考慮回水影響的阻水橋梁防洪措施分析

張善亮 吳子曄 夏智淵

一、概述

泰順縣仕陽溪位于東南沿海山區，常遭受臺風侵襲，暴雨匯流時間短，洪水來勢迅猛暴漲暴落，由于上游缺少調蓄空間，能采用的防洪措施十分有限。在泰利、桑美、莫拉蒂臺風中，仕陽溪沿線鄉鎮遭受較大洪水災害，其中仕陽鎮在泰利臺風中最大淹沒水深達1.7m。經調查，在仕陽鎮下游河道較窄處有一座多孔拱橋跨河而建，該橋對洪水位抬升影響較大。為給仕陽鎮防洪規劃提供可靠技術支撐，在水動力模型中，通過涵洞概化阻水橋梁，有效模擬河道及卡口的阻水橋梁，并通過研究不同防洪措施，分析相應治理效果。

二、河道模型簡介

在河道工程設計中，為得到滿足設計要求的河道水面線，可采用基于圣維南方程的一、二維水動力模型，常用軟件有MIKE11、MIKE21、HEC-RAS等。Szyd owski 采用有限體積法的顯式格式，求解了描述非定常自由表面流的沿水深平均的N-S方程即二維淺水方程，能較準確地得到河道中的橋墩附近水流結構的詳細信息。Ghostine等分別采用一維和二維模型對河道干支匯流進行研究，支持一維模型在給出某些參數時需依賴于經驗且適用范圍有限。王圓圓等采用MIKE21模型模擬了施工導流圍堰工程，并通過物理模型試驗進行驗證，給出施工導流圍堰的優化方案。Bhallamudi等采用MacCormack格式對變換坐標系中求解二維水動力方程，可較為準確地計算河道超臨界和次臨界混合流。Ladopoulos利用現代奇異積分方程方法，在通過有限差分法確定了特殊明渠過渡段的自由表面輪廓及水流的水力特性。二維計算常用軟件有MIKE21、SMS等。

1. 計算原理

針對山溪河道特性，采用率定過的一維模型能獲取較為準確的洪水位、流速等水力要素，與二維模型相比一維模型建立更為便捷，計算速度更快。對于山區城鎮防洪規劃設計而言，河寬往往比河長小的多，主要關注河道的洪水位、流速等水力要素，因此多采用一維模型進行分析計算。用于描述一維河道模型的圣維南方程組：

式中： Q為流量（m3/s），A為斷面面積（m2），q為旁側入流單寬流量（m2/s），α為動量校正系數，g為重力加速度（m/s2）， h為水位（m），C為謝才系數，R為水力半徑（m）。

利用Abbott六點隱式差分格式求解圣維南方程，求解時，將河道離散成水位、流量相間的計算點。將橋梁壅水公式中計算出的Δh轉化為圣維南公式中動能方程組的追趕系數的改變，最后求解線性差分方程組。

2. 橋梁壅水計算方法

在MIKE11中，對于橋梁壅水計算推薦采用涵洞加堰的方式，其中涵洞可以模擬任何形狀的橋孔，并可適用于所有水流條件，包括完全淹沒流、部分淹沒流、臨界流、孔流、自由出流等。一般而言小流量不會造成用水，只有當流量到達一定量級以上，才會因為橋梁阻水導致上游水位顯著壅高。

三、計算案例

1. 防洪現狀分析

泰順縣仕陽鎮地處山區，暴雨匯流時間短，洪水來勢迅猛暴漲暴落，上游缺少調蓄空間。仕陽溪仕陽鎮段通過多年來的治理，防洪安全得到了有效改善，但局部河段仍存在一定的防洪安全隱患，需要對鎮區河道的防洪安全進行全面的梳理，見圖1。在河道下游建有石龍橋，見圖2，該橋采用敞肩拱，在大拱兩側各加上三個小拱，增加泄洪能力，可減輕洪水對橋的沖擊力。石龍橋處為河道最窄處，河道斷面本身存在過水能力不足的問題，而在該處建造了石拱橋，即便采用敞肩拱，拱圈的阻水作用仍然很明顯，導致河道行洪能力不足，影響了洪水期洪水順暢下泄，容易引發洪水向兩岸漫溢。石龍橋斷面阻水為造成該河段防洪安全隱患的主要原因。為準確模擬石龍橋阻水作用，將實測石龍橋斷面概化為若干個大小不一的涵洞，見圖3，其中最大的涵洞（主孔）與河道斷面形成的閉合圈，其余7個小涵洞分別表示石龍橋的1#至7#橋洞。

