引汉济渭二期工程跨泾河管桥防洪影响评价

李 磊，李 南，李宏伟

(陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西 西安 710100)

洪涝灾害是我国较为频繁的自然灾害，而人类活动成为了洪灾的主要因素[1]。随着经济社会的发展，越来越多的跨河桥梁工程在河道管理范围内建设[2]。跨河桥梁作为跨河工程重要建筑物，桥梁建设后，位于河道内的桥墩占据了部分行洪断面，使过水面积减小，同时增大了水流阻力，造成桥位上游一定范围内水位壅高[3]。同时使下游流速增大，水流挟沙能力增强，在河槽及滩地上形成冲刷[4-6]，还会造成所在河道的水动力轴线、滩槽和岸线的变化[7]。因此，为了保障河道河势稳定、行洪安全，桥梁的安全运行，应编制防洪评价报告[8-9]，评估其影响范围、影响程度，并提出应对措施及建议。

目前，国内研究跨河桥梁项目防洪评价计算分析及关键问题研究颇多[10-13]，而在防洪评价计算中考虑现有大型工程影响因素的案例分析很少。本文以引汉济渭二期工程跨泾河管桥为例，考虑上游某在建大型水库，通过水文分析、水力学计算及相关论证成果，对跨泾河管桥进行防洪影响评价。

1 工程概况

陕西省引汉济渭工程是联通汉江、渭河两大水系，统筹关中、陕南、陕北三大区域发展，保障全省经济社会发展和生态环境安全的基础性、全局性、战略性、公益性水资源配置工程，泾河管桥工程是引汉济渭二期工程跨越泾河的关键节点工程，位于杨武分水口至泾河新城分水口段。跨泾河管桥设计输水流量为13.5 m3/s，采用2根直径为2 400 mm钢制输水管。采用全桥跨方式跨越泾河、立交方式跨越两岸台地，为梁拱组合预应力混凝土连续梁桥。桥梁全长约为1.18 km，采用单向坡，纵向坡度为0.3%，桥上不设置变坡点。河道范围的孔跨布置(从左岸到右岸)为：(60 m+4×105 m+60 m)(主槽)+21×30 m(滩地)(如图1所示)。管桥起点位于泾河左岸焦翟村南约300 m，终点位于泾河右岸牛杨村东北角，线路成东北—西南走向。管桥走向符合供水工程总体走向。根据《防洪标准》(GB50201—2014)要求，确定该管桥按特大桥设计，防洪标准为50年一遇设计，200年一遇校核。

图1 引汉济渭二期跨泾河管桥工程桥孔跨布置示意

泾河管桥预计2022年施工，施工工期为40个月，下部结构在非汛期施工，施工期跨越汛期和非汛期。

2 河道及现有水利工程情况

跨泾河管桥位于陕西省泾河下段，该段上起泾惠渠渠首，终于泾河入渭河口，流经关中平原区，河道总长为67.5 km。该段干流总体呈西北—东南向斜穿渭北原区，区间干流无大的转折(如图2所示)。河槽总体上呈上游窄下游宽，河道蜿蜒曲折，弯曲程度沿程变化不定，曲折系数一般在1.2左右，个别河段略大，弯曲程度最大的是马家窑河段，曲折系数达1.76。

图2 引汉济渭二期跨泾河管桥工程地理位置示意

管桥左岸跨越正在施工的云天王河道整治工程(磨盘坝护岸)，左岸桥墩位于高塬上，桥墩距离左岸连坝路为6 m，管桥梁底垂直距离连坝路面为6.3 m。管桥上距张家山水文站为21 km，下距桃园(二)水文站为28 km。桥位断面上游的巴家咀、亭口两座水库均没有防洪库容，对下游河道防洪作用有限，且两水库控制面积较小，其水库自然滞洪作用对交叉断面洪水影响不大，因此，本次桥位断面设计洪水不考虑巴家咀水库、亭口水库的影响，仅分析泾河干流某在建大型水库的影响。此大型水库为大(Ⅰ)型水利工程，大坝位于泾河下游峡谷出口，混凝土双曲拱坝坝高为230 m，水库总库容为32.76亿m3。已于2019年完成初步设计审批，目前已开工建设，建设工期为8 a，预计2027年完工。

3 防洪评价计算

3.1 设计洪水位计算

3.1.1计算方法

根据测量资料，断面间水流方向变化较大，水流情况复杂，桥位河段水位受上下游水位影响较大，为能更好地分析设计洪水位，本次分别采用曼宁公式法和水面线法2种方法对桥位断面设计水位进行分析。

