沈德錄,周建芬

(1.浙江中邦水利科技有限公司,浙江 杭州 310018;2.浙江水利水電學院 水利與環(huán)境工程學院,浙江 杭州 310018)

響山大橋位于浙江溫州永嘉縣境內(nèi),于1998年建成,橋梁全長185 m,橋?qū)? m,跨徑組合為 5×35 m。響山大橋經(jīng)鑒定已被判定為危橋,存在安全隱患,為確保車輛通行安全,相關管理部門決定對響山大橋?qū)嵤┡R時限制交通措施。在橋梁兩側設置限高架,禁止高度3 m(含)以上的車輛通行,但該橋是杭溫鐵路永嘉段工程施工運輸車輛的必經(jīng)之路?？紤]到杭溫鐵路永嘉段已全面進入主體施工階段,而現(xiàn)有響山大橋不能滿足杭溫高鐵施工運輸車輛荷載要求,為確保杭溫鐵路正常施工,急需在原響山大橋下游處增設臨時鋼棧橋。按照《中華人民共和國防洪法》(2016年修正)、《河道管理范圍內(nèi)建設項目管理的有關規(guī)定》(2017年修正)等法律、法規(guī)的規(guī)定,建設臨時鋼棧橋前必須編制防洪評價報告,重點分析評價臨時鋼棧橋的建設是否滿足自身防洪安全需要,提出切實可行的消除或減輕洪水影響的措施。

1 研究目的

圖1 臨時鋼棧橋平面布置

圖2 臨時鋼棧橋橋型

圖3 臨時鋼棧橋立面布置圖

2 研究方法

2.1 水文分析

本工程涉及楠溪江響山村段范圍的水文分析計算成果在浙江省水利水電勘測設計院編制的《楠溪江流域水利規(guī)劃修編報告》[4]中已有詳細計算過程,該成果可用于本次防洪評價水文分析成果比對;按照本工程所在位置及楠溪江流域特點,將響山大橋橋址以上流域分為三個區(qū)域:大楠溪流域、小楠溪流域及大小楠溪匯合口至響山大橋區(qū)域。根據(jù)《浙江省短歷時暴雨》[5]計算面雨量,再通過浙江省瞬時單位線公式分別推求洪水更具針對性,洪水組合后分析計算得出本次設計洪水成果。

根據(jù)《楠溪江流域水利規(guī)劃修編報告》,本工程設計暴雨根據(jù)流域雨量站的位置分布狀況,選取石柱站、碧蓮站作為暴雨分析的參證站。暴雨取樣采用同場雨法,以P-Ⅲ型曲線適線,從而求得流域不同頻率設計暴雨。本次楠溪江響山村段設計暴雨采用浙江省短歷時暴雨。點面系數(shù)取1.0,根據(jù)《浙江省短歷時暴雨》圖集查得點雨量及變差系數(shù)Cv值,即為流域面雨量與Cv值。楠溪江響山村段設計暴雨成果見表1。

表1 楠溪江響山村段設計暴雨成果

將本次流域設計暴雨成果與《楠溪江流域水利規(guī)劃修編報告》中的設計暴雨成果進行對比,對比結果見表2。

表2 設計暴雨成果比較

從表2設計暴雨成果比較可以看出,本次設計暴雨計算成果與《楠溪江流域水利規(guī)劃修編報告》中設計暴雨成果在不同頻率條件下相差4.6～10.4 mm,差值率為1.21%～5.56%?？紤]了地理地形等因素對暴雨洪水的影響,以及河道對洪水的調(diào)蓄作用,偏態(tài)系數(shù)與變差系數(shù)比值Cs/Cv取2.5,符合本流域的洪水特性,推求的設計洪水成果較為可靠。

流域匯流計算采用浙江省瞬時單位線法[6]。由設計暴雨雨型分配,求取各時段雨量過程,扣除初損、后損,得到各時段凈雨過程,按流域特征值計算瞬時單位線相關參數(shù),從而求出各頻率設計洪水。計算分區(qū)見圖4,相應計算結果見表3,表4。

表3 楠溪江流域分區(qū)特征值

表4 楠溪江流域分區(qū)設計洪水計算結果

圖4 楠溪江流域分區(qū)示意圖

通過對各分區(qū)洪水進行組合計算,楠溪江響山村段響山大橋橋址處50年一遇洪峰為16 269 m3/s,20年一遇洪峰為12 965 m3/s,10年一遇洪峰為10 459 m3/s,5年一遇洪峰為7 843 m3/s。

石柱水文站地處大楠溪,集水面積為1 311.7 km2,碧蓮站位于小楠溪,集水面積為401.3 km2。這兩個水文站的總控制面積達1 713 km2,占楠溪江流域的70.3%,水文氣象條件一致,是作為設計洪水分析較為理想的代表站。因此,本次設計洪水分析中,采用流域內(nèi)石柱站、碧蓮站的實測洪水資料進行計算比較,比較結果見表5,表6。

表5 石柱站設計洪水結果比較

表6 碧蓮站設計洪水結果比較

由表5,表6可見,本次推求的石柱站、碧蓮站設計洪峰與實測洪峰相對誤差在9%以內(nèi),說明由設計暴雨采用瞬時單位線推求設計洪水的成果基本合理、可靠。

2.2 水利計算

橋址處距楠溪江河口約25.8 km,認為該段河道不會受到楠溪江下游的潮水上溯影響。對于山溪性河流,由于溪流槽蓄作用差,洪水陡升陡落,本次采用一維恒定非均勻流進行水位分析計算,水位成果作為鋼棧橋下游水位邊界條件,計算結果見表7。水面線可通過求解能量方程求得,逐斷面依次計算,具體表達式[7]為

