桥梁工程跨越蓄洪区对防洪的影响评价

张 鹏 季益柱

（中水淮河规划设计研究有限公司 合肥 233000）

蓄洪区是指包括分洪口在内的河堤背水面以外临时贮存洪水的低洼地区及湖泊等。淮河干流现有蓄洪区6处，设计蓄洪量65.44亿m3，蓄洪区的主要作用是蓄滞河道洪量，削减洪峰，减轻河道两岸堤防和下游的防洪压力，在历次大洪水中发挥了重要作用。

随着我国社会经济的不断发展，交通运输行业投资规模进一步扩大，跨越蓄洪区的公路桥梁建设项目逐年增多，桥梁建成后，可为蓄洪区内群众的生产、生活及分洪时撤退转移提供更为有利的交通保障，是保护区域居民生命和财产安全的交通命脉，建设意义重大。但是桥梁的建设也会带来一些不利因素，如桥位断面的过流面积会被压缩，造成局部流速加大，壅水、冲刷和流态紊乱等会给蓄洪区的运用、防汛抢险和水利管理带来不利影响。鉴于以上情况，在项目建设前对拟建桥梁工程进行相应的计算和分析并作出合理的防洪影响评价是十分必要的。

本文以跨越濛洼蓄洪区的某省道特大桥工程为例进行分析，通过收集濛洼蓄洪区基本情况、相关水利规划和桥梁工程设计文件等资料，采用规范推荐的经验公式进行壅水和冲刷分析计算，同时，为更好地分析桥梁建设对濛洼蓄洪区运用时区内蓄洪水位、分洪历时、流速过程和水流流场等情况的影响，采用平面二维水流数学模型对工程前后濛洼蓄洪区的水流运动进行数值模拟，根据分析计算成果给出桥梁工程跨越蓄洪区对防洪的影响评价结论，并对拟建工程设计和施工提出修改建议及防治与补救措施，减轻或降低工程建设对蓄洪区安全运用带来的不利影响。

1 濛洼蓄洪区和桥梁工程概况

濛洼蓄洪区是淮河防洪工程体系的重要组成部分，位于安徽省阜南县境内，淮河干流洪河口以下至南照集之间，南临淮河，北临濛河分洪道。濛洼蓄洪工程由濛洼圈堤、王家坝进洪闸和曹台孜退水闸等组成，圈堤长94.3km。濛洼蓄洪区内地面高程一般为26.0～21.0m，地势由西南向东北倾斜。现状蓄洪区总面积180.4km2，设计蓄洪水位27.7m，设计进洪流量1626m3/s，设计蓄洪量7.50亿m3。当淮干王家坝水位达29.2m且有继续上涨趋势时，视雨情、水情和工程情况，适时启用濛洼蓄洪。濛洼蓄洪区的主要作用是降低淮干王家坝水位，现状启用标准约为5年一遇。

拟建桥梁工程位于阜南县中岗镇、曹集镇，在濛洼蓄洪区内布置2座特大桥分别为濛洼特大桥和曹集特大桥，桥梁设计荷载公路-Ⅰ级，设计防洪标准为300年一遇。其中，濛洼特大桥位于曹集镇北侧，桥梁北侧与濛河分洪道右岸堤防平交，南侧接过渡段路基，桥梁全长约3000m。曹集特大桥位于曹集镇东侧，桥梁北侧接过渡段路基，南侧接区内县道，桥梁全长2200m。濛洼蓄洪区及桥梁工程线路示意见图1。

图1 濛洼蓄洪区及桥梁工程线路示意图

2 桥梁工程对蓄洪区运用的影响

桥梁工程的修建对蓄洪区运用的影响一般包括以下几个方面：（1）对蓄洪水位的影响；（2）对分洪历时的影响；（3）对流速过程的影响；（4）对水流流场的影响。上述影响均可利用平面二维水流数学模型对桥梁工程修建前后濛洼蓄洪区的水流运动进行数值模拟后对比分析得到。

2.1 濛洼蓄洪区二维水流模型

2.1.1 控制方程及计算方法

连续性方程：

X方向动量方程：

Y方向动量方程：

式中：t为时间；x，y，z为右手 Cartesian 坐标系；d 为静止水深；h=η+d为总水深；η为水位；u，v分别为流速在x，y方向上的分量；f为科氏力系数f=2Ωsinθ，Ω为地球旋转的角频率，θ为当地的纬度；ρ为水的密度；ρ0为参考水密度；为地球自转引起的加速度；sxx，sxy，syx和 syy为辐射应力分量；Txx，Txy，Tyx和 Tyy为水平粘滞应力项；Pa为当地的大气压；S 为源汇项，us，vs为源汇项水流流速；τsx，τsy为风场摩擦力在x，y上的分量；τbx，τby为底床摩擦力在x，y上的分量。

