禹州市颍云桥工程防洪综合影响评价分析

贾军伟，成晨光

（1.中电建华东勘测设计研究院（郑州）有限公司,河南 郑州 450000；2.河南省水利勘测设计研究有限公司,河南 郑州 450016）

河道工程建设活动将会导致河道水流形态变化,其不利于河道维持冲淤平衡,对河道水利工程管理和防汛抢险有着较大影响[1]。为了保障江河防洪安全,规范河道管理范围内建设项目防洪评价报告的编制,根据《中华人民共和国防洪法》与《中华人民共和国河道管理条例》[2]等法律、法规,2021年水利部出台了《河道管理范围内建设项目防洪评价报告编制导则》,为河道管理范围内建设项目提出了相关要求和内容。近年来,部分学者对相关建设项目的防洪工程进行了评价分析,如周倩男[3]运用水文比拟法和雨洪法对望江县宝塔河上段防洪工程进行了流域设计洪水计算,曹开兴[4]对景德镇港昌江港区鱼山码头建设项目的防洪评价进行了水文分析计算,秦龙飞等[5]采用HEC-RAS推算了新蔡县河口大桥工程跨越小洪河的设计河道水面线并分析了设计洪水内对桥梁的影响,朱明栓等[6]通过水文水利分析计算论证了闽江下游竹岐段的防洪影响程度,盛雷等[7]确定了梁济运河防洪标准、设计洪水流量和洪水位,并对桥梁防洪影响进行了综合评价,丁丁等[8]评价了马鞍山长江大桥江心洲右汊及乙字河临时工程建设前后对长江防洪的综合影响,吴欢欢等[9]根据蟒河桥工程的建设规模和布设情况分析了该工程对洪水的影响范围。

本研究以拟建颍河颍云桥为例,在介绍工程项目区基本情况、河道基本情况和水文基础资料的基础上,从河道演变趋势分析、设计洪水计算、壅水分析计算、冲淤演变分析和河势影响分析方面对颍河桥进行防洪评价计算,且对颍河桥防洪综合影响评价进行分析。进而针对防洪影响评价结论,分析工程建设可能出现的隐患,提出合理的安全防护措施。

1 工程概况

1.1 项目区基本情况

颍云桥位于禹州市市区西北颍河橡胶一坝上游约1.8 km处,距离上游南水北调总干渠约1.8 km。河道桩号以南水北调倒虹吸作为0+000桩号,颍云桥项目区位于南水北调倒虹吸下游1+800处。颍云桥的桥梁右岸控制点位于振兴路与拟建颍北大道交叉口,桥梁左岸控制点位于聂政台路与拟建颍北大道交叉口；颍云桥的桥梁墩台轴线与河道中心线夹角约为4°,桥梁轴线与河道中心线夹角约为94°,颍云桥设计防洪标准为100年一遇。

1.2 河道基本情况

颍云桥工程所在颍河河段基本顺直,无堤防,河道走向由北向南,桥梁处河道口宽约190 m；常年蓄水位水域宽约125 m。项目区段河道弯曲,断面宽阔,两岸地势开阔,较平坦；河道现状深泓点高程约为108.86 m,现状河底宽约为112.00 m；两岸边坡为天然土坡,右岸较陡,坡比约为1∶1.4,坡高约为6.3 m,右岸现状岸顶高程约为121.12 m；左岸较缓,有滩地,滩地宽约为39.3 m,滩地高程在114.5 m～117.3 m之间,左岸边坡坡比约为1∶1.7,左岸现状岸顶高程为120.31 m；河道平均坡降约为1/1330。工程区地处山前冲洪积平原上,地面高程一般为119.50 m～122.50 m,地面较平坦,局部有土堆和小坑。

1.3 水文基础资料

颍云桥桥址附近无水文观测资料,缺少实测河道断面变化资料,在桥址下游39.5 km处有颍桥水文站。颍桥站具有多年水文观测资料,本研究采用颍桥水文站实测大断面多年来的变化情况,并结合现场调查访问,分析桥址处河道断面变化及河床冲淤特性等。颍桥水文站1953年6月建站,于1984年1月1日撤销,下迁至下游6 km处,设立为化行闸站。颍河化行闸以上有雨量站14个,邻近流域有6个,共计20个站,最早设站于1931年,多数雨量站至今已有50余年观测资料。

