西福河大桥对河道行洪影响分析

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1、西福河大桥对河道行洪影响分析王小丹;罗健平【摘要】西福河是增城市第二大河流，为当地的主要行洪、排水、排涝通道。某 高速公路西福河大桥跨越西福河并在河道行洪区域内布置路基、桥梁等构筑物。为 了减小建桥后对两岸河堤、农田、村庄造成影响，应分析桥梁建设对河道行洪影响。 本文根据西福河大桥设计成果、所跨越西福河河道情况进行阻水分析，并通过建立 数学模型进行壅水计算，根据分析结果就本工程建设对河道泄洪的影响、对河势稳 定的影响、进行评价，并对设计方案提出调整意见或建议。%Xifu River is the second largest river in Zheng city ,mainly channe

2、ls for local flood ,drainage.Xifu River Bridge crosses a highway Xifu River and arranged roadbed ,bridges and other structures in the river flood zone.In order to reduce the impact on cross-strait bridge embankments,farmland,villages,should analyze the impact of bridge construction on river flood.Ba

3、sed on the design results Xifu River Bridge ,the river chan-nel carried across the water blocking situation analysis and mathematical models by backwater calculations , based on the analysis on the impact of the construction of river flood ,the impact on the stability of river ,and carried evaluatio

4、n and design of proposed adjustments comments or suggestions.【期刊名称】吉林水利【年(卷)，期】2014(000)007【关键词】路基桥梁建设;数值模拟;影响分析 【作者】王小丹;罗健平【作者单位】广东省水利电力勘测设计研究院，广东广州510635;广东省水利电 力勘测设计研究院，广东广州510635【正文语种】中文中图分类】TV873西福河大桥所跨河段河道两岸无堤防，河道受来水在年内和年际间大小不均影响， 河道两岸滩地、低洼地仅在洪水期参与行洪，其余时期不常行洪。在桥梁设计过程 中，仅考虑在跨主河槽处布设桥梁，而在不经常行洪的岸滩

5、区域布设路基。洪水期 河道漫滩行洪，河道两岸低洼区均为行洪区域，在行洪区内布置长路段路基，阻水 严重，对河道行洪影响较大。根据有关规定1:有堤防的河道，其管理范围为两 岸堤防之间的水域、行洪区、两岸堤防及护堤地。无堤防的河道，其管理范围根据 历史最高洪水位或者设计洪水位确定1。西福河大桥桥位两岸均无堤防，桥梁所 跨河道设计防洪标准为20年一遇，其管理范围由河道设计洪水位确定，即20 - 遇设计洪水位淹没范围。西福河大桥防洪评价属于跨河建筑物类型防洪评价2应 重点分析与评价位于行洪区域内桥墩及其它建筑物的阻水影响、行洪影响、河势影 响。1基本情况1.1河道情况西福河大桥在乌石水闸上游约4.4k跨

6、越西福河，河道比降较大，易发生短历时大 洪水，沿线小范围农田洪水期常短时间受淹。西福河大桥桥位河段主河槽宽约25m，正常水深为2.5m，桥址处植被茂密，两岸多为荒草地，河道两岸为天然的 土坡，无堤防3。枯水期，由于流量较小，只有主槽过水；洪水期，河滩地则被 淹没在水下，主槽和滩地共同过水，形成漫滩水流4。河漫滩后，主河槽右岸 310m处为的进村乡道主河槽左岸约350m处为乡道之间区域均为可行洪区域， 滩地过洪宽度是主河槽过洪宽度的三十倍。在频率（P=1%、2%、5%、10% ）洪水条件下，河道过洪面积为1 452.63m3/s、 1 313.23m3/s、1 119.18m3/s、955.63