采用非结构有限体积法离散控制方程。有限体积法中使用的非结构网格通常由三角形或四边形网格组成，为了准确拟合蓄洪区曲折的岸边界，一般采用三角形网格进行计算。

2.1.2 模型的建立

（1）计算范围

模型计算采用实测的濛洼蓄洪区地形资料，计算范围为整个濛洼蓄洪区。计算范围、保庄圩、进出口闸门及特征点示意见图2。

（2）糙率

图2 计算范围及特征点示意图

濛洼蓄洪区在进行洪水模拟的过程中，根据现场调研、已有项目经验及相关资料的查阅，模型中糙率选用0.05。

（3）网格

采用三角形网格进行计算，模型中对庄台及桥墩等局部地区进行网格加密，同时扣除安岗等保庄圩的保护范围，总共划分了约30000个网格。模型网格划分如图3所示。

（4）时间步长

利用有限体积法计算三角网格的水流模拟时，采用30s作为最大时间步长，0.01s作为最小时间步长。

（5）边界条件

上游进口边界采用王家坝闸流量过程，下游出口边界采用曹台孜闸流量过程。

2.1.3 模型的验证

选取2003年濛洼蓄洪区进洪后区内洪水复演过程对模型进行验证。选取2003年7月3日0∶00～7月22日0∶00作为模型验证时段，模拟计算濛洼蓄洪区两次进洪过程及第一次退洪过程，上、下边界条件分别为2003年王家坝闸及曹台孜闸实测流量过程，验证过程中需考虑该时段蓄洪区内的降雨及蒸发量。

2003年洪水演进过程模拟结果如图4所示。自王家坝闸开闸进洪开始，洪水到达曹台孜闸附近，大致需要2d左右的时间。曹集水位站水位验证结果显示，计算水位与实测水位吻合较好，水位平均误差在0.06m以内。

图3 网格划分图

图4 2003年濛洼洪水演进模拟结果图

从2003年洪水复演的模拟结果看，模型的网格划分、参数取值等较合理，模型能较好地模拟濛洼蓄洪区内洪水的淹没过程，可应用于工程前后区内洪水演进情况的分析对比。

2.2 计算结果分析

2.2.1 对蓄洪水位的影响

由于桥墩的阻水作用，桥墩两侧区域的水位会略微抬高。由于濛洼蓄洪区面积较大，为反映工程后蓄洪区内蓄洪水位的变化情况，选取具有代表性的特征点的水位过程进行分析。模型计算结果显示，各特征点处水位的最大抬高值不超过0.005m，桥墩阻水对濛洼蓄洪区蓄洪水位的影响很小。

2.2.2 对分洪历时的影响

对分洪历时的影响主要表现为：濛洼蓄洪区分蓄洪水时，工程对洪水到达蓄洪区内各点时间的影响。桥梁工程修建前后洪水到达蓄洪区内各特征点时间见表1。由表1可以看出，桥梁工程修建后，洪水到达蓄洪区内各特征点的时间基本一致。可见，桥梁工程的修建对洪水到达各特征点位置的历时有一定的影响，但影响较小。

2.2.3 对流速过程的影响

工程沿线各特征点相应的流速峰值统计见表2。可以看出，濛洼蓄洪区分蓄洪水时，区内洪水流速整体较小，且工程前后各特征点的流速峰值相差也不大。

总体来说，工程修建后，濛洼蓄洪区进洪时区内各点的流速过程、流速峰值有所变化，但变化非常小。

表1 工程修建前后洪水到达濛洼蓄洪区内各特征点时间表

表2 工程修建前后各特征点流速峰值及峰值出现时间比较表

2.2.4 对水流流场的影响

为分析工程修建对濛洼蓄洪区运用时水流流场的影响，选取濛洼特大桥第30号桥墩为代表，图5为濛洼蓄洪区进洪36h后桥墩处流场图。从图中可以看出，工程修建后，桥墩附近出现了绕流，水流流场在桥墩附近有一定的变化，但影响范围较小，仅在桥墩局部网格处的流速大小和流向有稍为明显的改变，其他网格处的流速大小和方向并无明显的变化。

