新建桥梁施工不同方案导流计算与分析

宋浩然

（辽宁省观音阁水库管理局辽宁本溪117100）

新建桥梁施工不同方案导流计算与分析

宋浩然

（辽宁省观音阁水库管理局辽宁本溪117100）

本文根据王家湾右岸人工湖导流条件，按照20%和10%频率下两种工况，结合设计流量、导流明渠长、底坡、糙率等参数，应用恒定非均匀流的逐段试算法，分别计算了两种工况的正常水深与临界水深，并对两种工况的导流方案进行综合对比分析，最后给出合理的导流方案，该方案切实可行，对导流等类似工程具有一定的借鉴意义。

导流；恒定非稳定流；逐段试算法；设计流量

1　概况

新立堡桥工程位于沈阳市区东南部，连接东陵区与浑南新区，距上游的东陵桥2.73km，距下游的王家湾橡胶坝1.99km。跨河桥总长1320m，桥梁总长790m，其中主桥长370m，南北引桥长420m，南北引道长530m。主桥桥宽40m，引桥桥宽40m，引道宽40m，机动车道宽均为30m，双向八车道。桥涵设计安全等级1级，主线设计速度60km/h，设计防洪标准为300年一遇。新立堡桥工程建设将在王家湾橡胶坝址处进行导流。王家湾橡胶坝全长401m，1#～5#为充气式坝，底板高程43m；6#～7#为充水式坝，底板高程43.6m。

王家湾橡胶坝左右岸各有一处人工湖。左岸人工湖长1200m，宽230m。坝的上游端900m处设置7孔进水闸2m×2m，闸底板高程42.5m；坝的下游端160m处设置7孔泄水闸2.5m×2.5m，闸底板高程41.8m。该闸在灌溉期具有100m3/s的调蓄能力。右岸人工湖长600m，宽100 m，也是满堂河的入口。坝上游200m处进口桥下有2个涵洞，涵洞直径Φ700mm，高程44.72m。坝下游350m处设置单跨充水式橡胶坝，底板高程42.8m，橡胶坝顶高程46.3m。

2　方案拟定

2.1导流明渠位置确定

新立堡桥址处河底高程37m，王家湾橡胶坝底板高程43m，左岸人工湖处进水闸底板高程42.5m，右岸人工湖进口桥下涵洞高程44.72m。三处建筑物底板高程相差较少，与桥址处高程相差较大，因此三处建筑物不具备导流条件，故选为开挖明渠进行施工导流。

在左岸人工湖处开挖明渠导流，会对进水闸产生影响，导致进水闸无法正常进流，妨碍河道正常过水运行。利用右岸人工湖开挖导流明渠，右岸人工湖进、出口桥左岸均有刚性护岸防护，拆除工程量大且成本过高，因此不宜选在此位置。进口桥右岸，出口桥右岸均无护岸防护，开挖工程量小，节约成本缩短工期且水流条件较好，故选在此处开挖明渠。

2.2计算方案确定

由于本工程施工工期较短，导流建筑物使用年限小于1.5年，根据《水利水电工程施工组织设计规范》（SL303－2004），将本工程施工导流建筑物的级别确定为5级。当导流建筑物采用土石结构时，其洪水重现期为5年～10年，当导流建筑物采用混凝土或浆砌石结构时，其洪水重现期为3年～5年。根据本工程特点及施工进度安排，导流时间为枯水期，导流时段较短，故本次施工期设计洪水频率按20%和10%分别进行计算。

新立堡桥跨越浑河，导流工程所在区域多年平均降水量为650mm～800 mm，上游大于下游。降水量年际变化大，年内分配不均，主要集中在6月～9月，占全年降水量的70%～80%。结合浑河流域暴雨洪水特点和施工设计要求，确定施工期划分为如下两段：一期（10月25日～2月20日）；（2）二期（2月20日～4月20日）。

本工程施工导流分两种工况分别计算20%和10%频率下的各流量的水力要素：

工况一：下游浑南坝充水状态，坝顶高程40.5m，考虑到回水影响，导流明渠下游计算段水位为40.7m；

工况二：下游浑南坝塌坝状态，底板高程38.5m，考虑到回水影响，出口段水位为38.7m。

图1　明渠导流计算断面图

表1　沈阳站分期设计洪峰流量成果表

3　导流明渠计算与分析

3.1计算参数

本次设计采用王家湾右岸人工湖导流，进口底高程为39.5m，出口底高程为38.751m，底坡i=0.001，糙率n=0.0275，底宽40m，边坡系数m=2，导流明渠总长L=749m。

