張永華，劉國梁，丁昌春

(黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院，哈爾濱 150080)

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呼口大橋防洪評價雍水及回水計算分析

張永華，劉國梁，丁昌春

(黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院，哈爾濱 150080)

摘要：根據(jù)呼口大橋工程概況，闡述了經(jīng)驗公式法和水流數(shù)學(xué)模型法兩種雍水及回水計算方法，分析確定了兩種方法中參數(shù)和模型邊界條件，運用兩種方法計算分析呼口大橋修建與河道裁彎曲直后河道雍水高度和回水長度，通過對兩種方法計算成果的對比分析，進(jìn)一步分析本工程對堤防及防洪的影響，并提出相應(yīng)的防洪影響評價結(jié)論和建議，為項目建設(shè)決策提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：防洪評價；雍水；回水；水面線；數(shù)學(xué)模型

1工程概況

呼口大橋位于呼蘭河干流下游，西北距哈爾濱市呼蘭區(qū)8km。擬建大橋大致呈南北走向，橋位在呼蘭河濱北鐵路橋下游3.5km、呼蘭河口上游7.5km處，橋址處為松花江回水堤，左岸為腰卜方臺堤防，右岸為三家子堤防，大橋引道與兩岸堤防平交，工程位置示意圖見圖1。呼口大橋主體工程包括主橋、引橋和路基工程，屬于大型永久性跨河建筑物，路肩標(biāo)高為121.96m。采用75m變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁方案，主孔跨徑為45+2×75+45m，主橋長240m；引橋跨徑為40 m的多孔梁式橋，引橋長1647.12m，橋梁全長1887.12m。

呼蘭河下游11km為Ⅲ級航道。河道裁彎工程按Ⅲ級航道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)，通航標(biāo)準(zhǔn)為航深1.7m，航寬70m，彎曲半徑>500m，通航保證率為95%。船隊組織形式：以272kW、198kW推輪分別與600t、1000t級分節(jié)駁組成的2排1列式頂推船隊的運輸方式為主，適當(dāng)發(fā)展其他形式的頂推船隊。

圖1工程位置示意圖

2壅水及回水分析

2.1經(jīng)驗公式法

根據(jù)搜集整理的資料數(shù)據(jù)推求呼蘭河呼口大橋建設(shè)后的設(shè)計水面線以及大橋建設(shè)后對橋址上、下游河段挖河的設(shè)計水面線。為試算糙率和推求回水影響長度，水面線應(yīng)自下游的呼蘭河口CS呼1斷面起推，向上至蘭西水文站斷面，總長約49km，計算斷面共29個，其中本項目影響范圍內(nèi)計算長度為29.1km，斷面20個。

水面線計算采用簡化的穩(wěn)定非均勻流公式：

(1)

流量模數(shù)計算公式為：

(2)

式中： n主、n灘為主槽、灘地糙率；R主、R灘為主槽、灘地水力半徑；A主、A灘為主槽、灘地斷面面積；α、β為主槽、灘地斷面偏角；Φ河道彎曲系數(shù)；Φ=L主/L灘；L主為主槽河道長度。

橋梁壅水高度采用鐵三院公式：

△H=η(Vm2-V02)

(3)

