山区河道斜交桥梁的防洪计算分析

赵忠伟　马亮　袁帅

摘要：山区河道弯曲狭长，洪水期峰高流急，而受地形和线位制约，很多桥梁不得不采用斜交方式跨河，进一步增加了阻水面积，给河道防洪造成很大压力。以拟建兰江特大桥为例，通过二维数值模型计算分析斜交桥梁扭转桥墩和增大桥跨两种结构优化方案对山区河道防洪和河床冲刷的影响效果。结果表明：扭转桥墩轴线与水流方向平行可以减小斜交桥梁对河流的阻水效应，并且可以改善桥墩的挑流作用，减小河道冲刷;增大桥跨（减少桥墩阻水面积）也是减轻桥梁阻水的有效措施，再结合扭墩对桥梁结构进行优化，可以显著减轻桥梁阻水作用，改善桥墩的挑流作用，并且减轻对河道的冲刷。

关键词：山区河道;斜交桥梁;数值模型;防洪安全;河道冲刷

中图分类号：TV214

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2019.04.004

随着我国公路和铁路交通建设的蓬勃发展，大量跨河桥梁的建设加大了河流的防洪压力，尤其对于山区河流，河道弯曲狭长，洪水期峰高流急，防洪安全问题尤为突出[1]。受地形和桥梁线位等条件因素制约，很多山区桥梁不得不选择斜交方式跨河，增大了河道内桥墩的阻水面积，进一步增加了防洪压力，而且桥墩轴线与水流存在夹角，容易引起流向偏转，对河床和堤岸造成挑流冲刷[2]。为避免桥墩对水流的控导作用，减缓墩柱束水和挑流作用对河床和堤岸的冲刷，很多工程采取加大桥跨和偏转桥墩的方式减轻河道防洪压力[3]。

山区斜交桥梁壅水计算已有经验公式可供参考[4-5]，然而斜交桥梁的壅水特性和流场分布规律还需要结合数值模型和物理模型试验来分析[6].目前针对此类问题的研究仍较少[7]。本文以拟建兰江特大桥为研究对象，结合二维数值模型分析扭转桥墩轴线方向和增大桥跨方案对河道壅水、流速改变和河床冲刷的影响，为该河段防洪影响评价提供参考依据。

1 工程概况

兰江位于浙江中西部钱塘江水系上游，起自金华兰溪城区三江（金华江、衢江和兰江）口，经女埠、洲上、下埠头至将军岩往北人建德市境内，流经三河、麻车、大洋至建德梅城“三江口”（兰江、新安江和富春江），贯穿兰溪和建德两市。兰江属于典型山区河道，河槽狭窄，坡陡流急，沿程有多个弯道和险滩，洪峰过流期間水位暴涨暴落。兰江原来是砂砾石河床，局部有基岩出露。富春江水库建成后，下游水面比降变缓，流速降低，河床有悬移质泥沙沉积。工程位置河床仍以砂砾石为主，中值粒径21.5 mm，属卵石范畴。

拟建兰江特大桥位于女埠镇下游约4 km处（见图1），为新建金华至建德高速铁路斜跨兰江的一座大型桥梁，长约1 160 m。工程主跨桥梁长度200 m，采用钢筋混凝土系杆拱桥结构，主桥墩采用椭圆墩柱结构，为减小桥墩阻水作用，拟采用扭转桥墩或增大引桥桥跨两种方案进行结构优化。不考虑结构优化时，桥墩轴线和桥梁轴线垂直，共有11个墩（简称11墩原方案）。第一种结构优化方案，不改变桥墩数量，扭转桥墩使桥墩轴线方向与水流方向接近平行（简称11墩扭墩方案）。第二种结构优化方案，增大引桥桥跨，减少桥墩数量至9个，同时扭转桥墩轴线与水流方向接近平行（简称9墩方案）。本研究的目的是对比分析不同方案下桥墩阻水、流场变化和河床冲刷演变情况。

