皖南地区厚墩连拱古桥阻水效应研究

鄢永辉，缪世强，王宏俊

(1.宁国市水利局，安徽 宁国 242500；2.长江勘测规划设计研究有限责任公司上海分公司，上海 200439)

皖南地区古桥的建造(注：有史记载的古桥)最早可追溯到魏晋南北朝时期，而大量建造的时期成熟于砖石普及的明清时期[1]，桥梁类型以厚墩连拱桥为主。这些桥梁大多为不可移动文物。

厚墩连拱桥的主要特点为实腹厚墩厚拱，每孔跨度一般不超过15m，桥孔、桥墩较多；桥墩厚度一般3.0～5.0m，桥孔之间为实腹，桥梁阻水率可达15%～30%，如图1所示。

近些年，特别是在2016、2019、2020年几场大水的冲击下，皖南地区的厚墩连拱古桥阻水严重、部分桥梁受冲损毁的问题凸显。2020年7月6—8日连续3天，旌德县三溪镇乐成桥、黄山屯溪镇海桥、婺源彩虹桥等3座宋、明时期的古桥接连被洪水冲毁，引发社会广泛关注。目前，关于古桥特别是厚墩连拱古桥的行洪能力、阻水影响定量研究较少。本文通过洪水调查、经验公式计算、二维水流数学模型等技术手段全面分析了典型厚墩连拱古桥的阻水效应，并提出缓解桥梁阻水的措施，可为皖南地区厚墩连拱古桥的修复和治理提供借鉴。

1 皖南地区厚墩连拱古桥概况

皖南地区水系发达，大江大河有新安江，主要支流有水阳江、青弋江、秋浦河、练江等，流域面积大于200km2的中小河流有东津河、西津河、中津河、郎川河、新郎川河、练江、丰乐水、横江、阊江、率水、麻川河、清溪河、徽水河、九华河、白洋河、黄湓河、尧渡河等。自魏晋南北朝时期起，皖南地区的先贤在这些河流上陆续建成了大量的桥梁，以厚墩连拱桥最为普遍，桥长大于50m的厚墩连拱古桥见表1。

经统计，皖南地区厚墩连拱古桥桥长大于50m的达21座，绝大多数为文物保护单位，其中国家级文物2座，省级8座，市级7座，县级2座。始建于明代之前的1座，始建于明代的16座，始建于清代的4座；桥长不小于100m的11座，50～100m之间的10座。

2 厚墩连拱古桥典型结构

以宁国市东津河上的河沥溪桥为例。河沥溪桥位于宁国市河沥溪街道办事处东津河上，又名永福桥，如图2所示。

河沥溪桥始建于明代，后多次修建，现存桥体部分为清代修建，是典型的厚墩连拱桥。该桥原为9孔石拱桥，高约11m，其中2#孔净跨度为5.58m，其余8孔净跨度为11.35～13m，桥墩宽度为2.68～4.93m。2014年在其西侧增建1孔拱桥(1#桥孔)，跨度为30m，净宽为25.3m。扩建后的河沥溪桥共计10孔，9个桥墩，桥梁总跨度164.8m，桥孔总净宽约130.6m。

图1 皖南地区典型厚墩连拱古桥立面图

表1 皖南地区桥长大于50m的厚墩连拱古桥统计表[2]

图2 河沥溪桥位置示意图

1995年，在河沥溪桥下游新建了1座5孔石拱桥(以下简称“河沥溪新桥”)，桥长191m，宽7m，高11m，桥孔总净宽约150m，单孔净宽30m，桥墩宽度3.0m。

3 河沥溪桥阻水效应分析

3.1 阻水率分析

通过对比河沥溪桥阻水面积与桥址处河道行洪面积，分析河沥溪桥阻水率。随着水位上升，河沥溪桥阻水率逐渐增加。当桥上水位达到53m时(相当于30年一遇洪水位)，河沥溪桥阻水率达到28.9%，见表2。

表2 河沥溪桥阻水率统计表

3.2 2019年洪水，河沥溪桥壅水情况

根据安徽省水文局芜湖水文水资源局洪水调查成果[3]，2019年8月“利奇马”台风暴雨洪水期间，河沥溪桥上、下游最高水位见表3。

表3 2019年洪水，河沥溪桥上、下游最高水位统计

2019年8月“利奇马”台风暴雨洪水期间，河沥溪桥下约170m的河沥溪水位站洪水位为51.99m，桥下47m处洪痕调查高程为52.13m，桥上13m处洪痕调查高程为52.61m，桥上500m处乌龟壳洪痕调查高程为52.99m。

