呼口大桥防洪评价雍水及回水计算分析

张永华，刘国梁，丁昌春

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)



呼口大桥防洪评价雍水及回水计算分析

张永华，刘国梁，丁昌春

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)

摘要：根据呼口大桥工程概况，阐述了经验公式法和水流数学模型法两种雍水及回水计算方法，分析确定了两种方法中参数和模型边界条件，运用两种方法计算分析呼口大桥修建与河道裁弯曲直后河道雍水高度和回水长度，通过对两种方法计算成果的对比分析，进一步分析本工程对堤防及防洪的影响，并提出相应的防洪影响评价结论和建议，为项目建设决策提供科学依据。

关键词：防洪评价；雍水；回水；水面线；数学模型

1工程概况

呼口大桥位于呼兰河干流下游，西北距哈尔滨市呼兰区8km。拟建大桥大致呈南北走向，桥位在呼兰河滨北铁路桥下游3.5km、呼兰河口上游7.5km处，桥址处为松花江回水堤，左岸为腰卜方台堤防，右岸为三家子堤防，大桥引道与两岸堤防平交，工程位置示意图见图1。呼口大桥主体工程包括主桥、引桥和路基工程，属于大型永久性跨河建筑物，路肩标高为121.96m。采用75m变截面预应力混凝土连续箱梁方案，主孔跨径为45+2×75+45m，主桥长240m；引桥跨径为40 m的多孔梁式桥，引桥长1647.12m，桥梁全长1887.12m。

呼兰河下游11km为Ⅲ级航道。河道裁弯工程按Ⅲ级航道设计标准进行建设，通航标准为航深1.7m，航宽70m，弯曲半径>500m，通航保证率为95%。船队组织形式：以272kW、198kW推轮分别与600t、1000t级分节驳组成的2排1列式顶推船队的运输方式为主，适当发展其他形式的顶推船队。

图1工程位置示意图

2壅水及回水分析

2.1经验公式法

根据搜集整理的资料数据推求呼兰河呼口大桥建设后的设计水面线以及大桥建设后对桥址上、下游河段挖河的设计水面线。为试算糙率和推求回水影响长度，水面线应自下游的呼兰河口CS呼1断面起推，向上至兰西水文站断面，总长约49km，计算断面共29个，其中本项目影响范围内计算长度为29.1km，断面20个。

水面线计算采用简化的稳定非均匀流公式：

(1)

流量模数计算公式为：

(2)

式中： n主、n滩为主槽、滩地糙率；R主、R滩为主槽、滩地水力半径；A主、A滩为主槽、滩地断面面积；α、β为主槽、滩地断面偏角；Φ河道弯曲系数；Φ=L主/L滩；L主为主槽河道长度。

桥梁壅水高度采用铁三院公式：

△H=η(Vm2-V02)

(3)

式中：ΔH壅水高度；η壅水系数；Vm桥孔压缩断面平均流速，m/s；V0桥孔扩散断面平均流速，m/s。

壅水系数按流量压缩比在0.05～0.15范围内插值，压缩比>0.6时均采用0.15，<0.3时均采用0.05。

控制断面设计流量及起推水位见表1。糙率采用拟合水文站实测H～Q曲线试算法率定糙率，其变化范围见表2。

表1　起推水位及分段流量表

表2　试算糙率成果表

壅高及回水分析：将本次推求的各堤防改线及疏浚河道工程实施后的现状水面线水面线与呼口大桥建成后的设计水面线进行比较，建桥后桥址上游呼兰河干流水位略有抬高，与现状水面线相比较，20 a、50 a和100 a一遇设计洪水位最大壅高值均为0.01m。水位抬高的主要原因为呼兰河呼口大桥横跨呼兰河干流，建在行洪滩地和主槽部分的桥墩和大桥两端与堤防连接处的路基阻水，压缩了过流断面所致，根据计算，建桥后较建桥前20 a、50 a一遇和100 a一遇设计洪水位对应过流面积分别压缩了8.62%、8.25%和7.53%。由于桥位处距离呼兰河口较近，受松花江干流回水影响，该段河道水面比降较缓，在两者共同作用下，呼口大桥建成后桥梁壅高较小。

将挖河后的设计水面线与建桥后的设计水面线进行比较，根据壅水计算成果，挖河工程实施后没有给呼兰河干流洪水位带来壅高影响，洪水水面线有所降低，20 a、50 a和100 a一遇设计洪水位最大降幅分别为0.03m、0.03m和0.02m。水位降低的主要原因是河道裁弯取直，利用1 132 m长顺畅的直线型引河衔接上下游河道，裁弯比达到2.5。挖河后河道流速略有增大。

统计建桥后桥及桥下断面的过流面积以及流速、流量等参数进行对比。桥址及桥下断面水力要素统计见表3。桥断面较桥下断面总过流面积减少7.53%～8.62%，主要为滩地面积压缩，滩地虽然过流面积有所减少，但流速增加不大，过流量减少较小，而主槽流速增加，过流量增加较大。

呼兰河呼口大桥建成后，较现状河道水面线水位有所壅高，但影响有限，各频率水位抬高值最大仅为0.01m；挖河工程实施后，对桥梁本身的壅水高度没有影响，但降低了本河段的水面线，各频率水位降幅在0.02～0.06 m，对呼兰河干流行洪是有利的。