圖1 仕陽鎮防洪現狀圖

圖2 石龍橋

圖3 石龍橋概化圖

2. 參數率定

一維模型通過歷史洪水的率定，可提高模型參數的可靠度。2005年泰利臺風期間，仕陽鎮發生一場較大洪水，通過洪水調查獲得沿線主要控制斷面洪痕。同時根據同期實測短歷時暴雨推算洪水過程，作為模型邊界條件，對仕陽鎮主要河段進行參數率定。通過調整斷面綜合糙率和涵洞概化橋梁的水頭損失系數，對驗證洪水位成果進行逐步逼近，最終獲得模擬水位與洪調水位差值在0.02m以內。可見采用涵洞概化橋梁的方式計算河道水面線阻水效應是合適的。

表1 模擬水位與洪調水位對比表

3. 規劃方案

仕陽溪下游規劃有龜湖水電站，電站回水對仕陽的防洪形式有一定影響的。龜湖水電站近期正常蓄水位為255.00m，遠期正常蓄水位為285.00m。為分析橋梁阻水成因及回水影響，主要考慮兩種典型工況：近期工況，即龜湖水電站正常蓄水位為255.00m，龜湖水電站回水對仕陽溪仕陽鎮段的無影響；遠期工況，龜湖水電站正常蓄水位為285m對仕陽溪仕陽鎮段影響較大。

（1）近期方案

由現狀水面線的計算結果可知，仕水矴步下游至新建下沙港大橋下游不滿足20年一遇防洪標準。淹沒范圍如圖4所示，由于淹沒區房屋密集，居民比較多，應采取相應的工程措施，經分析石龍橋是該河段主要阻水建筑物，由于該座橋梁為公益橋，拆除難度極大，結合實地考察，擬在石龍橋下開挖一條泄槽，泄槽寬度為43m，泄槽深度約為4m，泄槽底高程為277m。而下游的河道高低不平，河道底高程為280.87～283.12m不等，因此需要對下游河道進行疏浚，河道底高程疏浚至277m，見圖5。故近期只考慮開槽方案。近期開槽方案工程投資較少。

圖4 仕陽鎮現在20年一遇洪水淹沒范圍示意圖

圖5 近期開槽方案示意圖

近期因龜湖水電站正常蓄水位為255.00m，龜湖回水對仕陽鎮沒有影響，故不考慮龜湖水電站的影響。近期方案為開槽方案。

（2）遠期方案

遠期工況因龜湖水庫正常蓄水位285.00m，開槽方案采用的工程措施在285m高程以下進行，對降低水位沒有明顯效果，故遠期工況不考慮開槽方案。

為降低仕水矴步下游洪水位，保護全國重點保護文物矴步的防洪安全。擬定分洪方案，將仕陽溪上游楊梅嶺處分洪650m3/s至下游漈頭仔。

仕陽鎮近、遠期方案20年一遇規劃水面線計算成果見下圖。通過實施近期方案，可使得仕陽溪仕陽鎮石龍橋以上20年一遇水位最多降低1.85m，防洪標準滿足20年一遇。遠期受回水影響，采用分洪措施，可使得石龍橋以上20年一遇水位最大降低1.13m，防洪標準滿足20年一遇。

圖6 仕陽溪規劃水面線成果圖

通過該案例，得到受回水影響阻水橋梁的防洪措施分析方法：當橋下為非淹沒出流時，橋梁上游高水位主要原因為橋梁過水面積縮窄造成壅水，因此通過橋下開槽方式可增加過水面積較大程度降低上游洪水位；當橋下為淹沒出流時，橋梁上游高水位是由回水頂托和橋梁壅水共同影響，而回水頂托為主要因素，因此采用開槽增加過水面積的方式對降低上游洪水位作用有限，需通過分洪措施減少洪水水面線的比降，整體降低防護河段水面線。

四、結果與討論

采用多孔涵洞概化拱橋，并結合歷史洪水率定參數，能較準確便捷地模擬敞肩型拱橋的壅水效果，對提出防洪改進措施有較強的指導作用，對受水庫回水影響造成的橋孔淹沒出流情況亦可獲得較合理的結果。通過水面線分析可以發現造成橋梁上游高水位的主要問題，繼而提出經濟合理有針對性的防洪措施。