3 蓄洪区运用对桥梁工程的影响

蓄洪区运用对桥梁工程自身安全的影响主要为蓄洪区运用时对桥墩基础的冲刷影响、长时间的蓄洪对路基的侵泡、风浪淘刷影响和遇超标准洪水，蓄洪区堤防可能溃决的影响。

本文运用规范推荐的公式，根据模型计算得到的流速和水深变化过程，对拟建桥梁进行冲刷计算。经计算，桥址处不产生一般冲刷，局部冲刷深度为0.23cm，冲刷对桥墩基础的影响较小。

根据濛洼蓄洪区历次运用情况，蓄洪区一般蓄洪时间较长，有时持续数月，路基长时间浸泡，加上风浪淘刷及进退水等因素，可能会对路基边坡稳定造成不利影响。

现状濛洼蓄洪区堤防级别为3级，根据《淮河洪水调度方案》，当淮干王家坝水位达29.2m且有继续上涨趋势时，视雨情、水情和工程情况，适时启用濛洼蓄洪。因此，从风险角度考虑，当淮河发生较大洪水时，桥址处濛洼圈堤可能会溃决，堤防溃决后洪水流速较大，将会造成大的冲刷坑，对桥墩乃至大桥的稳定性造成较大影响，不利于桥梁安全。

4 桥梁工程对防洪工程及防汛抢险的影响

桥梁工程的修建对防洪工程影响主要为对堤防和区内庄台安全的影响，对防汛抢险的影响是桥梁施工和运行期间对防汛抢险的影响。

该工程中濛洼特大桥与濛河分洪道右堤平交，根据大桥的总体布置图以及现状堤防状况，未在濛河分洪道右堤堤身断面内布置桥墩，且墩台布置在濛河右堤的堤脚外；曹集特大桥与安岗保庄圩圩堤相距约300m，距离较远；因此大桥的布置符合《堤防工程设计规范》的相关要求。

图5 濛洼特大桥第30号桥墩处流场图

根据现场调查情况，拟建大桥上下游各1.0km范围无庄台，且桥址处目前也无规划建设的庄台，因此大桥的建设对庄台无影响。

桥梁施工期间对防汛抢险主要有三个方面的影响：一是施工对堤防及上、下堤道路的破坏，直接降低堤防的防洪标准；二是在堤防背水侧进行桥墩桩基基础施工，钻孔打通透水层产生管涌可能对堤基造成的渗透破坏；三是在蓄洪区内堆放施工器材、工具等阻水物品，降低分蓄洪水的能力。

桥梁运行期间对防汛抢险的影响主要表现为濛洼特大桥与濛河分洪道右堤平交，可能会影响防汛、管理车辆的正常通行；桥梁工程在蓄洪区内布置桥墩较多，桥墩会对分洪时救生船只形成障碍，可能给蓄洪区内水上救生带来影响。

5 对工程设计和施工的建议

通过上述分析及计算结果可知，桥梁工程的建设对濛洼蓄洪区正常运用、桥梁工程本身安全运行和现有防洪工程及防汛抢险的影响很小，并且符合当地的交通规划要求。但工程在设计和施工安排上仍然存在一些不足之处，鉴于此本文结合蓄洪区运用和工程实际情况，提出了修改性建议和预防性措施。

（1）建议设计单位对濛洼特大桥桥址与濛河分洪道右堤平交处上下游一定范围内采取护坡、护岸等工程措施进行防护。

（2）建议设计单位根据本次计算的流量、水位成果重新进行冲刷计算，复核桥梁桩基的承载力和桥墩基底的安全埋深。

（3）建议施工单位在汛期来临前清理蓄洪区内施工区一切临时建筑物、施工器材，清除防汛道路上一切临时障碍物，不得影响防汛车辆的通行。

（4）建议建设单位和设计单位综合考虑桥址处濛洼圈堤可能溃决时对桥梁安全的不利影响，做好风险防范措施。

（5）建议设计单位在平交路口设置警示标志，确保防汛、管理车辆的正常通行；在桥梁附近设立指示牌，桥梁侧面及桥墩上设立反光标识和警示标志，保证蓄洪区水上救生船只和人员安全通过。

6 结语

蓄洪区是淮河防洪工程体系的重要组成部分，随着我国经济社会的快速发展，蓄洪区内建设项目逐渐增多，这些工程在发挥自身作用的同时也会对蓄洪区的安全运用产生一定的影响。如何既满足各行业建设的需要，又不致削弱或降低水利工程防御洪水的能力，这就要求必须加强对河道管理范围内建设项目的管理，在工程建设前期作出客观、公正、合理的防洪影响评价，避免对后期运行造成无法挽回的损失。最后，希望本文既能为加强河道管理范围内建设项目的管理提供技术依据，也能为今后类似工程的防洪影响评价提供有价值的理论和方法■