南沙新区上横沥大桥工»防洪分析与评价

赵晶晶

（广东粤源工程咨询有限公司，广东 广州510000）

1 项目基本情况

上横沥大桥（以下简称“拟建桥梁”）位于广州南沙新区，南起横沥镇西南部的现状万环西路，北接大岗镇中船中路，跨越上横沥水道建设。桥梁长度为750m，跨径组合为3×30+2×35+3×35+（57.5+100+57.5主桥）+2×30+3×30+4×30，分左右幅，桥宽28.0m，采用双向六车道，城市主干路标准，设计车速60km/h。

拟建桥梁采用U型薄壁式桥台，在河道内设置7排桥墩（桥墩编号7#～13#）；主墩（10#、11#墩）采用双肢薄壁墩，垂直水流方向的墩宽1.25m；其余桥墩均采用花瓶墩，垂直水流方向的底部墩宽4.5m。各桥墩承台顶高程均位于河床面以下，基桩均为端承桩，桥墩占用河道过水断面面积阻水比约5.29%。

拟建桥梁6#、7#桥墩所跨南岸堤防为横沥岛义沙围，13#、14#桥墩所跨北岸堤防为大岗镇番顺联围，工程对桥址两岸及上下游各50m范围内堤防先行按照规划200年一遇防洪（潮）标准进行加固，设计堤顶高程5.344m（采用国家85高程系统，下同），堤宽8m（含0.5m宽的防浪墙）。梁底距离两岸堤顶的最小净空分别是5.55m、6.92m；桥墩承台与两岸迎水侧抛石区前沿的最近距离约1.71m，与两岸背水侧坡脚排水边沟的最近距离约4.94m。

2 防洪分析计算

2.1 建立数学模型

目前，整个西江、北江、东江下游及其三角洲构成了一个较完整的水动力系统，西江、北江下游三角洲通过狮子洋与东江三角洲相连。由于河道的互联互通，桥梁工程建设将引起所在河道的水位、流量发生变化，并对附近相邻河道产生一定的连带影响。本项目防洪分析过程主要利用一维模型计算桥墩壅水及其引起的河道断面平均流速变化情况，利用二维模型计算工程对河道局部水流流态等方面的影响。

2.1.1 一维河网水流数学模型

（1）基本方程

一维非恒定流河网数值计算的控制方程采用较为成熟、工程应用较多的圣维南方程组（一维河网三级解法）求解：利用Preissman四点加权差分格式离散水流方程组，该差分格式稳定性好，求解速度快，能适应复杂河网的水面线计算。式中：Q为流量；Z为水位；R为水力半径；u为流速；ql为旁侧入流；n为糙率系数，可用谢才公式计算；BT为包括主河道泄流宽度和仅起调蓄作用的附加宽度；B为过流河宽；A为过水面积；g为重力加速度；x、t为空间和时间坐标。

动力连接条件Zk=Zk+1k=1，2，3…K-1，

式中：Q为节点过流量；i为表示汇集于同一节点的各河道断面的编号；w为节点蓄水量；k为节点分支；Z为各分支断面处的水位。

（2）模型的率定与验证

本次模型利用西、北江“99.7”“98.6”等历史洪水资料优选得到河道糙率，研究范围内珠江网河区糙率分布大致介于0.015～0.037之间，三角洲上游河段糙率较大，口门段较小。选取2001年2月资料对模型进行枯水代表潮型验证，模型验证误差均不超过0.1m，符合水利工程计算规范要求，糙率分布合理，可用于工程方案评价计算。

（3）模型（桥墩）概化

在一维（河网）计算中，需根据拟建桥梁的平面布置及桥墩结构形式，对桥位处的河道过水断面进行概化。从工程偏安全的角度考虑，对桥墩在垂直水流方向上作全封堵处理，即扣除相应部分的过水面积。