3.2划分范围

明渠导流按恒定非均匀流公式计算，采用逐段试算法进行，把实际749m长明渠根据地形条件划分为六段、七个控制断面。断面划分见图1。

3.3设计流量

工程位置距离沈阳水文站较近，故采用沈阳水文站洪水资料推求。由于上游建有大伙房水库，沈阳站非汛期洪水主要来源于大-沈区间，故本次应用沈阳站实测洪水资料进行非汛期设计洪水计算。本次选用沈阳站自大伙房水库建成后的1959年～2003年共45年实测系列计算施工期设计洪峰流量，频率计算采用矩法，实测点据与理论曲线拟合较好，成果见表1。由于本次工程位置距离沈阳水文站较近，区间无较大支流汇入，故直接采用沈阳水文站成果。

考虑到上游浑北灌区可分流30m3/s，因此施工期设计洪水5年一遇导流流量确定为32.6m3/s，43.4m3/s，10年一遇导流流量确定为65.5m3/s，90.0m3/s。

3.4计算方法

采用逐段试算法计算基本公式［1］：

式中：△L—两断面的距离；

i—渠道底坡；

j—两断面平均水力坡降；

h—断面水深；

v—断面平均流速；

g—重力加速度。

临界水深是相应于断面单位能量最小的断面水深，计算公式为［2］：

式中：AK——相应于临界水深时的过水面积；

BK——相应于临界水深时的水面宽度；

a——流速分布不均匀系数；

Q——过水流量。

正常水深采用明渠均匀流计算公式，即谢才公式为［3］：

式中：C——谢才系数；

R——水力半径；

4　结果与分析

4.1施工导流水深及水位计算结果

根据公式（2）和公式（3），计算正常水深h0和临界水深hk，导流标准为5年一遇，一期（10月25日～2月20日），h0=0.582，hk=0.412，二期（2月20日～4月20日），h0=1.011，hk=0.497；导流标准为10年一遇，一期（10月25日～2月20日），h0=1.291，hk=0.653，二期（2月20日～4月20日），h0=1.559，hk=0.805。

根据公式（2），计算临界底坡ik。经计算，各方案下i＜ik，为缓坡。工况一时，为a1型壅水曲线，进口段以正常水深为渐近线；工况二时，出口水位较低，为b1型降水曲线，出口断面水深为临界水深，进口水深逼近正常水深。各工况计算成果见表2及示意图2、3。

表2　导流明渠计算成果表单位：m

图2　工况一（橡胶坝充水状态）进出口水位特性

图3　工况二（橡胶坝塌坝状态）进出口水位特性

经综合对比分析，推荐采用10年一遇导流标准，浑南坝塌坝状态的导流方案。2008年10月25日～2009年2月20日导流明渠进口水位为40.79m，2009年2月20日～4月20日导流明渠进口水位为41.06m。

4.2施工导流建筑物设计

本次导流建筑物的设计应既考虑本工程的具体特点及要求，又能充分利用周边现有资源条件。在下游明渠处修建一座便桥，以保障王家湾橡胶坝工程管理人员的日常管理和维护。在右岸人工湖北侧修建长918m，宽6m的临时施工路，以保障游人及机动车通行。导流明渠工程需开挖土方229184m3（不包括道路），袋装土护坡10000m2。本工程明渠导流位置的选择首先能保证河道过水断面能够满足导流流量的过流要求，并避免在导流期间对河道造成冲刷。其次，尽量增大导流流量，满足施工要求，加快工程进度。第三，尽量少占用明渠附近的农用地，节省工程投资。经水力计算，确定了本工程明渠导流的位置。陕西水利

［1］高英峰.浑河闸施工导流与水流控制［J］.地下水，2016，38（3）:173，176.

［2］吴兵.淮河入海水道桥梁工程防洪影响评价的难点与对策［J］.水利规划与设计，2013，（8）: 8-10，28.

［3］王丽霞.西成铁路涝河对角岔钢桥防洪评价探析［J］.陕西水利，2016，（2）:51-52.

（责任编辑：唐红云）

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