G311线永城境改建工程跨河桥梁防洪评价

蔡 磊，许天一，蔡 霞

（1.长江水利委员会长江下游水文水资源勘测局，江苏 南京 210011；2.珠江水利委员会珠江水利综合技术中心，广东 广州 510611）

跨河桥梁是交通工程建设的重要渡河建筑物。桥梁跨越河流时，会侵占行洪面积，壅高上游水位，改变局部流态，给河道行洪和两岸堤防安全造成影响。洪水在桥墩及桥梁防护部位产生局部冲刷，危及桥梁自身安全。在开展跨河桥梁的建设时，需要综合考虑桥梁的运行安全，同时应根据《河道管理范围内建设项目防洪评价报告编制导则》[1]的要求对河道的行洪安全影响进行评价。近年来，这方面的研究渐趋多元化。郭婷[2]在跨河桥梁防洪影响评价研究中建立了防洪影响评价体系；董胜男[3]借助SMS软件中的FESMWS 模块建立了数学模型，对桥墩产生的壅水和冲刷进行平面二维数值模拟；乔连朋等[4]以某公路桥梁跨越河道工程为例，在分析与计算基础上综合评价了跨河桥梁对河道泄洪、河势稳定、防护工程、防汛抢险等的影响；张婷等[5]结合工程实例，基于分析计算结果，对大桥建成后的河势稳定和堤防安全等方面进行了综合评价。

1 研究区概况

本研究区为永城市G311线永城境改建工程，该线为省际物资运输的重要通道，是永城市公路运输网体系的重要组成部分，G311的成功改建对该区域完整的高效运输网络的形成，改善沿线的路网结构，构筑快速、便捷的运输网络起着重要作用，同时也是打开河南省中部通往安徽、江苏、上海及东部沿海地区的一条快速通道。工程涉河建筑物主要为王引河豫皖交界大桥、小王引河茴村镇中桥、韩沟桥、大涧沟柘树集中桥、东沙河刘大庄大桥、挡马沟中桥、小洪河浑河中桥共7座桥梁。

豫皖交界大桥位于王引河河道弯道处，主槽边坡较不规则，河底淤积，滩地平坦；茴村镇中桥所在的小王引河两岸有道路，河道边坡较规整，河线顺直；韩沟桥所在的韩沟河堤防完好，滩地平坦起伏较小；柘树集中桥位于大涧沟河道弯道处，边坡规整，两岸弃土成堤，滩地平坦；刘大庄大桥位于东沙河河道弯道处，上游紧邻永酂运河，河道边坡规整，滩地平坦；挡马沟中桥所在的挡马沟现状河道岸坡规则，桥址下游左右岸零散分布有堆土，上下游河槽内局部有取土坑；浑河中桥桥址处小洪河堤防不完整，除下游右岸为混凝土路面外，其余堤防均为土路面，下游左岸有开敞式排水涵闸1 座，右岸有穿堤排水涵1 座。本工程涉及的7 条河道除涝标准均为5 a 一遇，王引河、韩沟、东沙河防洪标准为20 a 一遇，小洪河防洪标准为10 a 一遇，小王引河、大涧沟、挡马沟河道无防洪任务。按照规划，东沙河、小洪河分别于2013、2010 年进行了治理，近期无治理规划。王引河、韩沟、大涧沟、小王引河、挡马沟将于近期进行治理。

根据近期测量的河道断面资料，并结合现场调查情况，分析G311 线永城境改建工程跨越的7 条河道河势稳定情况，认为河线基本无大的变化，河道纵横断面冲淤略有变化，现状河道逐年小幅淤积，河段河势基本稳定，预测河势不会有大的变化，以后将会发生小幅淤积，桥梁的建设不会影响整个河势稳定，但可能会存在局部冲刷。

2 防洪分析计算

2.1 水文分析计算

本次水文分析采用“70 对口水文”。其中，小洪河、挡马沟、东沙河、大涧沟采用浍河流域面积-流量关系曲线，韩沟、小王引河采用沱河流域面积-流量关系曲线，王引河采用王引河流域面积-流量关系曲线。

根据河道所在水系和桥址河道流域面积分别查取并计算对应河道相应的5 a一遇除涝流量、10 a一遇防洪流量、20 a 一遇防洪流量、100 a 一遇防洪流量。根据河道特性和河道水面线，以除涝断面为基础，采用明渠恒定非均匀渐变流能量方程计算各河道桥址100 a一遇洪水位，公式如下：