2 防洪评价计算

2.1 河道演变趋势分析

颍河颍云桥附近河段近期不会有大的河道治理工程实施,局部护岸工程可能会实施。颍云桥工程修建后,由于桥墩挤占河道行洪断面,造成局部河床桥墩处流速加大,会发生一定冲刷,总体河势稳定。工程修建后,颍云桥100年一遇水位（117.74 m）距离设计桥梁拱底高程（122.79 m）高差为5.05 m,对河道行洪影响不大,河流的主流线没有变化,不会影响河道原有演变趋势,近期内仍会按原有演变趋势发展。

2.2 设计洪水计算

由于颍云桥工程位于南水北调干渠下游1.8 km处,区间汇流面积较小,本研究直接采用南水北调中线总干渠穿颍河倒虹吸工程穿颍河设计洪水,见表1。

表1 颍河南水北调交叉断面设计洪水成果表

根据水文比拟法计算颍云桥桥址断面非汛期设计洪水,将化行闸非汛期设计洪水推算到颍云桥桥址断面处。由于白沙水库非汛期不泄流,根据白沙水库至颍云桥桥址断面区间流域面积598 km2与水库至化行闸站区间流域面积927 km2比值的0.75次方,缩放计算得到颍云桥桥址断面非汛期5年一遇设计洪峰流量为47.9 m3/s。采用HEC-RAS的恒定流水面线推算模块对颍云桥水位推算桥址处水位应为111.05 m,另外颍云桥建桥前100年一遇水位为117.74 m,50年一遇水位为116.17 m。

2.3 雍水分析计算

桥梁修建后天然水流将受挤压,在桥梁上游形成壅水区,壅水高度不仅影响桥梁的设计高度,而且还会对桥梁上游两岸的河道工程产生一定程度的影响。经过计算颍云桥在100年一遇和河道50年一遇洪水下建桥后的阻水比分别为5.97%和4.03%。

桥前最大壅水高度公式：

式中：ΔZ为最大壅水高度,m；η为系数,与桥阻断流量有关；为桥布置后断面平均流速,m/s；Qp为设计流量,m3/s；ωj为桥过水断面面积,m2；vo为现状河道断面平均流速,m/s。

壅长计算公式：

式中：L为壅水长度,m；ΔZ为最大壅水高度,m；I为水面比降。

根据100年一遇洪水水面线推算的现状情况下河道断面平均流速、建桥后断面平均流速,并根据河滩路堤阻断流量与设计流量的比值选定η值,进行壅高值计算,结果见表2。经计算,颍云桥100年一遇洪水壅高为0.03 m,壅水长度为79.80 m；50年一遇洪水壅高为0.02 m,壅水长度为54.84 m。

表2 壅高计算成果表

2.4 冲淤演变分析

颍云桥建桥后,桥下流水面积因压缩而减小,建桥压缩水流而在桥下河床全断面内发生了普遍冲刷（一般冲刷）,并且桥墩前水流受到阻挡与干扰,墩周产生了局部冲刷坑（局部冲刷）。根据《公路工程水文勘测设计规范》中的桥梁一般冲刷计算公式和非粘性土桥梁墩台局部冲刷计算公式对颍云桥进行冲刷计算,得到颍云桥桥址断面冲刷计算成果见表3。

表3 颍云桥桥址断面冲刷计算成果表

由表3可知,在100年一遇防洪标准下,颍云桥桥位附近主河槽一般冲刷深度为0.57 m、滩地一般冲刷深度为1.21 m,桥墩附近主河槽局部冲刷深度为2.69 m,滩地桥墩附近局部冲刷深度为0.43 m；因此,主河槽最大冲刷深度为3.26 m,滩地最大冲刷深度为1.64 m。在50年一遇防洪标准下,颍云桥桥位处水位高程为116.17m,低于左岸滩地高程,因而50年一遇洪水流量对河道滩地基本无冲刷；桥墩附近主河槽一般冲刷深度为0.51 m,局部冲刷深度为2.45 m,因此主河槽最大冲刷深度为2.96 m。

