雅魯藏布江江熱橋防洪影響評價分析

彭興 馬祺瑞 果鵬

摘要：為研究雅魯藏布江流域江熱橋對河道防洪的影響，基于MIKE21軟件建立該研究區域的二維水動力數值模型，并對該工程的行洪水位和流場影響進行了模擬計算分析。結果表明：在10 a一遇和50 a一遇洪水條件下，工程建設引起水位最大壅高值分別為7.8 cm和9.8 cm，引起流速增加的最大值分別為0.11 m/s和0.12 m/s，工程建設不會對河道防洪和河勢造成明顯的不利影響。此外，對橋墩沖刷、岸坡沖刷、岸坡邊坡穩定進行了計算分析，計算結果滿足規范要求。研究結果可為江熱橋工程項目提供防洪影響評價方面的技術支撐。

關鍵詞：防洪影響評價； 二維水動力模型； 橋梁工程； 江熱橋； 雅魯藏布江

中圖法分類號：TV214

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.S2.002

文章編號：1006-0081（2023）S2-0005-06

0 引 言

橋梁工程跨越河流架設于兩岸之間，在施工及運行過程中，往往會導致河流形態變化，破壞河道局部沖淤平衡，有的甚至會對區域河段行洪及河勢產生較大影響。因此，跨河橋梁工程的防洪影響評價歷來是水行政主管部門關注的重點對象，同時，做好跨河橋梁工程的防洪影響分析及評價是確保區域防洪安全的重要保障。

本文以西藏自治區山南市浪卡子縣江熱橋為例，從多方面開展分析論證，將橋梁對流域局部壅水、流速變化、岸坡穩定的影響進行了系統分析，可為相似項目研究提供參考，同時也可為實際橋梁設計建設及工程附近區域防洪減災提供參考。

1 工程概況

山南市浪卡子縣江熱橋位于雅魯藏布江干流中游索朗嘎咕峽谷段，左、右岸行政區劃分屬拉薩市尼木縣、山南市浪卡子縣，工程位置見圖1。

江熱橋按照四級公路標準設計，橋面寬度為7.5 m（行車道）+2×1.25 m（人行道、護欄），共10 m，設計車速為30 km/h，橋型布置見圖2。工程從左岸往右岸布置了0號橋臺、1號橋墩、2號橋墩和3號橋臺，其中1號橋墩、2號橋墩位于河道內。

2 洪水影響分析計算

2.1 二維水動力模型

采用丹麥水力研究所（DHI）開發的MIKE21 FM建立工程區域河道平面二維水流數學模型，計算分析10 a一遇設計洪水和50 a一遇設計洪水條件下，擬建工程對工程區域河段防洪設計洪水位和流場的影響。二維水流模型基本方程如下［1-3］：

水流連續方程：

水流運動方程：

式中：z為水位;p、q為x、y方向單寬流量;h為水深;s為源、匯項;six、siy為源、匯項在x、y方向的分量;c為謝才阻力系數;Ω為科氏力;E為渦黏擴散系數，根據Smagorinsky公式確定。

式中：u、v為x、y方向垂線平均流速;

Δ為網格間距;CS為計算參數，0.25＜CS＜1.0。

2.2 邊界條件參數取值

2.2.1 研究范圍及網格布置

模型計算范圍為橋址以上2.0 km至橋址以下2.2 km、全長4.2 km的河段，見圖3。采用無結構三角形混合網格剖分計算區域，網格單元數為45 669個，特別對工程局部區域進行了加密，工程附近網格尺度為2 m。

