不同橋型方案對郁江河道行洪的影響分析

摘 要：文章為研究某擬建特大橋拱橋、斜拉橋兩種方案對郁江河道行洪的影響，通過二維水文計算模型進行數值模擬，對比分析兩種方案在不同工況下對水位、流速、流向的影響及影響的范圍。結果表明，兩種方案對郁江行洪產生的影響及影響范圍都比較有限。經過對比認為，斜拉橋方案對于郁江河道的影響更小，對于行洪更加有利。

關鍵詞：水文分析；二維水文數值模擬；行洪影響；涉河橋梁

中圖分類號：U442.3+3A531846

0 引言

郁江是珠江流域西江的主要支流，流經南寧、橫縣、貴港，自桂平匯入西江干流潯江［1］，其中，南寧是郁江防洪規劃的重點防護對象［2］。南寧市為建設“一帶一路”有機銜接的重要門戶城市和中國面向東盟開放合作的區域性國際城市，以郁江為軸線，西建東擴，完善江北，提升江南，重點向南，各項重大交通基礎設施正在加快建設，部分公路需修建橋梁跨越郁江。跨河橋梁的修建將占據天然河道的部分行洪斷面，導致橋址斷面上游河道水位產生一定的雍高，局部水流流態發生變化，對河道行洪具有一定的不利影響［3］，因此，有必要對跨郁江橋梁進行行洪影響分析。

某公路工程為南寧市規劃重點公路項目，該公路建成后既可以優化國省道布局，有效緩解南寧市道路過境交通壓力，又可連接沿線工業園區及港口作業區，帶動沿線區域經濟發展。該公路于樁號K17+047.000～K18+102.500處，擬修建橋梁跨越郁江。該公路設計單位出于功能、結構、行洪、成本、美觀等多方面考慮，給出了多種橋型設計方案，其中主要的備選方案為拱橋方案和斜拉橋方案。本文在滿足工程實際需求的前提下，通過對擬建跨郁江橋梁所在河段進行二維水文數值模擬，將擬建橋梁不同方案、不同工況的行洪影響進行對比分析，進而得出結論，為工程的建設提供科學合理的依據。

1 模型計算區域概化

根據擬建跨郁江特大橋所在河段特點，選擇模型計算區域河道長度約4 200 m，上邊界位于擬建橋梁上游2 600 m，下邊界位于擬建橋梁下游1 600 m。左右岸邊界參考河道管理范圍的同時，考慮模型的連續性，平均寬度為1 100 m。

模型采用建模網格更加平滑、美觀的SMS軟件進行建模［4］，以三角形網格進行剖分，并針對橋墩所在河段進行了加密，拱橋方案模型共有節點57 495個，斜拉橋方案建模共有節點62 786個。雖然擬建郁江特大橋的各橋型方案位置相同，但兩個方案都有獨立的建橋前河道模型，這樣做是為了使得模型中的橋墩與實際大小、位置相符合，進而得出更符合工程實際的結果。兩種不同方案的二維模型網格剖分圖，如圖1～2所示。

模型高程數據為2023年7～9月實測河道地形，河道內各斷面間距40 m，斷面內地形點間距20 m，網格高程采用四象限各選取最近的4個數據點加權平均進行插值。針對橋型方案的建模結果如圖3～4所示。模型的河道地形與實測地形結果相符合，兩方案的建模結果也幾乎相同，可以反映出擬建橋梁所在河段上游較窄、中下游寬、左岸地勢較高、右岸地勢較低，中下游右岸有較大漫灘的特點。

2 模型計算工況及邊界條件

2.1 設計洪水推求

擬建郁江特大橋沿河道上游100 km內有南寧三水文站，在南寧水文站、擬建郁江特大橋之間，有八尺江匯河口、邕寧樞紐以及其他支流匯河口。邕寧樞紐在初步設計階段，通過對比長塘專用站（2011年4月—2012年3月設站）的實測資料，論證了八尺江與郁江不會產生同頻率洪水，進而采用南寧水文站成果作為設計洪水。對于本次工程擬建的郁江特大橋，由于長塘專用站位于其他各支流匯河口上游，無法論證這些支流與郁江不會產生同頻率洪水，出于防洪安全考慮及邕寧樞紐不具備調洪能力的工程特性，采用水文比擬法［5］推求擬建橋梁設計洪水。水文比擬法公式如下：

Qmp=FpFcn·Qmc（1）

式中：Qmp、Qmc——工程設計洪峰流量和參證站設計洪峰流量（m3/s）；

Fp、Fc——水庫壩址以上集水面積和參證站集水面積（km2）。

根據1907—2015年實測資料及多個工程設計報告中南寧三水文站的設計成果，南寧水文站天然洪峰流量、經百色水庫、老口水庫聯合調洪后洪峰流量、擬建郁江特大橋設計洪峰流量如表1所示。