2 兰江特大桥二维数值模型

结合二维数值模型，对比桥墩与桥梁轴线垂直、桥墩与流线平行和增大桥跨3种情况下桥墩的阻水作用，分析流场的分布情况以及对河床冲刷的影响。考虑到该桥位附近河道弯曲狭长、河床地形条件复杂，模型上游截取至兰溪水文站，下游截取至三河水位站，总长度约20.5 km。

2.1 计算原理

二维水流连续性方程如下：

2.2 计算模型和工况

模型采用非结构化网格，网格尺寸在桥墩处减小至2-3 m，桥墩外围网格尺寸渐变至30 m（上、下游边界处）。为削弱网格尺寸对建桥前、后计算结果的影响，建桥前、后采用同一套网格计算分析，建桥前桥墩部分过水，而建桥后剔除桥墩内部计算网格（即桥墩内部不参与计算）。根据桥梁结构优化方案，共建立6套网格进行计算分析。

模型上游取兰溪水文站设计洪水流量过程，模型下游取三河水位站设计水位过程，梅溪和甘溪两大支流取设计洪水流量过程，其他边界设定为无流量边界。桥墩内部不过水时，将桥墩周围网格边界设定为无流量边界。经模型率定后，该河段河槽糙率采用0.015 -0.021.边滩糙率采用0.022 - 0.030。

因为该河段缺乏相应水文资料，所以本次模拟计算先建立富春江库区一维模型，通过中间三河水位站水位变化率定一维模型，率定合理后再利用工程区一维模型水位数据率定二维模型。模型率定采用“20110612”洪水，从计算结果（见图2）可以看出，三河水位站计算结果和实测结果较为吻合，说明富春江库区一维模型可以较好地模拟该区域水位变化情况。同时，二维模型计算结果与一维模型计算结果较为一致（见图2），因此该二维模型计算结果较为合理。

根据《防洪标准》（ GB 50201-2014），准高速铁路桥梁采用100 a-遇防洪标准设计，由于工程区堤防按20 a一遇洪水设防，因此本研究同时对20 a一遇洪水进行模拟计算，为兰江大桥防洪评价提供借鉴。各工况下兰溪水文站、甘溪、梅溪设计洪峰流量见表1。边界洪水流量及水位过程根据兰溪水文站典型洪水过程“19550618”洪水（见图3）采用“峰比”放大获得。由于洪水期三河水位站处于富春江库区回水范围内，因此三河水位站设计洪水位需要结合一维数值模型计算获取，计算结果见表1。

3 计算结果分析

桥梁建成后，桥墩占用行洪面积，产生阻水和束水效应，在防洪影响评价时，通常会考虑水位壅高对桥梁和堤防的影响，以及水流变化导致的河床和堤防冲刷。本文从阻水比、壅水、流速改变和河床冲刷等方面对兰江特大桥不同桥墩布置方案进行对比分析。

3.1 桥墩阻水比和壅水计算

桥墩阻水比反映了桥墩占用行洪面积的比例，是检验桥梁阻水程度的重要指标。从不同工况阻水比变化（见表2）来看，兰江特大桥11墩原方案过水面积减幅超过9%，显著大于文献[8]建议的7%，可能导致墩前壅水作用显著增强。从11墩扭墩方案来看，扭转后桥墩在过水断面上投影面积显著减小，降低了桥墩的阻水作用。由此可见，与河道斜交桥梁扭转桥墩轴线方向与水流方向平行，对降低桥墩阻水作用效果明显，是减小斜交桥梁河段防洪压力的有效方法。桥墩扭转后如果阻水比仍然不满足规范要求，可采用增大桥跨的方法进一步降低桥墩占过水面积的比率，以满足河道行洪需求。

受桥墩阻水作用影响，桥梁上游水位壅高，对堤防防洪安全造成一定影响。壅水范围和壅水高度是河道防洪和涉水建筑物规划设计的重要依据，其中壅水长度是水利部门水域补偿计算的重要依据，墩前水位壅高是桥梁底高程设计的重要参考数据。对比兰江特大桥3种方案的壅水长度计算结果（见图4，其坐标为北京54坐标系，下同）可以看出，100 a 一遇洪水经过时，11墩原方案和11墩扭墩方案桥墩壅水高度0.01 m的范围已经超过兰溪水文站。采用这两种方案建桥，壅水长度计算需要进一步延长模型范围，同时需要考虑模型上游边界效应影响。100 a一遇洪水下，9墩方案桥墩壅水高度0.01 m的范围达到女埠镇下游，壅水长度接近4 km，壅水范围明显小于11墩原方案和11墩扭墩方案。

