二维水动力模型在跨河桥梁防洪影响补偿中的应用

余文忠，陆洪亚，孙传文，朱京德

(连云港市水利规划设计院有限公司，江苏 连云港 222000)

根据《中华人民共和国水法》、《中华人民共和国防洪法》等有关规定，需进行跨河桥梁防洪影响评价[1- 2]。河道内桥墩的布置，造成阻水，减小了行洪过流断面面积，引起桥前壅水，影响行洪能力[3- 5]，需对河道断面进行补偿扩挖[6- 9]。为验证补偿效果，本文利用二维水动力模型进行数值模拟[10- 15]。

1 基本情况

1.1 河道概况

新沂河始自江苏省骆马湖嶂山闸，途经新沂、宿豫、沭阳、灌南、灌云五县(市)境至燕尾港镇南出海，全长146km。204国道跨新沂河特大桥位于新沂河大断面桩号约113+000处。桥址处堤距约2.98km，河道行洪水面比降约为1/10000。桥址处南偏泓泓底宽约112m，口宽约155.5m，泓底高程-0.62m，边坡1∶4；桥址处北偏泓泓底宽约113m，口宽约175m，泓底高程-0.2m，边坡1∶4。

1.2 桥梁概况

204国道跨新沂河特大桥分为左右两幅，结构完全相同。桥梁轴线方向与新沂河河道夹角为100°，桥墩轴线与水流方向一致。桥梁单幅宽13.0m。桥梁上部结构采用30m组合箱梁，跨大堤采用40m组合箱梁，与桥梁立交；下部结构均为双柱式桥墩上接盖梁，肋板式桥台，钻孔灌注桩基础。桥梁布孔形式为：5×30+6×30+3×40+18×(5×30)+4×30+3×40+6×30+5×30m，桥梁总长3724.5m。桥梁及其断面图如图1—2所示。

图1 桥梁跨越新沂河

图2 桥梁断面图

表1 补偿方案1设计情况表

表2 补偿方案2设计情况表

2 补偿方案设计

2.1 桥址处现状工况

南偏泓：桥梁中心线上游450m处为小潮河滚水坝，滚水坝下游设浆砌石护坦、后接浆砌石消力池、护底及防冲槽，防冲槽末端距桥梁中心线389m；桥梁中心线下游约1km处现有生产桥一座。考虑到小潮河滚水坝的保护范围及生产桥的正常通行，本次补偿设计方案，南偏泓桥址上游扩挖起点在小潮河滚水坝防冲槽末端向下游50m处。

北偏泓：桥梁中心线上、下游约1.0km处现状各有生产桥一座。

2.2 补偿方案设计

经计算，在50年一遇设计工况(新沂河现状防洪标准)下，桥墩阻水面积615m2，桥墩阻水面积比为4.649%。

本次行洪断面补偿拟定了2个方案进行比选，即桥墩阻水全断面补偿方案(方案1)、阻水断面部分补偿方案(方案2)。2个补偿方案主要是开挖的长度和宽度不同，开挖长度均不小于各方案的雍水影响范围。考虑桥墩的阻水面积及雍水影响范围，确定全断面补偿的方案1开挖长度；在方案1的基础上，为保持水流流态平顺，确定了补偿方案2。

2.2.1方案1

以现状南、北偏泓内侧泓口线为边线，向河道中心扩挖。本方案为阻水断面全断面补偿，根据50年一遇设计洪水位下桥墩的阻水面积，确定直线段南、北偏泓对称开挖宽度为各114m。详见表1及图3—4。

2.2.2方案2

由于方案1中土方工程量较大，且开挖的直线段长度相对较短，可能对水流的流态有一定的影响，故拟定了方案2(阻水断面部分补偿)。河道补偿开挖的宽度比方案1略小，同时为使水流流态平顺，增加了直线段开挖长度。详见表2及图5—6。

图3 南偏泓补偿平面(方案1)

图4 北偏泓补偿平面(方案1)

