莲阳河特大桥工程对河岸水动力条件的影响及堤防渗流稳定分析

费开轩

（广东水科院勘测设计院,广东 广州 510610）

1 莲阳河大桥工程

中山东路（新津河-莲凤路）道路桥梁及配套工程位于汕头市东部,东海岸新城以北,路线经过汕头市龙湖区新溪镇、澄海区坝头镇和莲下镇,起点为新津河桥东岸,终点为莲凤路项目建设规模包括6 条市政道路,分两个区段,第一区段为中阳大道（龙湖区段）、韩津路、南岭路、东兴路；第二区段为中阳大道（澄海区段）、紫峰路、翠峰路。两区段道路全长17.83 km,总投资约64 亿元,项目建设期限20 年,其中建设期3 年,运营期17 年。该项目的建设旨在完善汕头市快速干网建设,完善片区路网并解决对外交通通道的需求,满足日益增长的交通量需求,带动片区乃至整个汕头经济的发展。此外该项目是2021 年汕头亚青会配套项目的重要组成部分。汕头亚青会预计在2021 年11 月召开,项目建设工期紧,任务重,对参建各方都是一项重大的挑战。

中山东路沿线包含6 座桥。其中拟建莲阳河大桥跨韩江下游出海口——莲阳河,全长约1350 m。该工程（尤其是桥梁下部结构工程）的建设施工与运行将占用所在河道的部分行洪、纳潮过流面积,从而影响莲阳河河道的水流条件,对河道行洪态势造成一定程度的影响。参考有关文献[1-6],拟建工程建设项目可能对河道行洪、纳潮、排涝、灌溉、河势稳定、水利工程安全、防汛抢险等方面带来不利影响,因此,本文从桥梁工程对河岸水动力条件的影响及堤防渗流稳定作了较深入分析研究,进一步得出合理的防洪评价,为河岸长期安全运行提供保驾护航。

2 工程建设对河岸水动力条件影响分析

2.1 河道分流比变化分析

工程上游河流分叉口距离桥位较远,处于拟建莲阳河大桥引起的水位壅高和流速变化范围之外,因此,不同水文组合条件下拟建工程对河道分流比变化甚小或基本不变。

2.2 河道流速、流态变化

工程水动力条件计算采用典型洪水组合采用“洪水大潮”“中水大潮”“枯水大潮”三组典型的水文组合。在拟建工程附近及上下游河道共布置了170 个流速采样点,实时观测采样点特征流速、流向变化并进行统计。

（1）工程附近水域流态变化分析

从工程前后流速、流向变化统计来看,拟建桥梁建设后,由于桥墩的阻水、束流作用,桥墩附近局部产生绕流,流场有所变化,流向偏转较大,最大值为35°,工程上、下游5 m范围以外的其他水域的流向偏转一般在15°以内。总的来看,工程河段整体流态依然平顺,但工程对河道局部流态及流势有一定的影响。

（2）工程附近水域流速变化分析

工程前后流速变化的幅度及范围,呈现出由桥墩附近向上下游逐渐递减的规律,影响范围跟河道下泄径流量及上溯的潮流量大小密切相关。洪、中、枯三种水文条件下,以洪水落急为最大,中水落急次之,枯水落急及涨急最小。工程河段流速变化统计数据见表1。

表1 工程河段流速变化统计

根据工程前后的流速等值线图及流速变化统计成果表可以看出,“洪水大潮”条件下,流速增大最大值位于22#桥墩,涨急时刻流速增加0.124 m/s,桥位上游5 m附近；流速减小最大值位于6#桥墩,落急时刻流速减小0.598 m/s,桥位下游5 m附近。而“中水大潮”及“枯水大潮”条件下,河道边滩区域局部不过水,流速变化范围主要位于河道右侧主槽位置,其中洪水大潮水文条件下流速变化最大,右侧一八围迎水侧,附近流速明显变小,工程后河道主流往左偏移,桥址上下游河段主槽左半部分的流速呈增加趋势,主槽右半部分流速呈减小趋势。流速、流向变化影响范围至上游200 m、下游500 m恢复正常。

综上所述,工程实施后,所在河道整体流态平顺,流速变化区域主要局限在桥址附近,拟建工程对工程所在河道局部流速、流态有一定影响。

2.3 动力轴线的变化

由数学模型的研究成果分析可知,拟建工程建成后,河道整体流态变化不大,流态平顺,整个河段主槽水流动力轴线基本没有变化。可以认为莲阳河大桥工程不会从整体上改变工程河段的流态,也不致对工程河段的水动力变化产生明显影响。

2.4 滩槽和岸线变化

莲阳河大桥工程对莲阳河下游河道的水动力状况改变主要局限于桥址附近,桥址处及其下游河道两岸流速变化不明显,项目建设不会改变所在河道的整体滩槽分布格局。因此,莲阳河大桥工程对所在及其周边其它相邻的其它河道的水流动力特性的影响局限在工程附近,与其相邻的其它河道的分流量和分流比变化不明显。