从现状堤防防洪条件（20 a一遇洪水）来看（见图5），11墩原方案桥墩壅水范围超过7.5 km，到达黄湓大桥附近，11墩扭墩方案壅水范围仅为4.0 km左右，较原方案缩短3.5 km.而9墩方案壅水长度不足1 km。由此可见，扭转桥墩可以显著降低阻水比，缩小壅水范围.在此基础上增大桥跨可以进一步缩小壅水范围。

从不同洪水重现期3种方案墩前壅水高度计算结果来看，100 a一遇洪峰经过时，11墩原方案左岸主墩墩前壅水高度超过0.06 m，而桥墩扭转后（11墩扭墩方案）左岸主墩墩前壅水高度有所降低，主跨右岸临近的4个桥墩墩前壅水高度也有所降低（见图6）。相比而言，20 a一遇洪水时，扭转桥墩对降低墩前壅水高度的作用不再显著（见图7）。由此可见，扭转桥墩方向有利于改善局部水流条件，减小墩前壅水高度，尤其在发生较大洪水时效果更为明显。从整体效果来看，兰江特大桥9墩方案墩前壅水高度相对较低，对改善局部水流条件更为有利。忽略水流的三维特征，通过二维模型计算桥墩墩前壅水高度有一定的局限性，准确描述桥墩周围局部水流条件，还需要借助三维数值模型和物理模型试验。

3.2 流速变化及其对河床冲刷的影响

桥墩阻水和束水效应还表现在对桥位附近水流流速的改变，从而影响附近泥沙运动。一方面，受墩前壅水和墩后尾水作用，流速降低，泥沙落淤;另一方面，桥墩挤占行洪断面，增大桥墩两侧水流紊动作用，造成河道断面冲刷，影响桥梁和堤防结构安全。从流速计算结果来看，建桥前100 a一遇洪峰经过桥位附近时最大流速仅为1.8 m/s，而建桥后受桥墩束水作用影响，墩间行近流速接近1.9 m/s.主墩墩头背水侧环流流速最大达到2.25 m/s。受此影响，桥墩之间河床可能存在一定冲刷作用，墩头背水侧局部冲刷作用较强。

从主墩附近流速放大结果来看，当主墩轴线与桥梁轴线垂直布置时（11墩原方案），受桥墩尾部挑流作用影响，桥墩尾部迎水侧流速显著增大，对河床产生局部冲刷作用，影响河床和桥梁结构稳定，而扭转桥墩轴线与水流方向平行后（11墩扭墩方案），该挑流作用基本消失（见图8）。左岸主墩与水流方向仍有一定夹角，桥墩尾部迎水侧存在局部挑流作用，如果桥梁结构受力允许，可以考虑将左岸主墩轴线方向进一步微调至与水流方向平行，以减小桥墩尾部挑流对河床造成的局部冲刷。

对比11墩扭墩方案和9墩方案可知，增大桥跨（减小桥墩数量）后桥墩占用行洪面积相对较小，桥墩束水作用有所减弱，水流对河床冲刷作用也会相对减小（见图8）。墩后尾水影响区域内流速迅速降低，泥沙可能在墩后落淤，而尾水区外流速较建桥前普遍增大，对河床有一定冲刷作用（见图8）。

建桥后，桥位处除桥墩附近流速变化较大外，河道断面左岸附近和右岸墩后局部（橙红色区域）水流流速变化较为明显（见图9），容易造成河床和堤岸冲刷，应适当抛填碎石和进行堤岸硬化保护。对比3种方案可知，11墩原方案建桥后左岸附近和右岸局部的流速变化最大，而9墩方案影响较小。