2.1.2 平面二维数学模型

为了模拟工程对局部河段水流平面流态造成的影响，在一维网河数值计算的基础上，建立拟建工程局部河段的平面二维数学模型。工程局部河段平面二维数学模型的计算条件同一维河网模型，边界条件直接采用一维河网计算成果。

（1）控制方程

平面二维数学模型主要用于较为细致地计算工程河段局部的流速及流场形态变化，其控制方程采用笛卡尔坐标系下的二维浅水方程组：

水流连续性方程：

水流运动方程：

式中：d为时变水深；ζ为水面高程；h（h=ζ-d）为水深；p，q分别为x，y方向的单宽流量；C为谢才系数；f为风阻力系数；V为风速；Vx，Vy分别为风速和风速在x，y方向的分量；Ω为科氏力参数；pa为大气压强；τxx，τxy，τyy为各方向的有效切应力。

（2）定解条件及动边界处理

初始条件主要包括水深和流速的初始值，通过迭代计算若干次得出稳态的初始流场及水位。

边界条件的上边界采用进口断面的流量，下边界采用出口断面水位。

为确定计算区域中有、无水区域交界线，通常采用“冻结法”处理动边界问题：通过定义临界水深Δh来确定干、湿点或干、湿单元，当水深h＞Δh时，糙率取正常值，反之糙率取一大值。

（3）主要参数

通常采用实测资料反求床面阻力系数，紊动粘性系数可采用J.W.Elder经验公式求解：

式中：u*为摩阻流速；h为水深；α为综合系数，与河道形态及水流条件等因素有关，其变化范围为0.3～1.0。

（4）计算范围及网格布置

研究范围上边界取距离拟建桥梁上游1.3km的上横沥入口断面，下边界取距离拟建桥梁下游7.5km的上横沥出口断面。采用三角形非结构网格，对工程附近的网格进行局部加密。

2.2 壅水计算分析

通过局部河段平面二维数学模型运算，求得在设计洪水频率为P=0.5%（200年一遇）的水文条件下，桥墩阻水作用引起工程位置上游的水位壅高值以洪为主时最大约0.019m，以潮为主时最大约0.003m，且水位壅高值随着断面与工程距离的增加逐渐减小。工程建成后，桥位上游附近河段的水位略有上升；工程所在断面则因为受过流面积减小、局部阻力增大的共同影响，表现为水位有所降低、流速有所增大；对于工程下游河段，受上游来流量减小的影响，其洪水位略有降低。

2.3 河势影响分析

2.3.1 河道分流比变化

由数学模型计算结果可知，在以洪为主及以潮为主条件下当P=0.5%时，拟建工程河段断面的流量减小值分别为81.1m3/s、25.9m3/s，流量变化率分别为2.0%、1.3%，工程上、下游其他河段断面的流量变化率均低于工程河段。因此，拟建桥梁对所在上横沥水道及相邻水道的行洪流量变化值和变化率的影响均较小。

2.3.2 水动力条件变化

本次计算过程在工程上游300m及下游1000m范围内共布置88个流速采样点，由采样点分析成果和流速变化等值线图可知：拟建桥梁轴线断面上减小的河道过流面积对断面水流起到一定的收束作用，工程后流速有所增大，增加值为0.2m/s～0.3m/s；桥轴线近区水域的其他断面受桥墩绕流的影响，流速有所减小，流速减小最明显位置为桥墩下游墩头前缘断面，减小值为0.59m/s。此外，桥墩周围水流产生绕流流态，墩头周围的流向变化相对较大，主槽的流向变化基本在-5°～5°之间。