2.2.2 計算工況與邊界條件

選取以下2種計算工況開展計算分析。

工況1：橋址10 a一遇設計洪水。相應洪水流量為4 680 m3/s、設計洪水位為3 642.21 m，分別作為工況1的模型上下邊界條件。

工況2：橋址50 a一遇設計洪水。相應洪水流量為6 220 m3/s、設計洪水位為3 644.01 m，以此作為工況2的模型上下邊界條件。

在計算過程中，網格區域內的部分單元在漲水時被“淹沒”，在落水時則“干出”。為正確反映這些單元的干濕變化，模型中采用了如下的動邊界模擬技術：選定一臨界水深（hmin一般取為0.01 m），當某時刻某濕單元的實際水深（水位減去河底高程）小于hmin時，認為該單元“干出”，在本步時末退出模型計算；干單元的水位值由附近濕單元的水位插值得到，當某時刻某干單元實際水深大于臨界水深且有流入的動量通量時，則讓其變濕，并恢復該單元的模型計算。

對于橋墩阻水處理，則通過計算現有橋墩柱體上減少的拖曳力來反映橋墩對水流的阻力，而每個柱體上減少的拖曳力在MIKE21 FM中通過動量公式轉化為切應力來計算。

2.2.3 模型率定與驗證

由于缺少實測資料，經多次試算來確定河段的糙率系數。計算結果顯示：當河段綜合糙率系數為0.048，進口流量為4 680 m3/s時，橋址計算水位為3 652.521 m；再采用相同的糙率系數，進口流量為6 220 m3/s（50 a一遇）時，橋址計算水位為3 654.959 m。由此可見，橋址計算水位與設計洪水位的絕對誤差均小于0.1 cm，由此確定河段的綜合糙率為0.048。

2.3 10 a一遇設計洪水計算結果分析

2.3.1 阻水面積計算

根據橋梁相關設計圖紙，將加入橋梁后的斷面與原始斷面進行對比，計算大橋建成前后斷面過水面積與橋墩水下面積，得到橋墩阻水面積占河道過水斷面總面積的比例。結果顯示：在10 a一遇設計洪水位工況下，原河道斷面過水面積1 377.15 m2，橋墩占用面積32.11 m2（表1），橋墩阻水面積占河道過水斷面總面積的2.33%。

2.3.2 工程對水位的影響分析

在江熱橋上游與該橋距離為5 m的橫斷面內，等間距布置6個評價點，采用前述構建的二維模型分析擬建工程修建前后的壅水影響［2］。不同評價點工修建程前后水位變化統計結果見表2，可以看出，工程后水位最大壅高為7.8 cm。

工程修建前后橋梁附近局部壅水見圖4，可以看出，水位變幅0.5 cm以上的影響范圍為橋址上游62.4 m至橋址下游21.9 m；水位變幅0.1 cm以上的影響范圍為橋址上游86.1 m至橋址下游 26.5 m。

2.3.3 工程對流速的影響分析

10 a一遇洪水條件下，不同評價點工程修建前后流速變化統計結果見表3，可以看出，工程修建后流速基本沒有變化，最大流速變化0.11 m/s。

10 a一遇洪水條件下，工程修建前后流速等值線分布和流場分布見圖5和圖6，可以看出，工程修建前后流速大小和流場變化不大。

2.4 50 a一遇設計洪水計算結果分析

2.4.1 阻水面積計算

根據橋梁相關設計圖量算，在橋址50 a一遇設計洪水位（3 654.96 m）工況下，原河道斷面過水面積1 587.75 m2，橋墩占用面積40.41 m2，橋墩阻水面積占河道過水斷面總面積的比例為2.50%。

2.4.2 工程對水位的影響分析

不同評價點工程修建前后水位變化統計結果見表4，可以看出，工程修建后水位最大壅高為98 cm。

工程修建后橋梁附近局部壅水見圖7，可以看出，水位變幅0.5 cm以上的影響范圍為橋址上游 71.2 m至橋址下游17.6 m；水位變幅0.1 cm以上的影響范圍為橋址上游103.2 m至橋址下游 37.6 m。