2.5 河势影响分析

本研究主要根据MIKE21数学模型对颍云桥所在河道的流速及流态变化进行模拟,模型计算区域为颍河禹州段,以桥址上游1.8 km（南水北调总干渠倒虹吸处,桩号0+000）～桥址断面下游1.8 km（橡胶一坝,桩号3+600）（见表4）,作为二维模型区域的进口和出口断面,计算长度为3.6 km。计算区域网格划分采用三角形网格,网格在各桥梁桥墩位置进行了局部加密,三角形边长2m ～6 m,最大面积不超过30 m2,其他位置网格边长约10 m～25 m,最大面积不超过400 m2。总节点数4934,总网格数9508。在计算时计算区域的上下游边界保持不变,两侧边界则根据计算单元干湿情况自动调整。

表4 颍云桥工程局部MIKE21二维数学模型计算范围

根据图1～图4可知,由于桥墩导致桥址处过水面积减小,对水流产生收束和挤压。受桥墩的阻水影响,桥墩附近局部产生绕流和回流,流速明显减小,桥墩的墩头和墩尾处影响较大。另外,根据工程实施前后河道不同断面流速对比可以看出,桥梁工程的建设对河段桩号1+600～2+200段流速影响较小,其中桥址处平均流速由建桥前的3.20 m/s增加至建桥后的3.78 m/s。桩号0+000～1+400及桩号2+200～3+600河段,工程对其流速基本无影响。由此可见,颍云桥建设后,颍河整体流态平顺,流速变化区域主要局限在桥址附近,影响范围及幅度有限,流速变化明显区域仅桥墩墩头及尾部,其余部位影响较小。因此,颍云桥工程对工程所在河道整体流速、流态影响不大。

图1 工程实施前桥址处河段二维流速图

图3 工程实施前桥址处河段二维流向图

图4 工程实施后桥址处河道二维流向图

颍云桥工程修建完成后,工程上下游河段洪水河势基本与现状一致,整体保持原有态势。修建颍云桥工程对洪水期河道过流能力影响较小,工程河段河道水流动力轴线基本不变。颍云桥工程设计方案基本没有改变河道岸线布置,原河道断面宽度未出现缩窄,在桥梁施工过程中会对桥址处滩地及河床断面进行适当扩挖,增加过流断面,建设完成后对断面进行规整、补偿。施工过程中造成的岸线破坏,在颍云桥施工完成后,会对其进行一定的修复,同时对颍云桥处河道断面滩地局部进行扩挖。施工过程中仅对桥址断面及上下游50 m左右的河道断面进行疏挖,其余河段的滩槽和岸线无变化。

3 防洪综合影响评价

颍云桥河道桥址断面100年一遇工程后水位117.74 m,颍云桥拱底最低高程121.38 m,梁下净空3.64 m,河道内建设项目对河道防洪标准基本无影响,满足现有防洪标准。颍云桥工程对左右岸部分行洪滩地进行适当的扩挖,对河道桥址处河床进行清淤疏浚,从而增加了河道行洪断面面积,因此对河道的行洪能力影响较小,不会引起现有防洪标准的降低。

根据冲刷计算结果,依据颍云桥桥梁设计方案,桥址处主桥墩处河道河底高程为110.10 m,承台顶高程为106.80 m,承台埋置深度为3.3 m超过最大冲刷深度,因此工程建设对河势稳定影响不大。颍云桥壅水较小,回水长度79.80 m,而颍云桥上游现有水利工程仅有南水北调工程,并且距离颍云桥1800 m,在颍云桥壅水回水范围以外,因此,颍云桥对南水北调工程正常使用不会造成影响,同时在其壅水影响范围内无其他水利设施。

颍云桥施工期在河道内施工,短期内可能会对河道防汛抢险造成影响,但主体工程施工期在非汛期施工,防汛任务不大,且时间较短,因此,工程施工期对河道防汛抢险造成的影响较小。

4 结论与建议

颍云桥工程桥梁设计洪水标准满足河道防洪标准和河道管理要求,施工完成后周边水环境及岸坡进行的一定的修复处理,颍云桥的建设对河势的稳定、现有水利及其他设施基本无影响。建议在颍云桥工程施工过程中对桥址上游两岸50 m范围、下游两岸100 m范围内岸坡进行防护,工程区河道内堆放的弃渣、废弃物、漂浮物等应及时进行清除转运；施工期内应采取措施,及时撤离阻水设施,使河道顺畅泄洪；保持道路畅通及沿线通讯电缆、电力电缆等基础设施安全,施工安全进行；主河槽段桥墩施工,要做好施工导流工作,减少施工期排水量,非汛期施工墩台、桩基等下部结构工程,开挖避免占用非汛期河道断面。