7、m3/s ;主河槽过洪面积为 169.89m3/s、162.87m3/s、153.02m3/s、144.63m3/s ,左岸滩地过洪面积 为 544.35m3/s、473.81m3/s、374.29m3/s、291.23m3/s，右岸滩地过洪面积 为 738.89m3/s、676.55m3/s、591.24m3/s、519.77m3/s。1.2设计方案情况在百年一遇设计洪水条件下，高速公路在西福河行洪断面上分别布置西福河大桥、 路基、福和互通主线1#桥3。西福河大桥上部均采用15 x30m装配式预应力砼先简支后桥面连续结构跨越西福 河主河槽及两岸岸滩，大桥下部共布置14排圆柱墩，2排桥台，桥墩

8、墩径为 1.4m，桥墩承台均埋入河床以下。西福河大桥桥位两端接路基，其中左岸路基段 长407m，右岸路基段长102m。福和互通主线1#桥桥长60m，上部采用下部装 配式预应力砼先简支后桥面连续结构，下部共布置2组双柱式桥墩（墩径为 1.2m ）, 2组桥台（肋板式桥台）3。在频率（P=1%、2%、5%、10% ）洪水条件下，高速公路涉西福河处，设计流量 分别为 1 168.68m3/s、1 025.46m3/s、834.58m3/s、688.13m3/s ；设计水位 分别为 20.255m、20.113m、19.915m、19.745m3。1.3阻水情况工程建设阻水主要由于阻水建筑物占用河道行

9、洪断面，从而阻挡、阻滞水流造成。工程的阻水比为桥梁墩台的面积阻水比为桥墩阻挡水流所占面积和墩台侧面产生涡 流阻滞水流所占面积之和除以河道断面总的过水面积5。由高速公路布置在西福河历史洪水淹没范围内构筑物可见，西福河大桥、福和互通 主线1#桥、路基对西福河均产生阻水影响。高速公路建设后，西福河大桥、福和 互通主线1#桥、路基等构筑物将阻挡水流，将占用河道行洪面积，将产生阻水影 响。在不同洪水频率（P=1%、2%、5%、10%）水文条件下，西福河大桥桥墩避 开主河槽设置，因此对主河槽未造成阻水影响；公路建设对西福河左岸滩地造成 阻水比分别为75.96%、75.67%、75.19%、74.21%，对

10、西福河右岸滩地造成阻 水比分别为75.96%、75.67%、75.19%、74.21%。由此可见，高速公路建设后， 其对西福河阻水主要由两部分组成，一部分为桥梁墩台阻水，另外一部分为路基阻 水。由于工程涉西福河河段，河道两岸无堤防，洪水期，水流漫滩行洪，两岸滩地成为 主要泄洪通道，特别是大洪水情况下，两岸滩地行洪面积占总过洪面积在80%以 上。本项目在左岸滩地上布置407m长路基，在右岸滩地上布置102m长路基， 由于本工程在两岸滩地上布置509m长路基，占用主要泄洪通道宽度长509m， 因此，造成路基占用河道过洪面积比较明显。2评价计算2.1计算方法本文将建立一维数学模型进行分析计算。控制方

11、程及其离散：采用用一维不恒定流的基本方程作为网河往复流动的控制方程。 连续方程（1-1）：动量方程（1-2）：式中：Z为水位;为过水面积（m2）;B为水面宽（m）;t为时间（s）;Q 为流量（m3/s）； R为水力半径（m）；n为曼宁糙率系数；x为沿河距离（m）； g为重力加速度（m/s2）； q为单位河长侧向入流量，流入为正，流出为负（m2/s）。对于由式（1-1）和（1-2 ）组成的典型水流方程组，目前在数值计算上可用多种 方法求解,这些方法各有优缺点，分别适用于不同的水流及边界情况。根据本水域 网河特点，采用四点加权隐格式进行离散，求解时采用迭代法。具体方法为：对于 如图1所示的网格划分