2.2 模型計算工況及水文條件

為比較不同情況下，擬建郁江特大橋不同橋型方案對河道行洪的影響，本次模型計算分別考慮300年一遇洪水、100年一遇洪水、20年一遇洪水共3種工況。對于這3種工況，分別以兩種方案建橋前后的水位、流速流態進行比較。

模型模擬需設置上下邊界條件，上邊界為各工況下的設計洪水流量，下邊界為各工況對應的出口斷面洪水位，各工況的邊界條件如表2所示。

3 模型率定

模型率定主要包括率定河道糙率，河道糙率一般取值在0.025～0.045。

本次以2年一遇洪水做率定，在糙率取值上，以水利部珠江河口河岸工程技術研究中心方神光等人的研究成果為參考［6］；在水面線上，參考《郁江干流水域岸線保護與利用規劃》中的2年一遇洪水時，擬建橋梁附近河段的水位，對水位進行一維水面線計算。

水位率定結果見表3。由率定結果可知，一維模型與各方案河道模型的計算結果偏差在0.04 m以內。綜合這些結果，可以認為在一定可控誤差內，一維水面線結果與二維模擬的結果擬合較好，二維模擬的精度可以滿足洪水分析計算需求。

4 計算結果及分析

本次沿河道42個斷面的深泓線布設了采樣點，斷面間距為100 m，如圖5所示。本次計算通過分析各斷面主河道采樣點的水位、流速、流向變化及的分布情況、分布范圍等，對比各個方案在不同頻率洪水下，對郁江行洪的影響。各方案300年一遇洪水、100年一遇洪水、20年一遇洪水采樣點計算結果如表4～9所示，本次計算內容包括各方案對流速流態以及水位的影響，圖6～11則反映出了各方案在不同頻率洪水下，對郁江流速、流態、水位影響的分布情況及分布范圍，除此之外，也可反映出各方案下變化的極值等。

由表4～9可知，在水位方面，拱橋方案各頻率洪水下的采樣點水位變化幅度在-0.016～0.028 m，而斜拉橋方案在各頻率洪水下，采樣點水位變化幅度在-0.12～0.021 m；在流速流態方面，拱橋方案采樣點流速變化最大值為增加0.136 m/s，流向最大變化值為4.58°，斜拉橋方案在各頻率洪水下采樣點流速變化最大值為增加0.103 m，流向最大變化值為2.11°。

由圖6～11可知，在300年一遇設計洪水下，在水位方面，拱橋方案在擬建橋梁上游210 m至下游150 m之間水位變化值＞0.05 m，斜拉橋方案在擬建橋梁上游120 m至下游80 m之間水位變化值＞0.04 m；在流速方面，拱橋方案在橋墩下游980 m內流速變化＞0.25 m/s，斜拉橋方案在橋墩下游650 m內流速變化＞0.25 m/s。

由于河段上游窄且深、中下游寬且淺，在300年一遇洪水下，上游流速局部流速較快，下游流速則相對較緩。設計洪水下，擬建郁江特大橋處主河道流速在4.0 m/s以下，但各方案的橋墩主要布置在岸坡及漫灘上，位于右岸岸坡的主墩處流速＜3.0 m/s，左岸水下橋墩附近的流速＜2.0 m/s，漫灘處的橋墩流速則更小。

5 結語

（1）該公路目前兩種郁江特大橋的設計方案都在水中設置了橋墩，這些橋墩產生了阻水效應，但各橋墩阻水面積較小，主河道內的阻水比＜5%，不會對郁江河段行洪產生較大的影響。

（2）在300年一遇、100年一遇、20年一遇設計洪水的情況下，擬建橋梁兩種橋型對水位、流速、流向的影響較小，且產生影響的范圍比較有限。各方案雖然有橋墩在主河道內，但布置的位置主要在岸坡一帶，橋前流速相對較小，有效地控制了行洪影響范圍。

（3）在各方案都不會對行洪產生較大影響的條件下，斜拉橋方案相對于拱橋方案對于水位、流速、流向值影響更小，影響范圍更有限，對擬建橋梁河段的行洪更加有利。

參考文獻：

［1］王少波， 方神光，孫曉麗.郁江干流河段防洪特性分析［J］.人民長江，2017，48（S2）：13-6.

［2］李蔭福，鄧錦榮.郁江綜合利用規劃簡介［J］.人民珠江，1990（4）：8-14.

［3］郭選英，安航永，王 凱.跨河橋梁防洪影響淺析［J］.黑龍江水利，2015，1（11）：33-5，49.

［4］鄧新超.Mike21FM和SMS軟件在機荷高速橋梁工程防洪評價數值模擬中的應用［J］.水利技術監督，2021（3）：41-5.

［5］徐 華.地區洪峰流量模比系數綜合頻率曲線法和水文比擬法計算洪峰流量對比［J］.水利科技與經濟，2014，20（5）：40-2.

［6］方神光，張文明，張 康，等.西江中游干支流河道糙率研究［J］.泥沙研究，2016 （2）：20-5.20240425