新来河大桥防洪设计计算及影响分析

　　1、概况

　　来河是安徽省滁州市来安县境内的一条主要河流,也是滁河的一条较大支流,流域总面积714.3km2,其中来安县境内流域面积507.4km2。来河流域总长70.2km,对河桥以下主河道长度33.6km,流域上游为山区,中部属丘陵区,下游为圩区。来河中部横穿县城,下部经水口镇、三城乡入汊河镇,并有滁天公路、沪陕高速、104国道跨河而过。来河自20世纪70年代进行治理,裁弯取直,对河桥以下由“老来河”变为“新来河”。

　　拟建新来河大桥位于滁州市新来河的下游,跨河角度为90°(主流方向与桥墩轴线形成的夹角),设计荷载为公路-I级,设计洪水频率:1/100;设计时速:80km/h。桥梁设计长度为156m,桥面宽50m。新来河大桥桥梁布置方案为:上部结构为5×30m连续小箱梁;下部结构为桩柱式桥墩,桥台采用桩基接盖梁。单排桩基础,桥墩采用八柱式,柱间距610cm,桥墩立柱直径140cm,桩基直径180cm。

　　2、设计洪水计算

　　2.1流量计算

　　设计洪水分别按照支流水系汇集情况,结合地形、地貌进行计算。设计洪水由各河道上游水库出库洪水、水库下游区间设计洪水和圩口排水3大部分叠加计算,洪水计算偏安全考虑,未考虑河槽调蓄。河道汇流采用错时流量叠加法。

　　2.2现状水面线推算

　　来河洪水在汊河闸上汇入滁河,根据长江委《滁河流域防洪规划报告》(2004年修订本)确定的滁河干流采用接近1991年6月洪水位,相当于20a一遇,汊河闸上水位为10.40m。来河20a一遇水面线采用汊河集闸上20a一遇洪水位遭遇来河10a一遇洪水流量和汊河闸上10a一遇洪水位遭遇来河20a一遇洪水流量的外包线。

　　根据分析计算,新来河大桥20a一遇洪峰流量884.28m3/s,相应洪水位为11.86m。新来河大桥设计洪水为100a一遇,考虑堤防实际情况及当地防洪调度规划,经计算100a一遇洪峰流量采用1 490.50m3/s,相 应 水 位 取13.95 m(高 程 采 用1985年国家高程基准)。

　　3、桥梁壅水及冲刷计算

　　3.1桥梁壅水高度计算

　　建桥后,由于桥墩占用过水断面面积及对水流的阻碍作用,致使桥前壅水抬高洪水位。同时,桥下河道水流流速增大,桥墩周围的水流在河床附近形成淘刷漩涡,引起河床的一般冲刷和桥墩局部冲刷。壅水高度及冲刷深度与过流条件、河道断面、桥址河段土壤特性、桥墩几何形状等因素有关。根据《桥涵水文》,桥前壅水高度计算公式为:ΔZ=η(V2-V20)

　　式中:ΔZ为壅水高度(m);V为桥下断面平均流速(m/s);V0为桥前断面平均流速(m/s);η为系数,与水流进入桥孔的阻力有关,根据河流类型及河滩地过水能力可查阅相关资料。

　　壅水曲线长:L=2ΔZI

　　式中I为桥址河段水面比降。新来河大桥在遭遇100a一遇,20a一遇洪水情况下,壅水计算系数η取0.05,河段水面比降取0.12‰,经计算,建桥后壅水高度分别为0.016m和0.025m,壅水曲线长度分别为271.2m和416.67m,阻水程度为4.8%及4.98%,桥前壅水计算成果见表1。

　　

　　3.2冲刷深度计算

　　桥墩基础的存在,将对原河床的冲刷产生一定的影响,需进行相关分析计算。根据地质资料及JTG C30—2002《公路工程水文勘测设计规范》的规定,根据桥梁所在河道地质状况,分别采用不同的冲刷计算公式,新来河河床地质为粉质黏土,故采用黏性土河床计算公式:

　　(1)黏性土河床一般冲刷计算公式

　　式中:hp为桥下一般冲刷后的最大水深(m);Ad为单宽流量集中系数,取1.0~1.2;IL为冲刷坑范围内黏性土液性指数,适用范围为0.16~1.19;μ为桥墩水流侧向压缩系数;Q1、Q2分别为桥下河滩、河槽部分通过的设计流量(m3/s);htm、hcm分别为桥下河滩、河槽最大水深(m);htq、hcq分别为桥下河滩、河槽平均水深(m);Btj、Bcj分别为河滩、河槽部分桥孔净长(m)。

　　(2)黏性土河床桥墩局部冲刷计算计算公式如下:

　　

　　式中:hb为桥墩局部冲刷深度(m);Kξ为墩形系数;B1为桥墩计算宽度(m);V为一般冲刷后的桥墩前行近流速(m/s);IL为冲刷坑范围内黏性土液性指数,适用范围为0.16~1.48。设计洪水为20a一遇、100a一遇洪水情况下,桥位处冲刷计算成果见表2。