2.5 潮排、潮灌影响分析

韩江三角洲地区河道纵横交错,由于河道分隔,堤岸围成可供耕作和居住的围区。这些围区多为田地村庄,一般地势低洼,易积水成涝。对于感潮影响区域,农田灌溉经常需利用短时间的涨潮时机进行引水灌溉,而利用落潮时的低潮位时段进行抢排,抢排水头差一般为0.1 m～0.2 m,低低潮位升高则减小了排水水头差,降低了农田的自排能力。高高潮位降低,则降低了灌溉水利工程的引水水头,不利于进行潮灌,甚至无法把水引入田地,导致一些水闸失去作用。

（1）潮排水位影响分析

工程对河道潮排能力的影响主要体现在中水期低低潮位的变化上,计算选用“中水大潮”水文条件。计算结果表明：拟建工程实施后,桥址上游水域的低低潮位有所抬升,最大抬升值为0.008 m；桥址下游水域低低潮位则轻微降低,降幅在0.004 m以内；距离工程较远的采样站点则基本没变化。可见,工程建设对莲阳河的工程区及其上游水域的潮排有所影响,但总体影响较小,对其余水域的潮排影响不大。

（2）潮灌水位影响分析

工程对河道潮灌能力的影响主要体现在枯水期高高潮位变化上,本次计算选用“枯水大潮”水文条件。计算结果表明：拟建工程实施后,桥址上游水域的高高潮位有所降低,降幅在0.004 m以内；桥址下游水域高高潮位有所升高,最大抬升值为0.004 m；距离工程较远的采样站点则基本没变化。可见,工程建设对莲阳河的工程区及其上游水域的潮灌有所影响,但总体影响较小,对其余水域的潮灌影响不大。

3 堤防渗流稳定分析

3.1 计算工况

根据《堤防工程设计规范》（GB 50286-2013）[7],结合堤岸实际情况,本文选取多种不利的水力边界条件（见表1）,进行拟建工程堤防的渗流安全分析。

3.2 计算断面

根据2018年1月水利水电勘测设计咨询成果和建议,结合拟建工程桥位布置图,确定拟建工程跨越莲阳河两侧海堤的计算断面。苏溪围堤防稳定复核计算断面见图1。

图1 苏溪围标准断面图

3.3 计算参数

基于地勘成果,堤段除堤身的填土,基础土层自上而下依次是第②-1层细砂（Q4m)、第②-2层淤泥（Q4m) 、第③-1层粉质粘土、第③-2层淤泥质土。根据土工试验结果,结合相关工程经验,确定计算所涉及的各土层物理力学指标,见表3。施工工况考虑施工期间可能产生的扰动,各土层抗剪指标按0.95折减,堤顶路按汽车-20级公路考虑22 kPa均布荷载,同时考虑施工栈桥直接搭接于堤顶,在堤顶迎水面施加50 kN的集中荷载进行复核计算。渗流稳定复核计算的边界条件拟定见表4。

表4 断面稳定渗流计算的边界条件表

3.4 计算结果及分析

计算采用有限元渗流分析软件,按照表1所给参数及表2所列工况进行计算,各工况下计算浸润线见图2～图9。

表2 堤防渗流计算工况及内容

图2 工况1时苏溪围的稳定渗流浸润线

图3 工况2时苏溪围的稳定渗流浸润线

图5 工况4时苏溪围的渗流浸润线

图6 工况1时一八围的稳定渗流浸润线

图7 工况2时一八围的稳定渗流浸润线

图8 工况3时一八围的稳定渗流浸润线（骤降工况的中间时刻）

图9 工况4时一八围的渗流浸润线

有限元法渗流浸润线计算表明：拟建工程附近的苏溪围和一八围在正常运用工况和非常运用工况条件下均未出现坡面渗流溢出。但考虑到施工机械的振动对土层渗透性有一定影响,因此建议施工期间加强工程堤段的维护和观测,遇到险情及时上报水行政主管部门并尽快进行处理。又由于左幅桥5#墩台落在一八围背水坡后侧平台及堤后排水沟处,可能造成接触渗流,建议考虑相应防护补救措施。

4 结论

（1）经水动力条件分析,拟建莲阳河特大桥工程对河道分流比变化甚小或基本不变,所在河道整体流态平顺,流速变化区域主要局限在桥址附近,拟建工程对工程所在河道局部流速、流态有一定影响。

（2）工程修建以后,不会从整体上改变工程河段的流态,也不致对工程河段的水动力变化产生明显影响,对所在及其周边其它相邻的其它河道的水流动力特性的影响局限在工程附近,与其相邻的其它河道的分流量和分流比变化不明显。

（3）对莲阳河的工程区及其上游水域的潮排和潮灌有所影响,但总体影响较小,对其余水域的潮排和潮灌影响不大。

（4）根据有限元渗流计算结果,拟建工程附近的苏溪围和一八围在正常运用工况和非常运用工况条件下均未出现坡面渗流溢出,总体堤防渗流稳定满足要求,局部需作有针对性的处理。