沈阳满都户大桥改建工程防洪评价要点

周 哲

(沈阳市交通运输事务服务与行政执法中心 沈阳市 110000)

1 概况

沈阳沈环线满都户大桥改建工程位于辽中境内，目前该桥与辽河大桥同属于沈环线上跨辽河的桥梁，现状满都户大桥位于辽河大桥的西侧，两桥相距70m，该桥与辽河大桥已经一并评定为需改建桥梁；拟建设方案为拆除原满都户大桥、辽河大桥及两桥之间的70m路基，在原满都户大桥下游侧净距1m处新建满都户大桥。该项目需开展前期工作，防洪评价工作是桥梁建设前期工作的重中之重，直接影响到桥梁建设规模以及对辽河防洪的影响(和河道冲刷)。

从防洪评价角度对该桥的拟建长度进行分析，是否对辽河水位及相关防洪规划和工程设施(河道)造成影响。评价工作主要是从以下程序开展：

(1)收集辽河流域相关的水文资料进行水文分析；

(2)根据水文资料对该桥位进行水力计算；

(3)河道冲刷计算。

2 水文资料及水文分析

水文资料来源：辽河流域自1932年先后建立了水位站和水文站，各主要支流均设有水文站，基本反映了个河流的来水量；实测资料均经过整编刊印，并经过内、外业调查分析确定。各测站的主要资料年限表如表1所示。

3 水力计算

3.1 一维水力计算

(1)水面线计算

表1 辽河各主要站资料年限表

河道水面线采用恒定非均匀流公式推算。基本方程式为：

K=K左滩+K右滩+K主槽

ΔZ—上下游水位差；

L—上下游流心距；

V上—上游断面平均流速；

V下—下游断面平均流速。

(2)桥梁壅水计算

公路桥壅水高度计算采用公路设计规范推荐的公式：

式中：ΔZ—桥下最大壅水高度(m)；

η—系数，应按表-2的规定取值；

V0—断面平均流速，为设计流量被全河过水断面(包括边滩和河滩)除得之商(m/s)；

V—桥下平均流速，应按表3规定计算求得(m/s)。

表2 η系数

表3 桥下平均流速

3.2 计算范围

计算范围从辽中环线高速桥断面至L116断面，计算范围内河道全长24883m，布置河道计算横断面11个(图1，断面-7为本项目位置)。

图1 水面线计算断面位置示意图(断面-7为本项目位置，粗线所示)

3.2.1计算频率及流量

拟建桥梁工程设计标准为100年一遇；所在辽河河段设计防洪标准也为100年一遇，拟建工程位于石佛寺水库下游，其组合设计流量受石佛寺放流控制，根据水文计算成果，断面1～断面7(属卡力马～盘山闸区段)100年一遇设计洪峰流量取5000m3/s，断面8～断面11(属巨流河～卡力马区段)100年一遇设计洪峰流量取5250m3/s。

3.2.2计算地形资料

拟建桥梁所在辽河河段计算采用平面地形资料为2011年实测1∶1万平面地形图；经多方面资料收集，目前工程所在河段横断最新资料为2011年测量成果，因此本次水面线计算横断面采用2011年测量结果，其中桥址附近断面采用本次2018年实测横断资料。

3.2.3起点水位

本次计算选取高速桥断面为水面线计算起始断面，该断面100年一遇设计洪水下，相应起点水位为18.20m。

3.2.4河道糙率

本次主河槽根据河段河床质及河道的平面形态等参照《水力学计算手册》进行取值，取值范围为0.018～0.024；滩地糙率主要利用洪痕等资料进行验证，并结合辽河现有河滩地植被，参照《水力学计算手册》中天然河道糙率表确定，取值范围为0.038～0.13。