堤防防洪现状（20 a一遇洪水）条件下，流速分布及变化规律与设计工况（100 a一遇洪水）基本一致，其主墩墩头附近最大流速接近2.1 m/s，墩间行近流速接近1.65 m/s。尽管二维数值模型可以反映建橋后河道的流速变化以及对河床的冲刷作用变化，但是准确模拟河道断面流速的垂向分布和对河床的冲刷效果，还需要结合三维数值模型和物理模型研究。针对防洪影响评价需求，可以结合二维数值模型和经验公式定量分析建桥后流速变化导致的河床冲刷变化。

3.3 河床冲刷计算

桥涵水文计算中，把河床的冲刷分解成自然演变冲刷、一般冲刷和局部冲刷三部分，并假定它们相继进行，可以分别计算后叠加，得到墩台的最大冲刷深度。该桥位附近河段属典型山区河流，河床泥沙组成主要为卵砾石，自然状态下河床相对稳定，建桥后需考虑桥位处河床一般冲刷和桥墩局部冲刷。

本次计算采用《公路工程水文勘测设计规范》（ JTG C30-2015）给出的非黏性河床河槽一般冲刷（8.3.1）和桥墩局部冲刷（8.4.1）经验公式。经计算，100 a一遇洪峰经过时.3种方案河槽一般冲刷水深分别为8.48、8.43、8.38 m，主桥墩局部冲刷水深分别为2.38、2.08、2.03 m（见表3）。对比3种方案，河床的一般冲刷水深差别不大，但1 1墩原方案主墩轴线和水流方向存在一定夹角，墩尾挑流作用会导致局部冲刷水深较为显著。3种方案建桥后最大冲刷水深不超过11 m，而100 a 一遇洪峰经过时桥位附近主槽水深为15.6 m，满足冲刷最大水深要求，桥位处河床不会产生明显冲刷。堤防现状防洪条件下，3种方案建桥后桥下最大冲刷水深分别为9.25、8.85、8.81 m，而该洪水重现期下洪峰经过时河槽水深为13.6 m.满足最大冲刷水深要求，建桥后河床也不会产生明显冲刷。

4 结语

山区河道斜跨桥梁桥墩的阻水面积相对较大，具有明显的阻水效应和绕流作用，造成河段壅水和河床冲刷，甚至可能危及堤防安全，给河段防洪造成很大压力。扭转桥墩使桥墩轴线与水流方向平行，或者增大桥跨（减少桥墩数量）可以减小桥墩的阻水面积。以拟建兰江特大桥为例，通过二维数值模型分析斜交桥梁扭转桥墩和增大桥跨对山区河道防洪和河床冲刷的影响效果。

研究结果表明，100 a一遇洪峰经过时.3种方案桥墩的阻水比分别为9. 03%、7.55%和6.59%，9墩方案桥墩水位壅高0.01 m的范围不足4 km.壅水范围明显小于11墩原方案和11墩扭墩方案;建桥前，100 a一遇洪水时桥位附近最大流速仅为1.8 m/s.建桥后受桥墩束水作用影响，墩间行近流速接近1.9 m/s，11墩原方案主墩墩头背水侧环流最大流速可达2.25 m/s;100 a 一遇洪峰经过时桥位附近主槽水深为15.6 m.而3种方案河槽最大冲刷水深分别为10.86、10.51、10.42m，满足冲刷最大水深要求。

对比3种方案可知，扭转桥墩使桥墩轴线与水流方向平行，可以有效减小桥墩的阻水面积，降低桥墩的阻水和绕流效应，减轻斜交桥梁对河道的壅水作用，改善桥墩周围水流条件，尤其是改善桥墩轴线与水流存在夹角时墩尾挑流造成的紊动作用，减轻桥墩附近河道局部冲刷。桥墩扭转后，如果桥梁阻水比仍然不满足规范要求，可采用增大桥跨的方法进一步降低桥墩占用的行洪面积，以进一步降低桥梁壅水和改善桥位附近水流条件，但可能增加桥梁工程建设成本。

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