3.3 阻水效应分析

3.3.1经验公式法

铁科院陆浩桥前壅水计算公式[4- 6]在铁路、公路的新桥设计和现有桥梁过洪能力验算中得到广泛应用，也是《公路工程水文设计指南》推荐的公式。

本文采用陆浩公式分析了河沥溪桥壅水影响，见表4。

表4 河沥溪桥最大壅水高度成果表

由表4可知，当东津河遭遇20～50年一遇洪水时，河沥溪桥壅水高度为0.52～0.62m。

3.3.2数学模型计算

HEC-RAS是由美国陆军工程兵团水文工程中心开发的河道水力分析模型[7]。该模型早期采用恒定流或非恒定流一维建模方法，广泛地应用于河道和洪泛区的模拟，最新的版本新增了二维非恒定流模拟板块。HEC-RAS的二维建模方法适用于非恒定流模拟，尤其适用于堤坝溃堤、桥墩周围、河道向洪泛区急转弯等不同方向的水流[8～10]。

本文采用HEC-RAS二维水流模型分析河沥溪桥阻水效应。

(1)模型建立

模拟河长约5.3km，下至宁国水文站，上界东、中津河汇合口。采用2020年8月实测河道大断面资料。模型采用非结构化网格，网格边长为5m，最大网格尺寸为50m2，最小网格尺寸为19m2，平均网格尺寸为25m2，网格总数为55540个，如图3—4所示。主槽糙率取0.030～0.035，边滩糙率取0.06。

河沥溪桥采用连接构件模拟，桥梁模拟方法选择能量方程。

模型边界条件：上边界条件采用“利奇马”台风暴雨实测洪水过程和不同设计频率下的洪水作为模型入流，下边界条件为宁国水文站处相应水位过程。

图3 模型范围

图4 河沥溪桥周边网格

模型计算初始水位取开始时刻的上、下边界的平均水位；初始流速取0,时间步长为10s。

(2)数学模型的率定验证

采用2019年“利奇马”台风暴雨洪水期间，河沥溪水位站实测水位资料进行率定和验证，当主槽糙率取0.033，边滩糙率取0.06时，河沥溪水位站实测与模拟水位过程吻合程度较好，模型计算误差符合技术规程的精度要求(洪水风险图编制导则中规定误差<0.2m)，如图5所示。

图5 河沥溪水位站实测与模拟水位过程对比

(3)计算方案

通过比较有、无河沥溪桥情况下的桥上水位来分析河沥溪桥的阻水效应。方案0：现状河道；方案1：假定河沥溪桥拆除后的河道。

(4)计算成果

当东津河遭遇10～50年一遇洪水时，河沥溪桥上游乌龟壳断面最大壅水高度为0.45～0.81m，见表5。

表5 不同洪水重现期下，河沥溪桥壅水高度统计

3.3.3小结

(1)陆浩经验公式和HEC-RAS二维水流模型计算结果均表明，以河沥溪桥为典型的厚墩连拱古桥阻水效应明显。

(2)陆浩公式在等厚桥墩的铁路、公路桥梁上有较多的应用，在拱桥壅水高度方面的研究成果很少，难以验证适用性；HEC-RAS模型可以模拟拱桥，本次计算成果和实测资料吻合较好，说明HEC-RAS二维水流模型在模拟拱桥方面有较好的适用性[11]。

4 河沥溪桥治理方案研究

2014年，为了减轻河沥溪桥阻水影响，经安徽省文物局批复同意，河沥溪桥向左岸拓宽1孔。

2017—2019年，宁国市东津河城区段进行了疏浚拓宽。由于河沥溪桥上、下游两岸房屋密集，河道拓宽征地拆迁费用较高，该段河道没有进行治理。

2019年，“利奇马”台风暴雨洪水期间，河沥溪桥上、下游水位差达1.0m，洪水灾害给宁国市中心城区造成了巨大损失，宁国市人民政府及各部门充分认识到防洪治理的重要性和紧迫性，有强烈愿望系统治理东津河。在此背景下，为进一步降低河沥溪桥壅水影响，本文提出河沥溪桥扩孔方案。

4.1 河沥溪桥扩孔方案

本次共布置2个方案，方案一在河沥溪桥左岸新建1孔净宽30m的桥孔，桥梁上、下游河道左岸岸线相应后退约33m；方案二在河沥溪桥左岸新建2孔净宽25m的桥孔，桥梁上、下游河道左岸岸线相应后退约56m。

4.2 模型分析成果

河沥溪桥扩孔之后，方案一降低乌龟壳断面洪水位约0.5m，方案二降低乌龟壳断面洪水位约0.7m，见表6。

表6 河沥溪桥扩孔前后，乌龟壳断面水位统计

5 结论

(1)使用HEC-RAS二维水流模型模拟了“利奇马”台风暴雨洪水条件下河沥溪桥上、下游观测点水位，与实测资料和洪水调查成果较为吻合，充分验证了HEC-RAS二维水流模型在模拟桥梁阻水效应方面的可靠性。

(2)当河道岸线存在退建可能性时，通过桥梁扩孔可较好地兼顾文物保护与河道治理的需要，是厚墩连拱古桥治理的可行措施[12]。但部分古桥由于阻水严重，扩孔后，桥址处设计洪水位与桥梁拱顶底面之间的关系可能还是不满足规范要求，桥梁自身行洪安全能力依然不足。建议下一步可从流域系统治理角度研究城市防洪问题。