总体来看，拟建工程对河道整体滩槽格局及河势稳定的影响较小。

2.4 工程对潮排、潮灌的影响分析

珠江三角洲河道纵横交错，堤外的围区多为地势低洼的农田村庄，易积水成涝。对于潮汐地区，农田灌溉常通过短时间的涨潮进行引水，围内涝水通过低潮位时段进行抢排，因此高高潮位降低及低低潮位升高将分别对工程区域的潮排、潮灌造成一定程度的影响。通过采用“99.7”中水和“2001.2”枯水两组典型的水文组合进行一维非恒定流计算，结果表明：拟建桥梁引起工程上游100m处的低低潮位增加值为0.009m，高高潮位降低值为0.0008m；工程下游700m处的低低潮位增加值为0.003m，高高潮位降低值为0.0004m。潮位水头差的变化较小，因此，工程建设对区域潮排、潮灌的影响较小。

2.5 冲淤影响分析

采用《公路工程水文勘测设计规范》（JTG C30-2015）推荐的粘性土河床冲刷公式计算拟建桥梁所引起的一般冲刷和局部冲刷深度。

2.5.1 一般冲刷计算

（1）河槽部分

式中：hp-桥下一般冲刷的最大水深（m）；Ad-单宽流量集中系数)0.15；Bz-造床流量下的河槽宽度（m）；Hz-造床流量下的河槽平均水深（m）；IL-冲刷坑范围内粘性土液性指数，适用范围为0.16～1.19；μ-桥墩水流侧向收缩系数；Q2-桥下河槽部分通过的设计流量（m3/s）；Bcj-桥长范围内的河槽宽度（m）；hcm-河槽最大水深；hcq-桥下河槽平均水深。

（2）河滩部分

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）。

2.5.2 局部冲刷估算

式中：hb-桥墩局部冲刷深度；V-一般冲刷后的墩前行近流速-墩形系数；B1-桥墩计算宽度。

2.5.3 计算结果及冲淤演变分析

经计算，在遭遇200年一遇设计洪水水位条件下，拟建桥梁河道断面处的河槽一般冲刷最大水深约1.86m，河滩一般冲刷最大水深约0.72m，桥墩局部最大冲刷深度为2.08m。分析认为，计算的冲刷深度仅代表洪水期间的瞬时冲深，整个洪水过程对河床冲刷和淤积的影响是动态调整的，实际冲深将小于计算值；考虑到主槽内桥墩局部流速增加所产生的局部冲刷较明显，为避免水流冲刷对桥墩周围及堤岸的破坏，建议加强对桥梁结构安全的复核考虑及必要的防冲刷设计。

2.6 堤防稳定计算

堤防渗流计算方法采用有限元法，依据非饱和土理论、达西定律等，利用改进平方根法直接求解线性代数方程组，进而求出多种边界条件下的堤防浸润线。边坡稳定计算采用瑞典圆弧滑动法，分别对稳定渗流期和水位骤降期找出最小安全系数及相应的滑裂弧位置。

本项目选取拟建桥梁跨越的北岸番顺联围堤防位置作为计算的典型断面，考虑稳定渗流期（工况Ⅰ）、水位骤降期（工况Ⅱ）、施工期（工况Ⅲ）的三种工况，分别计算不同工况下的浸润线、逸出坡降及边坡稳定安全系数。渗流计算结果表明：各工况下的计算断面渗流出口比降均小于逸出口土层允许水力比降，堤身渗流稳定满足规范要求。边坡稳定计算结果表明：各工况下的计算断面抗滑安全系数均大于规范允许值，满足《堤防工程设计规范》（GB 50286-2013）的要求。

3 工程建设对防洪的综合影响评价

3.1 工程建设与相关规划的关系方面

（1）拟建桥梁对所在河道及附近相邻河道的泄流量影响很小，工程的实施与珠江河口泄洪整治规划的有关要求相适应。

（2）工程区域附近的两岸堤防将开展达标加固，并与桥梁工程同步实施，符合南沙区防洪（潮）排涝规划的防洪要求。

（3）拟建桥梁所在的上横沥水道已被划为珠江三角洲重要河道禁采区，且工程建设不涉及采砂活动，与河道采砂规划不矛盾。

3.2 工程建设与防洪标准和管理要求的适应性方面

（1）拟建桥梁涉及番顺联围和义沙围堤防的规划防洪标准为200年一遇，对应设计洪水位为3.654m，桥梁跨番顺联围桥址处最低梁底高程约12.104m，跨义沙围桥址处最低梁底高程约10.734m，可满足200年一遇的规划防洪标准，且按照防洪和航运的要求，留有一定的超高。