12、，以G代表流量Q和水位2,则G在河段Ax和时段At 内的加权平均量及相应偏导数可分别表示为：a为权重系数，一般情况下取0.5a1.0为宜。对于河道沿程面积的变化率，可由 简单的偏心插值得到：图1一维离散格式示意将上述各离散方程代入基本方程式（1-1 ）和（1-2 ）并整理可得到典型的代数方 程组：略去为未知数的上标n + 1，就上述二方程组求解变量Zi与Qi得:1-5式中：设全河段有I个计算断面，未知量共2I个。每一计算河段上均有如方程（1-5 ）的对方程，则共有2（1-1）个方程，加上两个边界方程Zi=Z （t）,Qi=Q （t） 或Z=f(Q),其中Z(t),Q(t )和f(Q)为边界上的

13、已知函数，构成有定解 的方程组，用高斯消去法，使系数化为上三角矩阵，然后回代求出各变量。方程(1-5)中各系数与右端项也是未知数的函数，在求解时采用迭代法，求其收敛解。 模型汊口点的连接条件为水流满足质量守恒和动量守恒，忽略各分支流速水头的差 别和汊口点的水头损失，对汊口储水的水体体积变化也忽略不计，汊口点的连接条 件满足水位相等，流量连续。此条件作为内边界条件补充到河段方程组中。2.2计算条件及参数选取地形资料：一维数学模型中的河道横断面图采用广东友元国土信息工程有限公司于 2012年5月份实测河道断面资料。边界条件：数学模型中上边界条件取上游设计洪水流量，下边界条件取相应频率水 位。工况情

14、况：本次分别分析项目建设前天然工况和项目建设后工况。糙率选取：高速公路所涉西福河河段属山区河流，主河槽宽约25m，两岸均为竹 林、荒草地等。本次计算桥位河段主河槽糙率取值参考西福河水面线计算报告西福 河上游段主河槽糙率0.033 (根据西福河水面线计算报告选取)，滩地上河床糙率 取0.050.75(水力学上建议取值)。2.3模型结果分析(1) 壅水结果根据一维数学模型计算，各设计频率(P=1%、2%、5%、10%)洪水条件下，工 程前后的水位最大壅水值见表13。表1本项目建设后河道(西福河)壅水情况表分项最大壅水值(m)P=1% P=2% P=5% P=10%最大壅水值(m) 0.078 0.

15、072 0.059 0.049 壅水长度(m) 1090.91 1063.64 1054.55 1036.36根据计算结果，各级频率洪水条件下，由于线位建设引起的水位壅高值分别为0.078m、0.072m、0.059m、0.049m ,壅水长度分别为 1 090.91m、1 063.64m、1 054.55m、1 036.36m。本项目未在西福河主河槽内设置构造物， 其桥墩、路基等构筑物均位于两岸岸滩上，桥位壅水主要是由于两岸岸滩上的构筑 物阻水引起。（2）流速结果工程建设后，受路基及桥梁下部结构阻水影响，西福河局部河段流速会有所变化， 线位上游由于建筑物阻水壅水影响，过水断面面积有所增加，河

16、段总体流速将略有 减小；线位所在断面由于建筑物设置缩小河道过水断面，导致河段流速增大；桥位 下游流速很快便恢复5。各级频率（P=1.0%、2.0%、5.0%、10%）洪水条件下，由于本项目建设而引起 的河道线位断面平均流速最大增值分别为0.458m/s、0.419m/s、0.358m/s、 0.303m/s，流速变化比分别为 56.97%、53.65%、47.99%、42.08%。由于本线 位所处位置两岸地势较为低平，洪水期两岸受淹，过洪断面较宽，天然河段漫滩流 速相对不大；受路基束窄后，阻水比较大，桥墩束流引起的流速增值较明显。3综合评价3.1对河道行洪影响本项目建设后对将缩窄过水断面、增加

