跨河斜交桥梁对山区河流行洪影响试验研究

雷洛，郭志学，龚臻，聂骏

摘要：为探究斜交跨河桥梁对山区河流行洪的影响，以四川省某拟建斜交跨河特大桥为例，利用物理模型试验研究，分析了不同工况下桥梁建成前后的水流流态、流速与水位，桥梁建成后的冲刷深度，以及河势稳定性。结果表明：该类错孔布置的柱式墩斜交桥梁对河道水位、流速影响不大，对工程下游由右岸侧向左斜冲水流有一定阻碍作用，使得主流略向右岸侧有一定调整。桥梁所在河段仍属于河势稳定河段，拟建桥梁对河流行洪影响较小。

关键词：斜交桥梁； 山区河流； 河势影响； 水工模型试验

中图法分类号：TV131.61                      文献标志码：A                DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.03.011

文章编号：1006-0081（2024）03-0068-05

0引言

河道与公路都呈线性，在布线中公路与河道相交的情况非常多。探究公路桥梁建设对河流水文的影响可为河道行洪安全以及河堤保护提供参考。目前，关于桥梁对河道水文和河势稳定的影响已经通过理论模型、数值模型等方法做了大量的研究，而针对斜交桥梁的研究相对较少。受地形、地质、既有建筑物位置及城市规划等因素影响，有时在山区道路交通的布線中必须采用斜交桥梁跨越河道的方式。已有研究表明，跨河斜交的桥梁对河道的行洪安全和河堤的稳定都存在一定的影响，尤其是当河谷的阻水率大于5%时，桥梁的跨越方式影响明显［1-4］。跨河斜交桥梁阻水涉及墩形、布置形式、河床边界等诸多因素，水流条件复杂，其对河势的影响更难以通过已有的理论公式进行判定。近年来，工程师及学者更青睐于采用水工模型试验或者数值模拟的方式展开斜交桥梁相关的研究［5-8］。本文以四川省龙门山山区河道上一拟建斜交特大桥为例，采用物理模型试验开展了跨河斜交桥梁对山区河流行洪的影响分析研究，旨在为类似工程提供参考。

1试验模型

试验模型桥梁全长1 442 m，河道范围内长度约320 m，桥梁上部结构采用40 m跨径预应力T梁。该桥桥型布置如图1所示。该桥在10～18号桥墩处跨越河道，跨越河道段落上部结构采用40 m预应力T梁，墩柱间距9.5 m，墩径为2.0 m，双墩交错布置，桥梁轴线与水流方向夹角为15°。模型范围顺河方向上起桥梁上游约1.2 km，下至桥位下游0.6 km，总长约1.8 km；横河方向约300 m。在研究河段范围内，已建成的水泥厂跨河架空输送带的桥墩与既有公路桥梁的桥墩位于桥梁上游河道。

泥沙中值粒径的大小对河道泥沙的起动及河床冲淤起到了关键作用。结合沙莫夫泥沙起动流速公式及几何比尺，得到模型试验的泥沙比尺［9］。根据地勘资料，河道表层床沙中值粒径为20 mm。经验表明，在缺少天然沙级配的情况下，用均值粒径符合比例关系的天然沙，可较好模拟河床的抗冲性。由于缺少级配资料，本次模型试验按照对应的比尺关系选择中值粒径为2.8 mm的天然河沙。根据模型设计的要求，结合试验场地情况及模型沙性能确定正态模型比尺为1∶70。模型占地长约30 m，宽约5 m。经过反复校对和修改主要控制点，模型满足几何相似和水流相似。河道边界采用水泥砂浆抹面，模型糙率约为0.19，换算成原型值约为0.038 6。模型试验布置见图2。

模型桥梁所在河段高程误差在0.10 m（原型）以内，平面误差均在0.20 m（原型）以内。试验采用旋浆流速仪测定水流速度，采用测深架来测量水位高度，采用全站仪测量动床冲於的河床标高，并架设多个移动摄像头观察水流流态。本次拟对大桥工程上、下游约400 m河段进行动床冲淤试验。动床铺设的泥沙按原河床中值粒径20 mm进行配制，动床最上游段局部铺设大粒径卵石与定床衔接。参照该桥梁所在河段推移质沙量进行试验加沙，模拟冲淤时间约16～20 h。

2试验工况

本次试验流量的确定主要根据该桥工程项目所在河段的防洪标准以及桥梁的设计标准。由于桥梁所在河段左岸防洪标准为20 a一遇，右岸防洪标准为100 a一遇，该桥自身设计标准为300 a一遇。因此，主要以20，100及300 a一遇洪水频率P进行试验。为比较分析桥梁对山区河流行洪的影响，主要对该桥工程修建前后的流态观测、水位及流速测量、桥位河段进行动床冲刷试验。主要试验工况详见表1。