2.4.3 工程對流速的影響分析

50 a一遇洪水條件下，不同評價點工程修建前后流速變化統計結果見表5，可以看出，工程修建后流速基本沒有變化，最大流速變化0.12 m/s。

50 a一遇洪水條件下，工程修建前后流速等值線分布和流場分布見圖8和圖9，可以看出，工程修建前后流速大小和流場變化不大。

3 橋墩沖刷分析計算

根據JTGC 30-2015《公路工程水文勘測設計規范》，建橋后橋梁墩臺附近的河床沖刷由自然演變沖刷、一般沖刷和局部沖刷組成［4-7］。根據河道演變分析成果，工程河段形勢總體穩定，河床沖淤變化較小。本次計算主要分析一般沖刷和局部沖刷兩種沖刷形式。根據地質鉆孔揭示情況，按照非黏性土河槽一般沖刷和非黏性土橋墩局部沖刷計算。

3.1 10 a一遇設計洪水橋墩沖刷分析

10 a一遇設計洪水條件下橋址天然設計洪水位為3 652.52 m。在此水位下，擬建工程后橋址所在位置的斷面平均流速為3.48 m/s，1號與2號橋墩受到水流沖刷影響，0號與3號橋臺沒有受到水流淹沒，因此開展1號與2號橋墩的沖刷分析計算。

10 a一遇設計洪水條件下，一般沖刷后的最大水深約為27.46 m，工程修建后橋址所在斷面河槽部分一般沖刷深度為1.92 m。

橋墩局部沖刷受水流流速、水深、橋墩結構及土質因素的影響。橋墩結構決定墩形系數及阻水面積。擬建橋梁橋墩均為直徑統一的圓柱體結構，故其墩形系數取1.00。橋址因缺少床沙級配資料，故選用河段下游羊村水文站實測床沙級配近似代替，取其中值粒徑38 mm。經計算，1號和2號橋墩的局部沖刷深度分別為5.02 m和7.22 m。由一般沖刷和局部沖刷計算結果可知，1號和2號橋墩的最大沖深分別為6.94 m和9.14 m。1號和2號橋墩分別埋入河底以下18.72 m和13.77 m，即最大沖深以下11.78 m和4.63 m，滿足橋梁基底埋深安全值要求。

3.2 50 a一遇設計洪水橋墩沖刷分析

經計算，50 a一遇設計洪水條件下，工程修建后橋址所在斷面河槽部分一般沖刷后的最大水深約為30.04 m，一般沖刷深度為2.08 m；50 a一遇設計洪水條件下1號和2號橋墩的局部沖刷深度分別為6.14 m和8.83 m，最大沖深分別為8.22 m、10.91 m。1號和2號橋墩分別埋入河底以下18.72 m和13.77 m，即最大沖深以下10.50 m和2.86 m，滿足JTGC 30-2015《公路工程水文勘測設計規范》橋梁基底埋深安全值要求。

4 岸坡沖刷分析計算

橋梁施工完成后，橋墩附近水位將略微壅高，流速將有所增加，引起左岸岸坡沖刷加大［8-9］，需分析工程前后左岸岸坡坡腳處的沖刷變化情況。岸坡沖刷深度分析采用GB 50286-2013《堤防工程設計規范》附錄D.2.2中所列公式予以計算。

工程前后左岸岸坡坡腳處沖刷深度計算結果見表6。

由表6可知，在10 a一遇設計洪水位情況下，江熱橋建設后左岸岸坡坡腳沖刷深度由0.80 m增加至0.86 m；在50 a一遇設計洪水位情況下，江熱

橋建設后左岸岸坡坡腳沖刷深度由1.27 m增加至1.33 m；江熱橋建設對左岸岸坡沖刷無明顯不利影響。

5 工程河段岸坡穩定計算分析

5.1 正常運用條件

工況1：橋梁施工前現狀岸坡，河道水位為10 a一遇洪水位3 652.52 m。工況2：橋梁施工前現狀岸坡，河道水位為50 a一遇洪水位3 654.96 m。

工況3：橋梁施工后岸坡，河道水位為10 a一遇洪水位3 652.52 m。工況4：橋梁施工后岸坡，河道水位為50 a一遇洪水位3 654.96 m。

5.2 非常運用條件

根據GB 18306-2015《中國地震動參數區劃圖（1∶400萬）》，江熱橋工程50 a超越概率10%地震動峰值加速度0.20g，對應地震基本烈度Ⅷ度，非常運用條件考慮以下工況。