3.2.5计算工况

本次一维水力计算，分别在以下四种工况条件下进行：

(1)工况一：维持现状，原有旧桥情况；

(2)工况二：桥梁拆除，无跨河桥梁情况；

(3)工况三：改扩建工程建设期，新桥建成，老桥尚未拆除，新旧桥梁同时存在情况；

(4)工况四：桥梁改扩建工程完工后，即新建桥梁通车，老桥拆除完毕，仅有新建跨河桥情况。

3.2.6计算成果分析

根据选定的河道糙率、河底、起点水位，四种工况下，工程位置处水面线计算成果见表4。

3.2.7桥梁运行期水面线计算结果对比分析

工程所在位置处发生100年一遇设计洪水时，设计流量5000m3/s，桥址下游河道断面横向宽3900m，其中滩地总宽3366m，主槽宽534m，全断面过流，设计洪水位19.8m。左滩过流宽度1353.5m，过流量1057m3/s，占总过流量的21.1%，左滩流速0.3m/s；主槽过流宽度534m，过流量2274m3/s，占总过流量的45.5%，主槽流速0.71m/s；右滩过流宽度2012.5m，过流量1669m3/s，占总过流量的33.4%，右滩流速0.27m/s。滩地过流能力占总过流能力的54.5%，主槽过流能力占总过流能力的45.5%，此处河道以滩地过流为主。

表4 辽中环线高速桥至断面-11段水面线计算成果表

桥梁改扩建之前，旧桥所在位置处发生100年(50年)一遇设计洪水时，旧桥桥址处水位为19.99m，桥梁壅水为19cm，与省内平原区其它跨河桥梁相比较，壅水值较高，旧桥阻水较严重。究其原因，主要是因为旧桥建成后引道压缩了2522m河道自然过流宽度，造成河道水流流态发生变化。

根据水力计算结果，这次新扩建的1029m主桥，属于原旧桥引道区及两旧桥路基连接区，临近现状主河槽，且地势相对较低，受地形影响，打通后其对河道水位降低作用较为明显，在辽河100年一遇设计洪水条件下，主桥扩建1029m后，河道内桥梁壅水仅为4cm；壅水影响长度880m。由此可见，虽桥址处现状河道过流断面宽达3.9km，但过流能力较强的部位集中在现状主河槽及其两侧，宽度约为2.2km，过流能力占全河道的79.5%，河槽其余两侧滩地虽有1.7km宽，但过流量较小，其过流能力仅占全河道的20.5%。

按设计部门提供的方案，根据水力计算结果，辽河100年一遇设计条件下，桥址处设计洪水位为19.84m；新建满都户大桥梁底高程为21.92～24.12m，100年一遇设计水位下梁底净空为2.08～4.28m，满足河道行洪要求。

因此，按照设计部门提供的桥梁改扩建方案，可明显改善原跨河桥的阻水问题，桥梁壅水大幅降低；与上下游临近的其它跨辽河桥相比，其壅水高度相对较小，桥梁建设对河道行洪影响微小。从行洪安全和经济合理性两方面综合考虑，本次改扩建工程桥梁的设计方案基本可行。

新桥建成后，旧桥未拆除前，河道内新旧桥梁桥墩共存，由于旧辽河桥单孔跨径为22.2m，旧满都户大桥单孔跨径为16m，新建满都户桥单孔跨径为30m，因此新旧桥墩之间错孔布设，增大了河道内的阻水面积，进一步影响河道行洪。根据分析计算，该工况下，100年一遇设计洪水时，桥址处水位壅高值为0.21m，较原桥壅水值相比，增大0.02m，对现状行洪条件的影响不大。桥址处现状两岸堤顶高程分别为21.7m(左岸)、21.2m(右岸)；均高于该工况下100年一遇水位；因此，工程建设期间，不会降低两岸堤防的防洪能力，基本可确保所在河段防洪安全。

4 河道冲刷计算

4.1 计算方法

桥梁墩台冲刷包括一般冲刷、局部冲刷和河床自然演变冲刷，冲刷深度是三者的总和。洪水冲刷过程中，上述三种冲刷是交织在一起同时进行的。本次计算只考虑一般冲刷和局部冲刷。为了便于分析计算，假定局部冲刷是在一般冲刷完成后的基础上进行的，冲刷深度为这两种冲刷深度的叠加。