（2）拟建桥梁跨越两岸规划堤顶的最小净空为5.55m，满足广东省《河道管理范围内建设项目技术规程》（DB44/T 1661-2015）规定的“跨越1、2级堤防的，净空不得小于5.5m”的要求，不影响防汛抢险道路的畅通，满足交通、防汛抢险、管理维修等方面的要求。

（3）拟建桥梁的左、右半幅桥墩对孔布置，桥墩顺水流方向轴线与洪水主流流向夹角约2°，桥墩阻水比为5.29%，均与有关技术要求和管理要求相适应。

3.3 工程建设对河道行洪及河势稳定的影响方面

经前文所述多种水文组合条件计算，桥梁工程建成后水位仅在工程局部河段有变化，桥墩阻水作用对全河段洪水面线壅高的影响有限，工程建设后不至对河道泄洪造成明显的不利影响。

除桥墩附近局部有一定的冲刷及绕流产生外，拟建桥梁工程不会对河道整体水流流态等河势变化情况产生明显的不利影响，对上、下游河道主流区及主航道影响不大。

3.4 工程建设对第三人合法水事权益的影响方面

拟建桥梁下游约60m处为上横沥水文站，工程处于水文站所监测周围环境的河段范围内。拟建工程施工期可能产生较大的阻水，将引起上横水文站测验断面处水位、流速发生改变，造成测验误差变大，测验数据失去代表性，需设立不被拟建工程干扰的临时站进行对比观测以校验上横沥水文站测验数据，并采取一定的防治补救措施以保障水文站原有功能。

除此之外，工程对其他取水、排灌、通航等第三人合法水事权益不会造成明显不利影响。

4 工程防治与补救措施建议

4.1 堤防及河床保护方面

（1）为避免桥梁建成后对堤防的加固整治有所约束，建议对拟建桥位及上下游各50m范围的两岸堤防先行按规划200年一遇的防洪标准达标加固，并与桥梁工程同步实施。实施堤防加固的施工要求包括：

a.开挖出的土方应堆放在远离开挖边坡坡顶的临时堆土场，不能利用回填的土方应运到指定的弃土场集中堆放，并采取相应措施，防止水土流失。

b.在拆除过程中应谨慎施工，以避免破坏相邻保留部位或对其他机构安全产生不利影响。

（2）建议将桥墩承台埋于河床冲刷线以下，并对主槽桥墩周围进行防冲刷设计，对堤岸坡脚进行抛填片石防护。

（3）施工期间，要尽可能减小机械施工对堤围的震动及桥墩下部结构基坑开挖对堤脚的破坏，如有所破坏，要及时加固和修复堤防。

4.2 行洪与通航安全方面

（1）拟建桥梁下部结构施工应尽量避开洪季，施工期间的临时设施应不影响行洪；如若跨汛期施工，应在施工前编制度汛方案和防汛抢险应急预案，并报送地方水行政主管部门备案。

（2）应制定详细的施工组织设计方案，明确工程周期，采取必要的防洪避险措施。施工期间不得向河床倾倒余泥废料；完工后及时、妥善、彻底清理施工临时围堰、弃渣等，对河床进行清理以恢复河道行洪。

（3）为确保桥梁建设水域的通航安全，避免船只航行发生意外，建议在桥墩周围设置防撞护舷，明确施工期航道的管理、警示标志的设立、竣工时的通航条件核查、交用后的航道管理及相应增加的航道配套设施（如桥涵标示等）。

4.3 水源、水环境保护方面

应对施工期的废弃物、堆放物、工人生活排放水等进行有效管理，尽量减少对周围水体的污染破坏。