式中：ΔH壅水高度；η壅水系數(shù)；Vm橋孔壓縮斷面平均流速，m/s；V0橋孔擴散斷面平均流速，m/s。

壅水系數(shù)按流量壓縮比在0.05～0.15范圍內(nèi)插值，壓縮比>0.6時均采用0.15，<0.3時均采用0.05。

控制斷面設(shè)計流量及起推水位見表1。糙率采用擬合水文站實測H～Q曲線試算法率定糙率，其變化范圍見表2。

表1　起推水位及分段流量表

表2　試算糙率成果表

壅高及回水分析：將本次推求的各堤防改線及疏浚河道工程實施后的現(xiàn)狀水面線水面線與呼口大橋建成后的設(shè)計水面線進(jìn)行比較，建橋后橋址上游呼蘭河干流水位略有抬高，與現(xiàn)狀水面線相比較，20 a、50 a和100 a一遇設(shè)計洪水位最大壅高值均為0.01m。水位抬高的主要原因為呼蘭河呼口大橋橫跨呼蘭河干流，建在行洪灘地和主槽部分的橋墩和大橋兩端與堤防連接處的路基阻水，壓縮了過流斷面所致，根據(jù)計算，建橋后較建橋前20 a、50 a一遇和100 a一遇設(shè)計洪水位對應(yīng)過流面積分別壓縮了8.62%、8.25%和7.53%。由于橋位處距離呼蘭河口較近，受松花江干流回水影響，該段河道水面比降較緩，在兩者共同作用下，呼口大橋建成后橋梁壅高較小。

將挖河后的設(shè)計水面線與建橋后的設(shè)計水面線進(jìn)行比較，根據(jù)壅水計算成果，挖河工程實施后沒有給呼蘭河干流洪水位帶來壅高影響，洪水水面線有所降低，20 a、50 a和100 a一遇設(shè)計洪水位最大降幅分別為0.03m、0.03m和0.02m。水位降低的主要原因是河道裁彎取直，利用1 132 m長順暢的直線型引河銜接上下游河道，裁彎比達(dá)到2.5。挖河后河道流速略有增大。

統(tǒng)計建橋后橋及橋下斷面的過流面積以及流速、流量等參數(shù)進(jìn)行對比。橋址及橋下斷面水力要素統(tǒng)計見表3。橋斷面較橋下斷面總過流面積減少7.53%～8.62%，主要為灘地面積壓縮，灘地雖然過流面積有所減少，但流速增加不大，過流量減少較小，而主槽流速增加，過流量增加較大。

呼蘭河呼口大橋建成后，較現(xiàn)狀河道水面線水位有所壅高，但影響有限，各頻率水位抬高值最大僅為0.01m；挖河工程實施后，對橋梁本身的壅水高度沒有影響，但降低了本河段的水面線，各頻率水位降幅在0.02～0.06 m，對呼蘭河干流行洪是有利的。

2.2模型試驗分析

根據(jù)呼蘭河呼口大橋總體布置及航道裁彎取直總體布置，運用水流數(shù)學(xué)模型研究：裁彎取直方案實施前后工程周邊水動力變化，分析對周邊河勢的影響；圍繞航運安全，研究工程實施對航道流態(tài)、水深條件影響；評價工程方案實施后對區(qū)域防洪及局部河勢的影響等。

2.2.1數(shù)學(xué)模型計算

考慮到流域的整體性，并提高計算效率，采用一維模型和二維模型嵌套計算的方法，由一維模型為二維模型提供邊界條件，兩個模型邊界位置見圖2。

圖2　一維二維模型嵌套位置示意圖

二維模型洪水位時呼蘭河和松花江上游邊界為流量邊界，下游為水位邊界(見表4)。較低水位時，呼蘭河以水位控制。

表4　計算方案對應(yīng)模型邊界條件

在工程前地形的條件下，采用了三級流量，方案1、方案2和方案3的水文條件對模型進(jìn)行了率定驗證。模型邊界條件見表 4。參考《松花江三家子堤防工程數(shù)學(xué)模型研究成果報告》，考慮水深的變化，模型的糙率參數(shù)M取在26～66。

經(jīng)驗表明，三級流量驗證的水位誤差都不超過 15cm，水位誤差在10%以內(nèi)，模型計算結(jié)果符合《水利工程水利計算規(guī)范》中水力學(xué)計算的要求，滿足驗證精度[2]。

2.2.2一維模型驗證結(jié)果分析

計算結(jié)果表明，考慮航電樞紐后，僅樞紐附近水域水位有所上升，對松花江上游水位影響較小，斷面 9，斷面10，斷面11 的水位升高僅0.06～0.12m。不考慮航電樞紐時，斷面10～18模型計算值與成果報告中的推求水位值吻合良好，符合相關(guān)規(guī)范規(guī)定的精度要求，可以較好地反映該河段實際運動情況。斷面 9 與推求值相差較大，原因是由于斷面 9 位于呼蘭河匯入點，接受大量呼蘭河來流。而在成果報告中推求哈爾濱干流水面線時并沒有考慮呼蘭河的影響，因此導(dǎo)致模型計算值大于報告推算值。