3试验结果分析

3.1水流流态

洪水频率为5%，0.33%时，该桥修建前后河道水流流态观测结果见图3～6。从观测结果可知，河道下泄洪水时，桥梁所在河段主流左右摆动态势较为明显，水面波动较大，整体水流流态不太平稳。不同频率洪水下，桥梁所在河段上游关口大桥附近河段主流沿左侧深槽下泄较为明显，随着流量的增大，主流有逐渐趋中态势；随后，在水泥厂传送带附近，主流逐渐由左侧向右侧调整，到达拟建桥梁所在河段时，主流略偏右侧，随后，水流向左侧有一定斜冲现象，模型出口段主流变为左右两股下泄。总体上看，桥梁所在河段现状河道水流摆动态势明显，水面波动较大，水流斜冲现象较为频繁，该桥的建设对河段由右岸侧向左斜冲水流有一定阻碍作用，使得主流略向右岸侧有一定调整。

3.2水位和流速

通过试验观察及测量，当洪水频率分别为20，100，300 a一遇时，桥位段的最高壅水分别为0.22，0.24，0.56 m，其壅高范围分别为0.16～0.22 m，0.04～0.24 m，0.07～0.56 m，桥梁处的最高水位分别为714.56，715.33，715.89 m。测量壅水影响长度，洪水频率分别为20，100，300 a一遇时的壅水影响距离分别为80.0，81.0，81.5 m。由于拟建桥位段左岸现状堤顶高程为722.77～725.40 m，右岸现状堤顶高程为719.43～722.42 m。可见在桥梁产生壅水情况下，现有堤防堤顶高程仍能满足防洪要求。根据有关规程规范要求，对于规划河道，大桥桥梁迎水面高程应是设计洪水位加上安全超高，建桥前后300 a一遇桥位断面处最高洪水位约715.89 m，该桥最低梁底高程为733.36 m，桥下净空约17 m，桥梁设计满足行洪安全要求。图7为工程建设前后河道下泄20，100，300 a一遇洪水时河道流速分布情况。从现状河道流速分布图上可以看出，拟建桥位上游关口大桥河段，水流主要靠近左侧深槽，主流流速6.0～7.0 m/s。在拟建桥位上游的水泥传输带河段，主流出现由左向右偏移趋势，主流流速6.0～7.5 m/s。水流到达拟建桥位段，主流略偏河道右侧，主流流速约5.0～7.0 m/s。拟建桥位下游段，主流演化为左右两股，主流流速可达4.5～6.0 m/s。

对比工程建设前后的断面流速沿程分布图，该桥的修建对河道流速影响较小，最大影响幅度约0.7 m/s。工程修建前后，河道下泄5%频率洪水时，桥梁所在河段沿程平均流速为2.5～5.3 m/s，最大流速为5.0～6.7 m/s；河道下泄1%频率洪水时，桥梁所在河段沿程平均流速为3.7～6.0 m/s，最大流速为5.7～7.5 m/s；河道下泄0.33%频率洪水时，桥梁所在河段沿程平均流速为4.9～6.2 m/s，最大流速为6.0～8.2 m/s。在桥梁修建位置，由于过流断面的束窄，使得过桥墩后局部位置出现流速增大的情况，洪水频率为1%及0.33%工况下，桥墩后的平均流速分别增大了0.16 m/s和0.13 m/s。但是总体来看，流场测量结果与流态观测相一致，桥梁所在河段现状河道主流左右摆动较为频繁。

3.3动床冲淤

桥梁的修建不仅会对河道的水流流态造成影响，河床冲淤及河势发展也会受到影响。本研究进行了各工况下的动床模型试验，床面的冲淤形态及高程H等值线图见图8～13。

河道下泄5%频率洪水时，从横向上看，16号桥墩左右50 m范围河床冲刷较为严重，桥墩局部冲刷最深处河床高程约703 m，冲刷深度约8 m；从纵向上看，16号桥墩上游100 m范围冲刷严重，冲坑最深处河床高程达702 m，最大冲刷深度约11 m，其下游100 m范圍冲刷较为严重，冲深约3～6 m；15号桥墩局部冲刷约6 m，14号桥墩局部冲刷约3 m，其他桥墩未出现明显冲刷。

河道下泄1%频率洪水时，从横向上看，16号桥墩左侧100 m范围河床冲刷较为严重，桥墩局部冲刷最深处河床高程约698 m，冲刷深度约13 m；从纵向上看，16号桥墩上、下游150 m范围冲刷严重，上游冲坑最深处河床高程达696 m，最大冲刷深度约17 m，其下游100 m范围冲刷较严重，冲深约5～10 m；15号桥墩局部冲刷约12 m，14号桥墩局部冲刷约6.5 m，其他桥墩附近无太大冲刷。

河道下泄0.33%频率洪水时，从横向上看，14～16号桥墩附近河床冲刷严重，桥墩局部最大冲坑出现在15号与14号桥墩之间，冲刷最深处河床高程约702 m，冲刷深度约10 m；从纵向上看，16～14号桥墩上、下游200 m范围冲刷严重，上游冲坑最深处河床高程达702 m，最大冲刷深度约11 m，其下游100 m处冲坑深度约7 m；16号桥墩局部最大冲刷约5 m，15号桥墩局部最大冲刷约9 m，14号桥墩局部最大冲刷约10 m，13号桥墩局部最大冲刷约3 m，其他桥墩附近无明显冲刷。

