為無橋墩時的截面寬度,m；b 為兩墩間的凈寬,m；hs為橋墩下游正常水深,m；ζ為過水斷面收縮系數,取ζ=0.85～0.95。

計算得,橋前最大壅高取值為0.09 m。

綜上,采用上述兩種計算方法分別進行了橋前最大壅水高度計算,為安全起見,最大壅水高度取0.14 m。

3.2.2 壅水長度計算

采用《公路橋位勘測設計規范》（JTJ 062-2002）推薦采用8.4.1-4公式計算：

式中：L中壅水長度,m；ΔZ為長橋前最大壅水高度,m；I為水面比降。

計算采用《防洪評價相關計算軟件包1.03》之雍水計算軟件進行計算分析,計算結果見表2。即壅水長度39 m。

表2 最大雍水高度和雍水長度計算成果表

3.3 壅水對上游河道防洪影響分析

設計洪水位高程1289.11 m,壅水高度0.14 m,設計橋面高程1292.91 m。壅高后設計洪水位1289.25 m,小于設計橋面高程3.66 m,壅水不影響設計橋面高程。由于壅水長度為39 m,壅水高度0.14 m,橋前水面壅高度及壅水長度均較小,因此,對上游河道防洪產生漫溢影響甚微。

4 沖刷分析計算

4.1 河道演變沖刷

河床演變是十分復雜的自然過程,由于目前尚無可靠的定量分析方法,只能根據調查,作出定性的評價。據調查分析,工程段河流,河床由土質粉細沙、細沙組成,屬于易沖刷土質,總體趨勢是河床下切,但幅度不大。

4.2 局部沖刷

水流受到橋墩阻擋,淘刷橋墩周圍,形成局部沖刷。本次計算的河段主要有無河灘的黏性土河床和無河灘的非粘性土河床。采用《公路工程水文勘測設計規范》（JTGC 30-2015）中的式8.4.2-1與8.4.2-2式對河槽黏性土河床局部沖刷進行計算。

式中：hp為橋墩局部沖刷深度,m；B1為橋墩計算寬度,m；Kζ為墩型系數,本次計算取1.0；Bt為造床流量下的河槽寬度,m；IL為沖刷坑范圍內黏性土液性指數,取0.16～0.19；v為一般沖刷后墩前行近流速,m/s。

同時,采用《公路工程水文勘測設計規范》（JTG C30-2015）式8.4.1-1與8.4.1-2式對非黏性土河床橋墩局部沖刷進行計算。

當v≤vo,

當v＞vo時,

式中：hp為橋墩局部沖刷坑深度,m；Kζ為墩形系數,取1.0；B1為橋墩計算寬度,m ；d為河槽泥沙平均粒徑,mm；n2為指數；v為一般沖刷后墩前行近流速,m/s,V=Ed-（1/6）hp（2/3）；vo為河床泥沙啟動流速,m/s；vo'為墩前泥沙起沖流速,m/s。有關參數代入式（10）～式（13）,計算結果見表3。

表3 局部沖刷分析計算程序輸入數據表

4.3 一般沖刷

依據《和田河防洪規劃報告》中墨玉縣英也爾鄉防洪段（43+000～65+000）范圍計算成果,一般沖刷深度為1.66 m,局部沖刷深度為3.53 m,防洪堤基礎取5.50 m。計算方法采用《公路工程水文勘測設計規范》中的8.3.1-4式：

式中：hp為橋下河槽一般沖刷后最大水深,m；Ad為單寬流量集中系數，本次計算取1.8；Ad為單寬流量集中系數，本次計算取1.8；hcm為橋下河槽最大水深,m；hcq為橋下河槽平均水深,m；Bcj為河槽部分橋下過水凈寬,m,當橋下河槽擴寬至全橋時,即為全橋橋孔過水凈寬；Q2為橋下河槽部通過的設計流量,m3/s,當橋下河槽擴寬至全橋時,Q2=Qp；d為單寬流量集中系數；為橋墩水流側向壓縮系數,與橋孔跨徑和流速有關,按規范表7.3.1-1取值, =0.95；E為與汛期含沙量有關的系數；d為河槽泥沙平均粒徑,mm,根據該河床處的顆分曲線取d50粒徑值。

4.4 總沖刷

總沖刷深度采用《公路工程水文勘測設計規范》中的8.3.2-1式對河槽黏性土河床沖刷深度進行計算。

式中：hp為橋下沖刷后的最大水深,m；A為單寬流量集中系數,取1.0～1.2；為橋墩水流側向壓縮系數,與橋孔跨徑和流速有關,取 =0.95；Q2為河槽部分通過的設計流量,m3/s；IL為液限指數；Bcj為橋下河槽部分橋孔過水凈寬,m；hcm為河槽最大水深,m；hcq為河槽平均水深,m。

4.5 沖刷分析

河床局部沖刷、一般沖刷及總沖刷計算結果見表4。工程段河流未修建任何堤防,河道均為自然河溝狀態。河道河床均為粉細沙、細沙,允許不沖流速約為0.73 m/s,河床易于沖刷。在遇到設計洪水時,橋下會產生沖刷坑,上溯到橋上游和下游一定距離,對河道兩岸的穩定產生一定的影響,在橋梁上下游附近的河道河床將會下切,河道兩岸邊坡將會滑塌。但考慮到橋梁的防洪標準較高,這種大洪水的發生概率相對較低,所造成的河床影響的程度也較低。即使發生了設計標準的大洪水,洪水發生后,所造成的沖刷坑也僅僅是分布于橋梁附近,不會改變整個河道的天然縱坡。在發生頻率較高的中小洪水時,沖刷坑很快會被泥沙淤積填滿,恢復原河道的縱坡,因此不會對原河道河床造成永久影響。

表4 沖刷深度計算成果表

5 結論與建議

本文以喀拉喀什河興建大橋河道發生改造為例進行計算,計算結果表明兩岸將形成一定沖刷和淤積,但對河道行洪安全不構成影響。在橋梁建成運行階段,應增設必要的監測系統,定期對大橋橋樁以及兩岸防洪工程沖刷進行監測工程建成后應加強近岸河道及防護工程的監測,及時發現并采取有效措施。遇特殊水情年,應加大監測力度,采取相應措施,以確保橋梁工程的正常使用。