3.1.2计算条件

1)采用断面

2019年8月在桥位断面上下游7.4 km范围内进行了河道大断面测量，共测6个大断面，其中DM5断面为桥位断面。

2)比降及综合糙率

比降根据实测水边点确定，大洪水时比降采用全河段平均比降1.1‰，综合糙率采用0.03。

3.1.3计算结果

通过曼宁公式法、水面线法2种方法推求管桥断面的水位流量关系和河段设计洪水位。2种方法推算的桥位断面的洪水位成果见表1(85国家高程)，经比较，采用曼宁公式和水面线2种方法计算得到的设计洪水位成果较为接近。采用水面线的方法，综合考虑了河段下游水位和断面形态对设计断面水位的影响，相对更为符合实际情况。

表1 跨泾河管桥工程桥位断面设计洪水位成果比较 m

某在建水库建设周期较长，发挥防洪效益的时间晚于本工程建设，并按最不利情况考虑，本次推荐采用不考虑某在建水库影响的洪水成果。因此，本次推荐采用水面线法计算得到的成果，即桥位处50年一遇设计洪水位为406.34 m，200年一遇校核洪水位为407.30 m。

3.2 壅水分析计算

按照原《公路桥位勘测设计规范》(JTG C30—91)推荐的壅水公式，计算结果见表2。由表2可见：某水库建成前，200年一遇设计流量为16 300 m3/s时，管桥修建后的最大壅水高度为0.21 m，桥前最大壅水长度为382 m；某水库建成后，200年一遇设计流量为7 060 m3/s时，管桥修建后的最大壅水高度为0.16 m，桥前最大壅水长度为291 m。因此，管桥最大壅水长度取382 m。

表2 跨泾河管桥工程桥梁壅水长度计算成果

3.3 梁底高程计算

按照防洪要求，梁底高程HL按式(1)计算：

HL=Hp+Hb+Δh0

(1)

式中Hp为桥梁设计洪水位,m；Hb为浪高、壅水高度和安全超高，m；Δh0为桥下净空值，取0.5 m。

桥位断面200年一遇洪峰流量为16 300 m3/s的洪水位为407.30 m，管桥修建后的最大壅水高度为0.21 m，波浪高度为0.63 m，安全超高考虑0.5 m，桥下净空为0.5 m(根据《公路工程水文勘测设计规范》确定)，则hb=1.34 m；桥位河段冲淤变化不大，不再考虑河道淤积。将上述数据带入式(1)计算结果见表3。由表3可知，某水库建成前，梁底高程为409.14 m；某水库建成后，梁底高程为406.9 m。因此，桥位处满足设防流量洪水防洪要求的梁底高程HL为409.14 m。

表3 跨泾河管桥工程桥梁梁底高程计算成果 m

3.4 冲刷分析计算

依据《公路工程水文勘测设计规范》(JTG C30—2015)、《铁路工程水文勘测设计规范》(TB 10017—1999)，总冲刷深度为自河床面算起的河床自然演变冲刷、一般冲刷与局部冲刷深度之和。由于在校核洪水设计流量下，河水出主槽，因此，冲刷计算分主槽和滩地两部分。某水库建成前，主槽冲刷后的最大水深为21.33 m，滩地冲刷后的最大水深为8.69 m。主槽最低冲刷线高程为385.97 m，滩地最低冲刷线高程为398.61 m(见表4)。某水库建成后，主槽冲刷后的最大水深为21.90 m，主槽最低冲刷线高程为383.21 m，滩地冲刷后的最大水深为6.01，滩地最低冲刷线高程为399.10 m(见表5)。

表4 某水库建成前跨泾河管桥冲刷计算成果 m

表5 某水库建成后跨泾河管桥冲刷计算成果 m

分析以上两种情况下的计算结果，根据校核洪水设计流量下主槽、滩地桥墩一般冲刷和局部冲刷的计算结果，考虑某在建水库引起的沿程冲刷下切，三者累加得到冲刷后的最大水深，对应冲刷线高程最小值，即某在建水库建成后主槽和东庄修建前滩地的最大冲刷水深分别为21.90 m和8.69 m，相应冲刷线高程分别为383.21 m和398.61 m。

4 防洪综合评价

4.1 对河道行洪的影响

引汉济渭管线跨越泾河管桥修建后，桥前壅水将引起上游局部河段的水位、流速场等发生改变。校核洪水流量为16 300 m3/s时，桥墩阻水面积占修建前过水面积的3.1%，经计算设计流量下的桥前最大壅水高度为0.21 m，壅水长度为382 m，可见，管桥建设对河道泄洪有一定影响，主要表现在壅水将降低上游云天王河道整治工程标准，应重新进行达标设计后组织实施。