2.2模型试验分析

根据呼兰河呼口大桥总体布置及航道裁弯取直总体布置，运用水流数学模型研究：裁弯取直方案实施前后工程周边水动力变化，分析对周边河势的影响；围绕航运安全，研究工程实施对航道流态、水深条件影响；评价工程方案实施后对区域防洪及局部河势的影响等。

2.2.1数学模型计算

考虑到流域的整体性，并提高计算效率，采用一维模型和二维模型嵌套计算的方法，由一维模型为二维模型提供边界条件，两个模型边界位置见图2。

图2　一维二维模型嵌套位置示意图

二维模型洪水位时呼兰河和松花江上游边界为流量边界，下游为水位边界(见表4)。较低水位时，呼兰河以水位控制。

表4　计算方案对应模型边界条件

在工程前地形的条件下，采用了三级流量，方案1、方案2和方案3的水文条件对模型进行了率定验证。模型边界条件见表 4。参考《松花江三家子堤防工程数学模型研究成果报告》，考虑水深的变化，模型的糙率参数M取在26～66。

经验表明，三级流量验证的水位误差都不超过 15cm，水位误差在10%以内，模型计算结果符合《水利工程水利计算规范》中水力学计算的要求，满足验证精度[2]。

2.2.2一维模型验证结果分析

计算结果表明，考虑航电枢纽后，仅枢纽附近水域水位有所上升，对松花江上游水位影响较小，断面 9，断面10，断面11 的水位升高仅0.06～0.12m。不考虑航电枢纽时，断面10～18模型计算值与成果报告中的推求水位值吻合良好，符合相关规范规定的精度要求，可以较好地反映该河段实际运动情况。断面 9 与推求值相差较大，原因是由于断面 9 位于呼兰河汇入点，接受大量呼兰河来流。而在成果报告中推求哈尔滨干流水面线时并没有考虑呼兰河的影响，因此导致模型计算值大于报告推算值。

综上所述，所建立松花江哈尔冰河段一维水流模型是基本合理的，能够满足对该河段水流模拟的要求，可为后面进行的松花江呼兰河段二维数学模型提供相关水文条件。

2.2.3二维数学模型验证结果分析

在计算水文条件上，以以往相关工程水文研究成果为基础，考虑了松花江干流为主的洪水方案和呼兰河支流为主校核方案共7组方案，比较不同水位条件下呼兰河口段以及工程区河道的水位、流态情况，从模型计算结果，初步得到以下结论：①工程前后该河段水位分布和流速分布差别很小，工程实施后未明显减小河道过流能力，所以工程的实施对松花江干流呼兰河口段的整体河势滩势几乎无影响；②裁弯取直段上下游航道在洪水方案条件下，工程前后几乎没有变化，在校核方案中，工程前后水位变化<0.04 m，流速变化≤0.05 m/s，对上下游航道的影响不大；③工程前后弯段和取直段航道水位非常接近，“直段”航道形成后上下游流速均匀，而弯段航道上下游流态差异大，走向多变，存在航运安全隐患，所以总体上新航道内水流流态更为平稳，对航运非常有利。

3两种方法计算成果对比分析

根据模型试验结论，在松花江为主的情况下，挖河前后水位基本没有变化；在呼兰河为主时，10 a和20 a一遇洪水挖河前后水位变化最大为0.03m和0.02m。而公式法计算的水面线成果，10 a和20 a一遇洪水挖河前后水位变化最大为0.04m和0.03m。

模型试验中的松花江为主方案，呼兰河流量量级较小，与公式法计算的水面线采用洪水差别较大，故模型试验松花江为主方案，水位变化值与公式法计算的水面线分析成果差别较大；而模型试验中的呼兰河为主方案，呼兰河流量量级与公式法计算的水面线采用洪水比较接近，故模型试验呼兰河为主方案，水位变化值与本次水面线分析成果基本一致。

参考文献：

[1]黑龙江省水利水电勘测设计研究院.哈尔滨市松花江北岸堤防防汛抢险通道—呼兰河呼口大桥工程防洪评价报告[R].哈尔滨:黑龙江省水利水电勘测设计研究院，2011.

[2]上海市水利工程设计研究院.哈尔滨市松花江北岸堤防防汛抢险通道工程呼口大桥桥位及航道裁弯取直水流数学模型研究报告[R].上海:上海市水利工程设计研究院，2011.

Backwater and Return Water Calculation Analysis of Hukou Bridge Flood Control Evaluation

ZHANG Yong-hua; LIU Guo-liang and DING Chang-chun

(Heilongjiang Provincial Water Conservancy & Hydroelectric Power Investigation, Design and Research Institute, Harbin 150080, China)

Abstract：According to the general situation of the Hukou bridge project, two kinds of calculation methods about backwater and return water: the experimental formula method and water flow mathematical model method were described to analyze the parameters and boundary model conditions of the two methods.Two methods were applied to calculate and analyze the height of backwater and the length of return water after constructing the Hukou Bridge and straightening the river course, by comparing the results of the two calculation methods, the impact of the project on dike and flood control was analyzed further and corresponding conclusion and suggestion about the flood control impact evaluation was put forward to supply scientific accordance for the decision on project construction.

Key words：evaluation of flood control; backwater; return water; water surface line; mathematical model

中图分类号：TV87；TV131

文献标识码：B

[作者简介]张永华(1983-)，女，黑龙江双鸭山人，工程师；刘国梁(1982-)，男，黑龙江哈尔滨人，工程师；丁昌春(1984-)，男，山东青岛人，工程师。

[收稿日期]2015-10-18

文章编号：1007-7596(2016)01-0010-04