工況5：橋梁施工前現狀岸坡，河道水位為10 a 一遇洪水位3 652.52 m，遭遇Ⅷ度地震。

工況6：橋梁施工前現狀岸坡，河道水位為50 a一遇洪水位3 654.96 m，遭遇Ⅷ度地震。

工況7：橋梁施工后岸坡，河道水位為10 a一遇洪水位3 652.52 m，遭遇Ⅷ度地震。

工況8：橋梁施工后岸坡，河道水位為50 a一遇洪水位3 654.96 m，遭遇Ⅷ度地震。

荷載按公路Ⅰ級荷載考慮，作用于G318路面。

工程河段位于高山峽谷區，河道防洪標準為10 a一遇，邊坡為5級。根據SL 386-2007《水利水電工程邊坡設計規范》，5級邊坡在正常運用條件下的抗滑穩定安全系數可取1.10～1.05，在遭遇地震的非常運用條件下的抗滑穩定安全系數可取 1.05～1.00。本次計算偏安全考慮，抗滑穩定最小安全系數取規定范圍內的大值。

抗滑穩定采用理正邊坡穩定分析軟件進行計算，該程序采用最優化原理，搜索最小安全系數和相應臨界滑面。本次計算方法采用簡化畢肖普法［10-11］，不同工況下抗滑穩定安全系數計算結果見表7。計算結果表明，各工況岸坡抗滑穩定安全系數大于規范要求允許值，滿足規范要求，工程實施對左岸岸坡抗滑穩定無不利影響。但0號橋臺開挖應注意采取插打鋼板樁等措施做好防護，確保施工期G318國道通行安全。

6 結 論

基于工程水文地質、設計圖紙等基本資料，對江熱橋工程臨近河道的洪水影響、橋墩沖刷、岸坡沖刷以及岸坡穩定進行了分析計算，綜合評價了擬建項目對防洪的影響，得到的主要結論如下。

（1）工程位于高山峽谷河段，兩岸無防洪工程，無防洪保護對象，工程位置10 a一遇洪水位和50 a一遇洪水位疊加工程建設產生的最大壅高值后，仍然低于全橋底板最低高程（3 658.955 m）和G318國道高程（3 661.80 m），工程建設不會對河道防洪造成不利影響。

（2）在10 a一遇和50 a一遇洪水條件下，工程的興建引起流速增加的最大值分別為0.11 m/s和0.12 m/s，工程對流速的影響局限于工程附近，對計算河段整體流場影響較小，不會引起較大范圍的河床沖淤變化。工程建設不會對河勢造成明顯的不利影響。

（3）10 a一遇洪水情況下，工程修建后1號和2號橋墩最大沖深分別為6.94 m和9.14 m；50 a一遇洪水情況下，1號和2號橋墩最大沖刷深度分別為8.22 m和10.91 m。橋墩最大沖深小于橋墩埋深，滿足JTGC 30-2015《公路工程水文勘測設計規范》橋梁基底埋深安全值要求。

（4）在10 a一遇洪水情況下，工程修建后橋址所在左岸岸坡坡腳沖刷深度由0.80 m增加至0.86 m；在50 a一遇洪水情況下，左岸岸坡坡腳沖刷深度由1.27 m增加至1.33 m；增加幅度為0.06 m，因此工程建設對左岸岸坡沖刷無明顯不利影響。

（5）在10 a一遇設計洪水和50 a一遇設計洪水位情況下，正常運用條件工程前后岸坡抗滑穩定安全系數為1.31～1.49，非常運用條件下工程前后岸坡抗滑穩定安全系數為1.15～1.35，各工況岸坡抗滑穩定安全系數大于等于規范要求最大值，滿足規范要求，工程建設對左岸岸坡穩定無不利影響。

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