綜上所述，所建立松花江哈爾冰河段一維水流模型是基本合理的，能夠滿足對該河段水流模擬的要求，可為后面進(jìn)行的松花江呼蘭河段二維數(shù)學(xué)模型提供相關(guān)水文條件。

2.2.3二維數(shù)學(xué)模型驗證結(jié)果分析

在計算水文條件上，以以往相關(guān)工程水文研究成果為基礎(chǔ)，考慮了松花江干流為主的洪水方案和呼蘭河支流為主校核方案共7組方案，比較不同水位條件下呼蘭河口段以及工程區(qū)河道的水位、流態(tài)情況，從模型計算結(jié)果，初步得到以下結(jié)論：①工程前后該河段水位分布和流速分布差別很小，工程實施后未明顯減小河道過流能力，所以工程的實施對松花江干流呼蘭河口段的整體河勢灘勢幾乎無影響；②裁彎取直段上下游航道在洪水方案條件下，工程前后幾乎沒有變化，在校核方案中，工程前后水位變化<0.04 m，流速變化≤0.05 m/s，對上下游航道的影響不大；③工程前后彎段和取直段航道水位非常接近，“直段”航道形成后上下游流速均勻，而彎段航道上下游流態(tài)差異大，走向多變，存在航運安全隱患，所以總體上新航道內(nèi)水流流態(tài)更為平穩(wěn)，對航運非常有利。

3兩種方法計算成果對比分析

根據(jù)模型試驗結(jié)論，在松花江為主的情況下，挖河前后水位基本沒有變化；在呼蘭河為主時，10 a和20 a一遇洪水挖河前后水位變化最大為0.03m和0.02m。而公式法計算的水面線成果，10 a和20 a一遇洪水挖河前后水位變化最大為0.04m和0.03m。

模型試驗中的松花江為主方案，呼蘭河流量量級較小，與公式法計算的水面線采用洪水差別較大，故模型試驗松花江為主方案，水位變化值與公式法計算的水面線分析成果差別較大；而模型試驗中的呼蘭河為主方案，呼蘭河流量量級與公式法計算的水面線采用洪水比較接近，故模型試驗呼蘭河為主方案，水位變化值與本次水面線分析成果基本一致。

參考文獻(xiàn)：

[1]黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院.哈爾濱市松花江北岸堤防防汛搶險通道—呼蘭河呼口大橋工程防洪評價報告[R].哈爾濱:黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院，2011.

[2]上海市水利工程設(shè)計研究院.哈爾濱市松花江北岸堤防防汛搶險通道工程呼口大橋橋位及航道裁彎取直水流數(shù)學(xué)模型研究報告[R].上海:上海市水利工程設(shè)計研究院，2011.

Backwater and Return Water Calculation Analysis of Hukou Bridge Flood Control Evaluation

ZHANG Yong-hua; LIU Guo-liang and DING Chang-chun

(Heilongjiang Provincial Water Conservancy & Hydroelectric Power Investigation, Design and Research Institute, Harbin 150080, China)

Abstract：According to the general situation of the Hukou bridge project, two kinds of calculation methods about backwater and return water: the experimental formula method and water flow mathematical model method were described to analyze the parameters and boundary model conditions of the two methods.Two methods were applied to calculate and analyze the height of backwater and the length of return water after constructing the Hukou Bridge and straightening the river course, by comparing the results of the two calculation methods, the impact of the project on dike and flood control was analyzed further and corresponding conclusion and suggestion about the flood control impact evaluation was put forward to supply scientific accordance for the decision on project construction.

Key words：evaluation of flood control; backwater; return water; water surface line; mathematical model

中圖分類號：TV87；TV131

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

[作者簡介]張永華(1983-)，女，黑龍江雙鴨山人，工程師；劉國梁(1982-)，男，黑龍江哈爾濱人，工程師；丁昌春(1984-)，男，山東青島人，工程師。

[收稿日期]2015-10-18

文章編號：1007-7596(2016)01-0010-04