式中：z2，z1分别为上，下游断面水位（m）；Δz为上下游两断面水位差（m）；hf，hj分别为上下游断面之间的沿程水头损失和局部水头损失（m）；Δhv为上下游断面流速水头之差（m）；v2，v1分别为上，下游断面流速（m/s）；α1，α2分别为上，下游断面动能改正系数；g为重力加速度（m/s2）。

2.2 壅水分析计算

2.2.1 壅水高度计算

根据《铁路工程水文勘测设计规范》（TB 10017-2021），最大壅水高度计算采用如下公式：

式中：ΔZ为最大壅水高度（m）；η为系数，对平原河流η=0.10（中等河滩）～0.15（有较大河滩的低洼地区），本次计算取η=0.10；为桥下平均流速（m/s）；vˉ0为断面平均流速（m/s），计算方法为设计流量除以全河过水断面。

2.2.2 壅水影响范围计算

根据《铁路工程水文勘测设计规范》（TB 10017-2021），壅水影响范围即壅水曲线全长计算采用如下公式：

式中：Ly为壅水曲线长度（m）；Δzm为桥前最大壅水高度（m）；I0为桥址附近河道天然水面坡降。

2.2.3 壅水计算结果

根据设计单位提供的桥梁桥位、孔数、跨径、墩径等参数，分别计算7座桥梁的壅水情况，计算工况为各河道的防洪除涝标准和桥梁的防洪设防标准，各桥梁的壅水计算结果详见表1。

表1 壅水计算结果汇总m

2.2.4 梁底高程演算

根据各跨河桥梁的桥型图，对照设计单位提供的各桥梁最不利梁底高程，由经计算的各种频率下的洪水位和各频率时桥前壅水高度可以得出桥址对应的计算水位及梁底超高。

2.3 冲淤分析计算

根据各跨河桥涵的结构形式分为梁板式桥梁冲刷计算和涵洞冲刷计算，其中韩沟采用涵洞冲刷计算公式进行冲刷计算，其余桥梁均采用梁板式桥梁冲刷计算公式进行冲刷计算。

2.3.1 梁板式桥梁冲刷计算

冲刷计算包括一般冲刷和局部冲刷两部分，计算工况包含河道防洪标准和桥梁设防标准。

根据各跨河桥梁桥位处的河道地质情况和地质剖面图，桥梁桥位处主河槽及河滩均采用《公路工程水文勘测设计规范》（JTG C30-2015）推荐的黏性土冲刷计算公式进行冲刷计算。

（1）一般冲刷计算。根据《公路工程水文勘测设计规范》（JTG C30-2015），主槽冲刷深度计算采用如下公式：

式中：hp为桥下主槽一般冲刷后的最大水深（m）；Ad为单宽流量集中系数；Q2为桥下河槽部分通过的设计流量（m3/s）；μ为桥墩水流侧向压缩系数；Bcj为河槽部分桥孔过水净宽（m）；hcm为河槽最大水深（m）；hcq为桥下河槽平均水深（m）；IL为冲刷坑范围内黏性土液性指数。

根据《公路工程水文勘测设计规范》（JTG C30-2015），桥下滩地冲刷深度计算采用如下公式：

式中：hp为桥下滩地一般冲刷后的水深（m）；Q1为桥下河滩部分通过的设计流量（m3/s）；Btj为河滩部分桥孔净长（m）；htm为桥下河滩最大水深（m）；htq为桥下河滩平均水深（m）；其余变量含义同上。

（2）桥墩局部冲刷计算。根据《公路工程水文勘测设计规范》（JTG C30-2015），黏性土河床桥墩局部冲刷计算公式如下：

式中：hb为桥墩局部冲刷深度（m）；Kξ为桥墩系数；B1为桥墩计算宽度（m）；v为一般冲刷后墩前行近流速（m/s）；其余变量含义同上。

其中，河槽部分一般冲刷后墩前行近流速v计算公式为：

河滩部分一般冲刷后墩前行近流速v计算公式为：

桥梁桥址处冲刷计算结果，详见表2。

表2 桥梁桥址处冲刷计算结果

2.3.2 涵洞冲刷计算

韩沟桥为涵洞结构，孔洞内过流，建筑物上下游冲刷计算采用《水闸设计规范》（SL 265-2016）附录B 中推荐的河床冲刷深度计算公式。韩沟桥涵洞冲刷计算结果，详见表3。

表3 韩沟桥涵冲刷计算结果

根据以上计算结果，桥梁建成后将发生河槽和滩地一般冲刷、桥墩局部冲刷，其中100 a 一遇一般冲刷和桥墩局部冲刷较大。

2.4 河势影响分析

桥梁建成后，因桥址处河道过流断面面积有不同程度的减小，过流流速有所增大，将对河道产生不同程度的冲刷，对河势稳定产生影响，因此需要对河道进行岸坡防护。

3 防洪综合评价

本工程各桥平面布置与相关水利规划的总体要求和整治目标相一致，符合《中华人民共和国防洪法》《中华人民共和国水法》《中华人民共和国河道管理条理》和国家《防洪标准》等有关规定。