图5 南偏泓补偿平面(方案2)

图6 北偏泓补偿平面(方案2)

3 补偿效果分析

3.1 计算范围

计算范围：北偏泓计算范围长1500m；南偏泓计算范围长1300m。

河道断面：河道断面为实测断面，测量间距为100m。

网格划分：采用无结构三角形网格剖分，边长一般为5～50m，桥墩处加密为1～2m，网格数为37107个，节点数为19454个。

3.2 模型参数

本次直接采用“新沂河整治工程初步设计报告”[16]设计糙率，泓道n=0.020，滩地n=0.030。

3.3 计算工况

计算工况考虑现状及特大桥建成后，分别为以下3种：

工况1：现状不建桥梁的情况。水位、流量参照“新沂河整治工程初步设计报告”中相关成果，模型进口流量取新沂河50年一遇行洪流量7800m3/s，模型出口处南偏泓水位6.297m，北偏泓水位6.299m。

工况2：新沂河特大桥建成后不采取任何补偿措施的情况，水位、流量同工况1。

工况3：新沂河特大桥建成后采取补偿措施的情况。根据现场实际情况，初步考虑2种补偿方案，水位、流量同工况1。

不同计算工况组合表见表3。

3.4 计算结果

扩挖补偿后桥址附近各断面水位对比结果见表4—5。

3.5 方案比选

3.5.1补偿效果比较

(1)南偏泓

采取河道补偿措施后，相比现状工况，方案1大约在桥址上游238m处(桩号0+500)出现壅水，方案2大约在桥址上游238m处(桩号0+500)出现壅水。从出现壅水的距离分析，2个方案效果相同。

表3 不同计算工况组合表 单位:m

采取补偿措施后，相比现状工况，方案1能减小流速最大值0.014m/s，方案2能减小流速最大值0.012m/s。从减小流速方面分析，两者差别不大，方案1略优于方案2。

但由于方案1直线段开挖长度较短，河道中水流流态相对较紊乱。从保持河流水流流态稳定方面考虑，方案2优于方案1。

(2)北偏泓

采取河道补偿措施后，相比现状工况，方案1大约在桥址上游338m处(桩号0+400)出现壅水，方案2大约在桥址上游438m处(桩号0+300)出现壅水。从出现雍水的距离分析，两者差别不大，方案1略优于方案2。

采取补偿措施后，相比现状工况，方案1能减小流速最大值0.028m/s，方案2能减小流速最大值0.006m/s。从减小流速方面分析，方案1略优于方案2。

但由于方案1直线段开挖长度较短，河道中水流流态相对较紊乱。从保持河流水流流态稳定方面考虑，方案2优于方案1。

3.5.2工程量比较

方案1实际补偿面积615m2，同新沂河大桥桥墩阻水面积，切滩面积192亩，工程共需开挖土方33.52万m3；方案2实际补偿面积534m2，约为大桥桥墩阻水面积(615m2)的87%，切滩面积183亩，工程共需开挖土方31.63万m3。

表4 南偏泓104#桥墩附近各断面水位比较表 单位：m

表5 北偏泓17#桥墩附近各断面水位比较表 单位：m

方案2土方开挖量小于方案1，通过工程量比较，方案2优于方案1。

表6 方案比较表

3.5.3推荐方案

通过对补偿效果及工程量的比较，方案2的补偿效果总体优于方案1，且工程量小于方案1。因此，本次补偿设计推荐方案2。

4 结论

本文通过二维水动力模型数值模拟了新沂河流场，解决了防洪影响补偿范围难以确定的问题，给出了防洪影响补偿的理论依据，为河道主管部门管理涉河建设项目提供了技术支撑。但鉴于桥址处上下游河道现状工况，本文仅拟定了2种补偿方案，且补偿效果相差不大。类似建设项目，若无限制，建议按照补偿长度设计3种及以上补偿方案，综合考虑补偿效果及工程量等因素择优选取。