总体而言，不同频率洪水下桥位段河床冲刷主要发生在13～16号桥墩附近，桥墩局部最大冲刷深度8～13 m，且随着流量的增大，桥墩附近冲坑呈现由右向左偏移，冲刷位置逐渐向河道中心移动。根据动床试验结果发现桥位段两岸坡脚冲刷不明显。

依据JTGC 30-2015《公路工程水文勘测设计规范》第8.6条规定，桥梁墩台基础埋深应取河床自然演变冲刷、一般冲刷和局部冲刷的不利组合，且应有一定的安全余幅。试验结果表明，河道分别下泄5%，1%及0.33%频率洪水时，桥位段河床冲刷主要发生在12～16号桥墩附近，桥墩局部最大冲刷深度约8～13 m。根据桥梁设计资料，桥墩基础埋置深度约为32 m。因此，桥墩基底埋深满足规范要求。

3.4河势稳定分析

拟建桥梁对河道有一定的导流作用，桥梁所在河段最大流向变化角度约为5°。因此，拟建桥梁对河势稳定可能有一定影响。根据河势稳定3个基本指标计算成果发现：

（1） 桥梁所在河段的稳定河宽约为52 m，而工程建成后河道主河槽行洪河宽在125 m以上，稳定河宽满足要求。

（2） 纵向稳定安全系数Ks指标范围3.0～3.3。桥梁所在河段属于3＜Ks＜5，因此，可以认为桥梁所在河段属于纵向较为稳定河床。

（3） 横向稳定安全系数Kw=1.53。桥梁所在河段Kw＞1，属横向稳定河床。

4结论

本文以某斜交桥梁为背景，开展了水工模型试验。通过对各工况条件下的水流流态、水位、流速分布、河床冲淤等进行测量及分析，得到以下结论。

（1） 工程建设对工程下游水流流态有一定影响，但对河道水位、流速影响不大，水位最大壅高约0.56 m，流速变化幅度最大约0.7 m/s。

（2） 河道分别下泄5%，1%及0.33%各频率洪水时，桥位段河床冲刷主要发生在主河道流速较快的桥墩附近。桥梁修建后，对河道水流有一定的导流作用，桥梁所在河段最大流向变化角度约为5°。

（3） 对于类似跨河斜交河道且阻水率在10%以下的桥梁，桥梁建设后，桥梁所在河段仍属于河势稳定河段，桥梁对河势稳定影响较小。

参考文献：

［1］张林，程琳，孙东坡，等.铁路斜交桥对河道行洪的影响及对策［J］.水利水运工程学报，2012（1）：36-42.

［2］季日臣，何文社，房振叶.斜交桥壅水试验研究与理论探讨［J］.水科学进展，2007（4）：504-508.

［3］李付军，张佰战，林桂宾.斜交桥下水流流向偏转角度的理论分析［J］.水科学进展，2005（5）：634-637.

［4］王仁宽.山区斜交桥渡壅水和孔径计算［J］.铁道工程学报，1984（2）：61-68.

［5］许栋，杨海滔，王迪，等.河道斜交桥墩壅水特性数值模拟研究［J］.水力发电学报，2018：37（8）：55-63.

［6］赵忠伟，袁帅，马亮.斜交桥梁对山区航道通航水流条件的影响［J］.中国水运（下半月），2019，19（4）：134-135，8.

［7］岳朝俊，陈道春，窦俊波，等.巴基斯坦卡洛特水电站导流洞水工模型试验研究［J］.水利水电快报，2023，44（1）：87-89，109.

［8］尹心安，王嘉崎，高婷，等.河流水文情勢改变程度计算方法研究［J］.人民长江，2023，54（6）：66-72.

［9］许雪梅，孙猛，夏季，等.分汊河道闸前流态优化水工模型试验研究［J］.水利水电快报，2023，44（3）：84-88.

（编辑：江文）

Research and test on effect of cross-river oblique bridge on flood risk of mountainous river

LEI Luo1，GUO Zhixue2，GONG Zhen1，NIE Jun1

（1.Sichuan Provincial Highway Planning，Survey and Design Institute Ltd.，Chengdu 610041，China；2.State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering，Sichuan University，Chengdu 610052，China）

Abstract： In order to study the effect of cross-river oblique bridge on flood risk of river course in mountainous area，we took a proposed bridge across a river at an oblique intersection in Sichuan Province as an example.We analyzed the water flow pattern，flow velocity，water level，erosion depth before and after the completion of the bridge under different working conditions，and the stability of river regime by using a physical modeling experimental study.The results showed that this type of diagonal bridge with a staggered arrangement of piers had little impact on the river water level and flow velocity，but had a certain obstruction effect on the oblique water flow from the right bank to the left downstream of the project，causing the main flow to adjust slightly towards the right bank.The research results indicated that the river section remained stable after the construction of the diagonal bridge，and the impact on river during floods by the proposed bridge project was relatively small.

Key words： cross-river oblique bridge； mountainous river； river flow effect； hydraulic model test