重庆某桥涉河工程防洪关键技术研究

胡晓光

（重庆交通大学 河海学院， 重庆 400074）

0 引言

2020年南部的大雨导致河流和湖泊水位上升，许多地方洪水泛滥和严重洪灾。由于最近的大雨，许多桥梁的水位急剧上升，但是此时，桥梁的承载能力增加了，以防止洪水冲刷掉桥梁。桥梁的负担加重，大雨过后由于河流的冲击而造成的桥梁损坏不容忽视。国内学者开展防洪研究很多，何书琴等[1]对穿桥地铁隧道进行防洪分析研究，为隧道防洪提供借鉴；张娜等[2]采用二维模型,研究涉河建筑物游船码头施工完成后,对河道泄洪、防汛抢险等影响，并提出相应的措施；刘娟等[3]考虑河道地形、河长等条件,冲刷计算采用平均低潮位，对壅水和冲刷计算采用现水位；蒋友祥等[4]研究桥梁建设对防洪的影响,建立二维模型对桥梁建设前后水流条件特性进行了模拟计算。

1 工程概况

道路全长369.443m，桥梁工程主桥桥长215m、宽20m、车行道宽15m，双向四车道，引桥桥长127.8m、宽12m，该桥梁所在公路等级定为三级,桥梁设计安全等级为二级。主桥桥梁设计全长222.500m(主桥长215.00m，右岸桥墩 7.5m)，双向纵坡，坡度分别为 3%和 1%。桥梁为一联，主梁为预应力混凝土连续箱梁，跨径布置为；40m+3×45m+40m，桥宽为 20m。引桥桥梁全长127.800m，双向纵坡，坡度为5.31%。桥梁分三联设置，各联之间分别采用牛腿连接，第一联与第三联为预应力混凝土箱梁，跨径分别布置为；2×25m和2×20m，桥宽为11m。第二联为普通钢筋混凝土异形箱梁，跨径布置为2×18m。

2 水文分析计算

2.1 暴雨洪水特性

工程所处流域为降水补给河流，洪水主要由暴雨形成，暴雨集中在 5～10月。年最大洪峰流量出现在汛期5～10月，多集中于6、7两月，尤以6月中、下旬发生的机会最多。由于暴雨急骤，山区性河流坡降大，汇流迅速，洪水涨落快，峰型尖瘦，洪量集中。下游一次洪水过程约 20d，其中大部分水量集中在7d内，7d洪量占15d洪量的65%以上，3d洪量占7d洪量的60%，而一天洪量占3d洪量的40%，大水年份则更为集中。

2.2 设计洪水

工程下游据河口仅400m，故拟建桥位处设计洪水直接采用河口处设计洪水成果。成果见表2-1。

表2-1 河口处设计洪峰流量成果表

3 壅水分析计算

根据《公路工程水文勘测设计规范》（JTG C30-2002）[5]中的壅水计算公式计算桥前最大壅水高度，计算公式及参数如下：

式中： Δh——桥前最大壅水高度，m；

η——系数，与水流进入桥孔的阻力有关，查表得；

——桥下平均流速，m/s；

——天然断面平均流速，m/s；

根据建桥前后水流要素，计算得阻断流量与总流量的比值均小于10，根据规范查表得η=0.05，由此计算得桥前最大壅水高度见表4-14。

表3-1 经验公式法计算桥墩最大壅水高度成果表

桥梁最大壅水长度按照以下公式进行计算：

式中： I——桥位以上水面比降；

Δh——桥前最大壅水高度，m；

L——桥梁最大壅水长度，m；

计算成果见表3-2。

表3-2 经验公式法计算桥墩最大壅水长度成果表

由表3-1、表3-8可以看出，采用经验公式法计算的桥前最大壅水高度、最大壅水长度计算结果可以看出：遭遇 50年一遇洪水时，桥前最大壅水高度为0.007m，最大壅水长度为218m；遭遇25年一遇洪水时，桥前最大壅水高度为0.006m，最大壅水长度为186m；遭遇20年一遇洪水时，桥前最大壅水高度为0.005m，最大壅水长度为183m；遭遇10年一遇洪水时，桥前最大壅水高度为0.005m，最大壅水长度为155m。