管桥退水管道位于主河槽的出口外，埋深均在2 m以下。施工在非汛期采用大开挖方式，施工完毕后恢复河道原貌，不挤占河道的行洪断面，所以退水管道建设及施工对河道行洪基本不会产生影响。

4.2 对河道冲刷的影响

根据冲刷计算，大桥修建导致桥下过水断面面积减小，河槽单宽流量增加，局部水面比降和流速加大，导致河床产生一般冲刷。桥墩下游，由于桥墩附近加大了的水面比降和流速要经过一段距离的重新调整才能逐步恢复过渡到下游河流的自然形态，因此，下游一定范围内的河床仍会有不同程度的冲刷。大桥建设会引起桥位附近云天王河道整治工程基础失稳，对工程安全不利，应对云天王河道整治工程基础进行专门设计加固。

4.3 对防汛抢险的影响

拟建管桥以全桥渡方式跨越泾河，以立交方式跨越两岸，桥梁下弦高程设计考虑了左岸河道整治工程连坝路净空，预留垂向距离为6.3 m，满足防汛抢险的交通要求，因此，管桥建设对防汛抢险没有影响。

4.4 对堤防、护岸及其他水利工程和设施的影响

1)管桥河段现状没有堤防、左岸下游75 m有规划的南王浩堤防工程。左岸目前有正在实施的云天王河道整治工程(磨盘坝护岸)，管桥以立交方式跨越河道两岸，一跨跨越磨盘坝工程，左岸桥墩距离磨盘坝最近距离为12 m。根据壅水计算，校核洪水流量为16 300 m3/s时，桥前最大壅水高度为0.21 m，壅水长度为382 m，壅水使壅水范围内的云天王护岸工程标准降低。

2)对水文站的影响分析

拟建管桥上游21 km为泾河张家山水文站，下游28 km处为桃园(二)水文站，管桥建设对水文站水文监测没有影响。

4.5 项目施工对河道行洪及防汛抢险的影响

管桥工程施工期较长，跨越泾河汛期、非汛期。施工期间的一些临时工程，如施工栈桥、施工围堰都是有碍行洪的障碍物，一旦发生大洪水，临时建筑物会阻碍河道洪水顺利下泄，对河道行洪安全产生不利影响。施工期间若施工交通道路、施工场地、物料存放等布置不当，也会影响防汛抢险车辆、物资及人员的正常通行，对防汛抢险带来一定影响。

5 结论和建议

5.1 结论

1)泾河管桥对河道泄洪有影响，壅水降低了上游云天王河道整治工程标准。大桥建设会引起桥位附近的云天王河道整治工程基础失稳。

2)200年一遇校核流量下，某在建水库建设前，主槽冲刷后的最大水深为21.33 m，最低冲刷线高程为385.97 m。某在建水库建成后，主槽冲刷后的最大水深为21.90 m，最低冲刷线高程为383.21 m。可见某在建水库建成后会引起沿程冲刷，因此，主槽冲刷后的最大水深增加。

3)200年一遇校核流量下，某在建水库建设前，管桥建设造成桥前最大壅水高度为0.21 m，壅水长度为382 m。某在建水库建成后，壅水高度和长度有所减小。

4)泾河管桥河道范围内满足防洪要求的梁底标高应不低于409.14 m，管桥设计河道范围内的最低梁底标高为410.55 m，满足防洪要求。

5.2 建议

大桥建设将引起上游壅水范围(382 m)内护岸工程防洪标准降低，桥下游冲刷将引起桥位左岸云天王护岸工程基础失稳。应对影响范围内的护岸工程进行补偿专项设计，桥墩施工前应完成护岸工程的达标加固。施工期间，建设单位应加强对桥位河段河防工程的监测，加强水环境保护，严禁向河道内弃渣、排污；桥墩下游河床出现冲刷，特别是上游大型水库转入运行后，河床冲刷加深，应制定相应的防冲刷措施，确保河道河势稳定和桥梁安全。施工结束，各种临建设施及废弃物必须清除出河道。桥梁建设单位应在大桥施工期及运行后5 a内对桥位河段河势、防洪工程进行监测，并配备防汛物料应对可能的河势调整，在大桥断面临近位置设置水位监测，大桥左岸设置视频监控设施，并接入水利部门监控平台。