3.1 防洪标准

交叉断面处7 条河道现有防洪标准为5 a 一遇或20 a 一遇，G311 线永城境改建工程跨各交叉河流桥梁设计防洪标准均为100 a一遇，高于河道现有的防洪标准，设防标准符合《公路桥涵设计通用规范》（JTGD 60-2015）和国家《防洪标准》要求。

3.2 管理要求

依据桥梁设计图，7 座桥100 a 一遇设计洪水时，河道范围内桥梁最不利梁板底高程均高于100 a计算洪水位，满足有关设计规范和管理要求。

3.3 河势稳定影响分析

桥梁建成后，由于桥墩的阻壅作用，河道单宽流量增加，局部水面比降和流速加大，导致河床产生一般冲刷；同时，由于桥墩阻水，水流结构发生变化，墩前两侧发生水流集中现象，引起动能增加，导致桥墩周围出现局部冲刷。

3.4 河道防洪影响分析

根据《公路桥涵设计通用规范》（JTGD 60-2015）规定，新建桥梁梁板底高程应高于河道计算水位以上0.5 m。根据壅水计算和梁底高程验算可知，7 座跨河桥梁的最不利梁底超高均满足河道防洪标准的要求，对防洪影响较小。

3.5 河道岸坡冲刷影响分析

根据计算结果，梁板式桥梁建成后将会发生主槽一般冲刷、滩地一般冲刷和桥墩局部冲刷，其中河槽和滩地的冲刷将会对岸坡的稳定产生不利影响，岸坡桥墩的设置增加了岸坡局部冲刷，极易导致岸坡局部坍塌，韩沟涵洞由于缩窄河道断面较多，下游冲刷严重，对河道岸坡影响较大，因此应采取防护和防冲措施，消除其不利影响。

3.6 上游支沟排涝影响分析

根据壅水计算结果，王引河豫皖交界大桥、小王引河茴村镇中桥、韩沟桥及挡马沟中桥壅水影响范围内无其他建筑物，对上下游支沟建筑物无影响。大涧沟柘树集中桥建设对排水闸排涝和挡水运行有一定的影响。

3.7 水事权益影响分析

王引河等7 座桥梁附近无取水口、港口码头等第三者用水主体，改建道路工程建设不影响各河道水资源和水质，工程的建设不会对第三者合法水事权益造成明显不利影响。

4 结论与建议

4.1 河道演变及稳定性分析

根据各跨越河道历史资料及近期观测情况可知，多年的淤积和冲刷对河道影响并不严重，河势发育稳定，河线也基本保持不变。G311永城境改建工程的进行会加重桥梁上下游局部河段河槽、岸坡、滩地和堤防的冲刷，但可以通过实施河底、岸坡防护和堤防护坡等措施保证河岸稳定。

4.2 建设工程对各方面影响评价结论

（1）桥梁工程建设符合《淮河流域防洪规划》的总体要求和整治目标。

（2）桥梁设计洪水频率为1/100符合《公路桥涵通用设计规范》中桥涵设计洪水频率的规定，梁下净空符合《公路桥涵通用设计规范》中桥下最小净空的要求。

（3）桥梁工程实施后对岸坡冲刷有影响，桥址处左右岸河坡需采取防护措施。

（4）王引河豫皖交界大桥、东沙河刘大庄大桥、韩沟桥、小洪河浑河中桥需要增加左右岸上下游连接道路，满足防汛抢险的要求。

（5）韩沟箱涵阻水面积、壅水和冲刷均较大，箱涵缺少与堤防的连接设计和河道防冲设计，需要采取补救措施，保证堤防安全，减小河道冲刷。

（6）小洪河浑河桥影响下游左岸排涝涵闸的正常使用，需要对其采取专项补救措施，满足河道防洪要求和支沟排涝要求。

（7）桥梁的建设不会对第三者合法水事权益造成影响。

4.3 有关建议

（1）根据本次冲刷计算结果复核桥梁桩基的承载力和桥墩基底安全埋深，以及韩沟箱涵的抗浮稳定性。

（2）建议增加小洪河浑河中桥左岸排涝涵闸专项设计。

（3）施工方案中应充分考虑河道主管部门的意见，施工期内应与河道管理部门密切配合，服从河道主管部门的管理。