　　

　　由表2可知,在遭遇20a一遇洪水时,河槽部位一般冲刷深度为0.22m,桥墩部位会发生局部冲刷,冲刷深度为1.09m。在遭遇100a一遇洪水时,河槽部位一般冲刷深度为0.41m,桥墩部位会发生局部冲刷,冲刷深度为1.45m。

　　4、新来河大桥防洪影响分析

　　(1)新来河大桥建桥后,桥墩阻水会减少河道有效行洪面积,降低河道行洪能力,当发生设计洪水时,将会产生一定的壅水。20a一遇洪水壅水高度为0.016m、壅水曲线长271.20m,100a一遇洪水壅水高度为0.025m,壅水曲线长416.67m。建桥对河道行洪水位影响甚小,对河道行洪能力影响有限,工程不会给河道行洪安全带来明显不利影响。

　　(2)新来河大桥设计过河方式为立交,根据确定的桥梁梁底设计高程,跨堤顶道路净高为0.95~1.25m,不满足堤顶防汛交通通行要求。

　　(3)新来河大桥的桥梁跨河道较顺直,上、下游河床比降较小,河道断面较大,建桥后冲刷计算结果表明,当发生20a及100a一遇的洪水时,洪水对桥墩一般冲刷深度分别为0.22m、0.41m,局部冲刷深度分别为1.09m、1.45m。河槽一般冲刷会影响桥梁墩台基础埋置深度,进而影响基础的稳固。桥墩处局部冲刷会形成冲坑,位于堤脚及河道边坡附近的局部冲刷会影响堤岸的渗流及河道边坡的稳定,因此桥墩处及其上、下游范围需采取护砌措施。

　　(4)从桥梁与河道交角来看,新来河大桥桥墩轴线与水流方向交角约为90°,桥墩不会产生挑流作用,不会造成对河岸的冲刷。

　　(5)根据《中华人民共和国水法》、《中华人民共和国防洪法》和《中华人民共和国河道管理条例》,修建桥梁等工程不得危及堤防安全,本次涉及的大桥所跨越桥址处河段不涉及其他闸、站等水利设施。

　　(6)新来河大桥所跨越的新来河为通航河段,根据相关航运规划,新来河为规划Ⅵ级航道。Ⅵ级航道设计最高通航水位为5a一遇,新来河5a一遇设计水位为11.00m。设计通航孔高度不满足要求。

　　5、建议

　　(1)当发生100a一遇的洪水时,洪水的局部及一般冲刷深度在2m以内,一般冲刷使河床下切,主泓加深、深泓近岸,桥址附近形成深槽,会影响桥梁墩台基础的稳固,局部冲刷会形成冲坑,不利于河岸的渗流及稳定。为保证各桥址断面上、下游临水侧岸坡及桥墩处的稳定,避免因桥梁建设造成岸坡崩塌及严重的冲刷深漕,采取补救的主要措施有:对新来河大桥沿中心线上游50m、下游30m范围内堤岸临水坡采取干砌块石护砌措施,相应对桥址处冲刷严重地段采用河底块石护砌防冲处理。

　　(2)针对建设项目施工时,施工设施、便道、料场及生活区域等将可能会对河道行洪产生影响,为确保防洪安全,施工期内该项目建设部门应与防汛指挥部门以及当地政府密切配合,严格按照制定的渡汛方案进行施工。施工后期应逐步拆除及清理施工现场,推平施工道路,清理弃渣等剩余物,恢复河道原貌,以利于行洪畅通。如果建设项目需汛期施工,施工单位要提前编制汛期施工组织计划,并报蓄滞洪区主管部门批准,方可进行施工,施工时密切注意天气变化。

　　(3)桥梁高度不满足堤顶防汛道路通行要求,也不满足VI级航道通行要求,建议主设抬高大桥跨堤跨河高度,以满足相关规范规定的防汛道路及VI级航道净高要求。

　　(4)拟建桥址处区内无取水和临时码头等第三人合法水事权益,但桥的建设过程中有可能影响到河岸和周边区域的有关利益,应采取相应的补偿措施。

　　参考文献：
　　[1]徐新华,夏云峰.防洪评价报告编制导则研究及解读[M].北京:中国水利水电出版社,2004.
　　[2]余建星,王宏伟,王永功,等.大型桥梁防洪影响评估方法研究[J].自然灾害学报,2005,14(4):135-140.
　　[3]SL44-93水利水电工程设计洪水计算规范[S].北京:中国水利水电出版社,1993.
　　[4]SL278-2002水利水电工程设计水文计算规范[S].北京:中国水利水电出版社,2002.
　　[5]孙庆磊,周波,李超.跨河桥梁防洪影响评价指标体系及影响防治措施研究[J].水利科技与经济,2010,16(4):432-435.