17、行洪的阻力从而增大河道的综合糙率系数； 桥位上游局部河段水位壅高、流速变缓，桥位河段桥址处主流归槽、流速增大，上 游河段水位壅高、流速减缓，桥位下游逐渐恢复天然状态4。工程所跨西福河区域天然洪水易漫滩，在频率（P=1%、2%、5%、10%）洪水条 件下，西福河大桥、大桥两端路基（左岸滩地上407m长路基，右岸滩地上 102m长路基）、福和互通主线1#桥等实体建筑物所在处均属于过洪区域。工程 建设后，路基布置方案将使主流分别集中于桥下过洪，线位水位均存在一定幅度壅 高，对河道行洪存在一定影响2。各级频率洪水条件下，由于西福河大桥线位建设引起的水位壅高值分别为0.078m、 0.072m、0.05

18、9m、0.049m，壅水长度分别为 1 090.91m、1 063.64m、1 054.55m、1 036.36m。本项目涉及西福河路段，桥梁墩台与路基等构筑物均位 于两岸岸滩上，未在西福河主河槽内设置构造物，桥位壅水主要是由于路基、桥墩 等构筑物阻水引起。3.2对河势稳定影响工程建设对河道流速、流态的影响主要表现为因修建桥墩与路基而缩窄了上游附近 的过水断面，行洪时引起上游水位壅高，桥位处水流比降变陡，桥孔及岸边附近流 速增大，桥墩附近局部产生绕流。工程建设后，线路所在局部位置断面流速发生变 化，变化比为-0.25%56.97%3。本线路所在区域现状无防洪工程，洪水季节 天然漫滩过洪，工程建

19、设后，受路基阻流、束流影响，水流行至路基位置时将发生 垂向冲刷，然后迎路基方向汇集至桥下，在线路位置将形成主流汇向桥下下泄，桥 梁下部主河槽将有拓宽趋势，易对路基迎水侧局部区域、桥下主河槽、主河槽两岸 岸坡、桥梁与路基衔接处等位置产生冲刷和掏挖影响。从线位所在区域计算成果来看，洪水季节受淹区域大，流速变化明显，线路下游水 位、流速恢复较快。本工程建设后，对局部河势影响主要集中在线路沿线两侧区域 与桥位下部区域。3.3对排涝影响工程所跨西福河为当地主要排水排涝通道，工程在西福河大桥桥位两端为布置路基 方案，桥位两岸路基段为天然洪水淹没范围，工程在西福河行洪断面上布置较长路 基，将改变排水格局，对

20、河道排水排涝存在一定影响。为避免工程建设后给当地排 洪带来影响，建议桥梁设计必须合理考虑路基两侧排水沟布置与当地排水沟渠的衔 接，保证路基两侧汛期及日常的排水、排涝顺畅。4结语西福河大桥桥位河段两岸无堤防，洪水期，河道两岸低洼地即是洪水淹没区域，也 是行洪区域，高速公路在行洪区内布设较长路段路基，阻水较明显。此类型项目建 设产生的阻水影响，改变了河道的天然行洪状态，改变了排水排涝格局，引起河床 冲淤积变化。因此在开展该类型防洪评价编制过程中，不仅要注重分析桥墩构筑物 对主河道阻水影响、行洪影响；也要关注桥墩两端的路基、其他建筑物占用滩地及 设计洪水下相应行洪区域的过水面积从而造成阻水影响、行洪影响、河势影响、排 涝影响。根据分析结果，给建设单位提出桥梁与路基布置方案合理建议。口 参考文献：1 河道管理范围内建设项目防洪评价报告编制导则（试行）（水利部办公厅 办建管2004109号文）.2 防洪评价报告编制导则研究及解读（徐新华、夏云峰著）.3 北三环高速西福河大桥防洪评价（广东省水电设计院）.4 河漫滩地水利学及其应用（2010.09，广东省水电科学研究院）.5 西北江三角洲网河桥梁阻水问题调研报告（ 2001.06广东省水电科学研究 院）.