4 冲刷分析计算

4.1 河床自然演变冲刷

河床自然演变导致的冲刷，是由于河道中水沙运动，造成河道床面形态的改变，同时床面形态改变又会影响水沙运动，两者相互依存、相辅相成。这种河道的自然演变无论在建桥前或建桥后，都在不断地进行着，桥梁设计时必须考虑桥梁使用期间可能发生的河床变形。根据现场查勘和调查的结果分析，工程所在河段多年来基本没有变化，因此，河床自然演变冲刷深度取为0m。

4.2 一般冲刷深度计算

在河流上建桥后，由于桥梁桥墩束窄水流，致使桥下流速增大，水流挟沙能力增强，在桥下产生冲刷。随着冲刷的发展，桥下河床加深，过水面积加大，流速逐渐下降，待达到新的冲淤平衡状态或桥下流速降低到河床质允许（不冲刷）流速时，冲刷即行停止。这种由于建桥后压缩水流而在桥下河床全断面内发生的冲刷称为一般冲刷。一般冲刷深度hp系指桥下河床在一般冲刷完成后从设计水位算起的最大垂线水深。

由于桥墩位于河槽，故采用河槽部分一般冲刷深度hp计算公式[5]：

式中：hp——桥下河槽一般冲刷后的最大水深（m）；

Bcj——桥下河槽部分桥孔过水净宽（m），当桥下河槽能扩宽至全桥时，即为全桥桥孔过水净宽；

hcm——桥下冲刷前河槽部分最大水深（m）；

hcq——桥下冲刷前河槽平均水深（m）；

——河槽泥沙平均粒径（mm）；

E——与汛期含沙量有关的系数；

Q2——桥下河槽部分通过的设计流量(m3/s)；

μ——桥下水流侧向压缩系数；

Ad——单宽流量集中系数，

Bz、Hz——平滩水位时河槽宽度和河槽平均水深，变迁、游荡、宽滩河当Ad＞1.8时，Ad值采用1.8。

根据上式计算得到建桥后桥位河槽一般冲刷的普遍冲深为0.14m。

4.3 局部冲刷深度计算

流向桥墩的水流受到桥墩阻挡，桥墩周围的水流结构发生急剧变化，水流的绕流使流线严重弯曲，床面附近形成螺旋水流，剧烈淘刷桥墩周围泥沙特别是迎水面的河床泥沙而形成冲刷墩的现象，称为局部冲刷。局部冲刷墩外缘与墩底的最大高差用最大局部冲刷深度hb表示。影响局部冲刷的主要因素有流速、墩形、墩宽、水深和床沙粒径等。河槽部分局部冲刷深度hb计算采用《公路工程水文勘测设计规范》[5]：

桥墩局部冲刷按上述公式进行计算，得到建桥后桥墩最大局部冲刷深度为2.10m。

4.4 冲刷计算结果分析

综合桥址断面一般冲刷和桥墩局部冲刷计算结果可知，由于桥位断面河床组成基本为基岩，仅有0～3.5m厚的沙卵石层，由建桥引起的冲刷是较小的，且大桥主墩的钻孔灌注群桩基础深入地面线以下15m，桥墩引起的局部冲刷不会影响大桥的安全。

5 结论

通过以上分析计算，得出下列结论：

（1）根据工程建设布置情况，本工程防洪评价通过对水文资料的分析计算，就河道行洪能力进行了分析。

（2）通过工程实施前、后工程河段水流条件变化计算分析可知，遭遇各种频率洪水条件下，修建后引起过水面积最大束窄率为 4.79%；水位变化均在0.01m以内；流速变化均在0.1m/s以内，故本次大桥工程的修建占据河道过水面积较小，引起的局部水位壅高和影响范围都很小。

（3）由于桥位断面河床组成基本为基岩，仅有0～3.5m厚的沙卵石层，由建桥引起的冲刷是较小的。

综上所述，工程建设方案满足河道安全行洪与河势稳定的要求，因此，工程建设是合理可行的。