桥梁工程计算河床冲刷的最大深度的公式目前主要采用《公路工程水文勘测设计规范》提出的针对非粘性土和粘性土对桥下的河床一般冲刷的计算公式。根据该工程处的地质勘测报告可以看出，工程所在河段主要由粉质黏土和粉砂组成，本次按粘性河床计算。具体计算公式如下：

(1)一般冲刷河槽部分

式中：hp—桥下一般冲刷后的最大深度(m)；

Qp—设计流量(m3/s)；

Q2—桥下河槽部分通过的设计流量(m3/s)，当桥下河槽能扩宽至全桥时，Q2=Qp；

Qc—天然状态下河槽部分设计流量(m3/s)；

Qt1—天然状态下桥下河滩设计流量(m3/s)；

Bcj—建桥后桥下断面河槽宽度(m)，一般情况下Bcj=L，只有当桥孔压缩部分河滩，而桥下河槽又不能扩宽时，Bcj=Bc；

Bc—河槽宽度(m)；

λ—设计水位下，在Bcj宽度范围内桥墩阻水总面积与过水面积的比值；

μ—桥墩水流侧向压缩系数；

hcm—桥下河槽部分最大水深(m)；

hcq—桥下河槽平均水深(m)；

Ad—单宽流量集中系数；

Bz、Hz—造床流量下的河槽宽度和平均水深(m)，对复式河床可取平滩水位时河槽平均水深。

(2)一般冲刷滩地部分

式中：Q1—桥下河滩部分通过的设计流量(m3/s)；

htm—桥下河滩最大水深(m)；

htq—桥下河滩平均水深(m)；

Btj—河滩部分桥孔净长(m)。

(3)局部冲刷

由于桥墩阻碍了水流，被阻水在桥墩周围以旋涡的形式与河床泥沙发生作用，在建筑物周围，特别在迎水面附近产生冲刷坑。

式中：hb—局部冲刷深度(m)；

Kζ—桥墩系数，取1.1；

B1—桥墩计算宽度(m)；

hp—桥下一般冲刷后的最大深度(m)；

IL—冲刷坑范围内黏性土液性指数，使用范围0.16～1.48。

4.2 计算条件

新建满都户大桥桥梁主桥跨径布置为80×30m=2400m，桥梁13#～30#桥墩位于河道主河槽内，0#桥台和1#～12#桥墩位于河道左岸滩地内，31#～79#桥墩和80#桥台位于河道右岸滩地；桥墩为圆形桥墩，直径为1.4m(0#和80#桥台墩柱直径为0.8m)。拟建工程所在位置处，河道主河槽宽534m，左岸滩地长约1353.5m，右岸滩地长约2012.5m。

拟建工程设计防洪标准为100年一遇，所在河道设计防洪标准为50年一遇。由于工程位置处50年和100年一遇水位基本一致，本次仅对工程所在位置处100年一遇设计洪水条件下的冲刷深度进行计算。

4.3 计算成果分析

本计算结果只针对工况四，即新建桥梁通车，老桥拆除完毕，仅有新建跨河桥梁的情况，冲刷计算结果如表5所示。

表5 拟建桥梁所在河段处冲刷计算结果(单位：m)

根据计算的冲刷成果，新建满都户大桥处桥梁100年一遇防洪标准下主河槽冲刷深度分别为3.75m，止冲高程分别为10.05m；滩地冲刷深度为1.39m，止冲高程分别为14.14m。新建桥梁桩基础长35m，埋深大于桥址处河道冲刷深度，基础埋深满足河道冲刷要求。

5 结语

沈环线满都户大桥的防洪评价是从多方位对辽河水域的影响进行分析，通过水力计算分析了四种工况下对河道行洪的影响，本桥的改建以及建设期间对辽河的行洪能力影响微小，从行洪安全和经济合理性两方面综合考虑，本次改扩建桥梁的设计方案基本可行。同时，根据《公路工程水文勘测设计规范》从桥梁对阻水、壅水及河道冲刷角度进行计算分析，桥梁的基础埋深对新建桥梁桩基础长度设置和埋深满足河道冲刷要求。本文对公路桥梁的长度设置、跨径组合以及基础冲刷等参数确定，具有参考意义。