表7 響山大橋橋址下游洪水位

(1)

(2)

式(1)-式(2)中:Z1為上游斷面河底高程,m;Z2為下游斷面河底高程,m;Y1為上游斷面水深,m;Y2為下游斷面水深,m;V1為上游斷面平均流速,m/s;V2為下游斷面平均流速,m/s;a1為上游斷面動能修正系數(shù);a2為下游斷面動能修正系數(shù);g為重力加速度,取9.8 m/s2;he為水頭損失,m;Sf為水力坡度;L為斷面平均距離,m;C為斷面收縮系數(shù)或擴散系數(shù)。

2.3 計算工況

根據(jù)《楠溪江流域水利規(guī)劃修編報告》,該區(qū)域防洪標準為10年一遇。經(jīng)踏勘,橋址處現(xiàn)狀溪流右岸為S223省道(仙清線)路基擋墻及部分灘地,左岸臨江側均為自然岸坡,后為農(nóng)田,橋址兩岸目前尚未進行堤防規(guī)劃建設。由于鋼棧橋使用期較短,屬于臨時性工程,根據(jù)《防洪標準》(GB 50201—2014)第3.0.8章節(jié)的描述,對使用期較短的建筑物,可適當降低防洪標準,承擔一定的防洪風險,同時,在經(jīng)濟上也是合理可行的。結合工程實際情況,擬定計算5年一遇工況。鋼棧橋上游洪峰流量為7 843 m3/s,下游0.5 km處相應洪水位為10.51 m。

2.4 阻水分析計算

通過鋼棧橋施工圖,結合實地現(xiàn)場踏勘情況,鋼棧橋最低橋面高程為11.10 m,最低梁底高程8.78 m,與原響山大橋橋面及梁底高程基本一致,但均不滿足5年一遇防洪要求。阻水[8]分析采用《浙江省涉河橋梁水利技術規(guī)定(試行)》要求“阻水比為在設計水位條件下,橋梁阻水結構在垂直于水流方向上的投影面積與河道過水斷面面積之比”進行分析計算。跨越Ⅰ、Ⅱ級堤防橋梁的阻水面積百分比不宜大于5%,同時不得超過7%?？缭舰蠹壖耙韵碌谭酪约盁o堤防河道的橋梁的阻水面積百分比不宜大于6%,不得超過8%;根據(jù)現(xiàn)場周邊堤防工程建設情況,工程沿線堤防等級均為Ⅳ級及以下。經(jīng)計算,鋼便橋建設后阻水比為6.30%,滿足相關要求。橋梁阻水比計算結果見表8。

表8 橋梁阻水比計算結果

2.5 水流運動基本方程

水流連續(xù)方程為

(3)

水流運動方程為

(4)

(5)

式(3)-式(5)中:t為時間,s;x,y分別為笛卡爾坐標系坐標,m;h為水深,m;u為橫向水流速度,m/s;v為縱向水流速度,m/s;n為糙率系數(shù);vt為渦流系數(shù)。

2.6 二維水流數(shù)學模型的建立

2.6.1 計算范圍和網(wǎng)格劃分

數(shù)學模型計算范圍[9]應充分涵蓋工程建設可能影響到的范圍,結合鋼棧橋所處河段河勢條件及本次研究分析內(nèi)容等因素,模型計算范圍為鋼棧橋軸線上下游各500 m。利用SMS軟件生成三角形網(wǎng)格離散計算區(qū)域,網(wǎng)格大小隨河道河勢變化而變化,并在橋墩處進行局部加密,網(wǎng)格最小邊長為0.30 m,區(qū)域共離散為92 738單元和47 226節(jié)點。

2.6.2 邊界條件

模型所選用的河道邊界資料采用《溫州市永嘉縣市級河道劃界方案》[10]中楠溪江劃界成果,橋軸線上游0.5 km處為流量邊界條件,下游0.5 km處為水位邊界條件(通過水面線推求可得下游0.5 km處相應洪水位為10.51 m),其余為陸地邊界條件。建橋前橋墩處的網(wǎng)格單元不作處理,建橋后橋墩處的網(wǎng)格單元按照陸地邊界處理。計算范圍地形見圖5。

圖5 工程范圍地形概化

2.7 有關參數(shù)的選取

2.7.1 河道糙率

本區(qū)域缺少實測洪水資料,參考計算斷面上游石柱、碧蓮水文觀測站實測數(shù)據(jù)進行分析,同時參照有關天然河道河床糙率取值表,并結合楠溪江響山村段的河床組成、岸坡光潔度以及河道過流斷面形狀等綜合因素來確定,本次計算河道綜合糙率系數(shù)取用0.03。

2.7.2 干濕邊界處理

為保證模型計算過程的連續(xù)性,采用動邊界模擬不同水位下網(wǎng)格的干濕變化情況。本次干邊界水深取0.1 m,濕邊界水深取0.05 m。

3 結 果

計算模型所選用的河道邊界資料采用《永嘉縣省級、市級河道劃界》中楠溪江劃界成果。邊界條件:工程所在地上游0.5 km處為流量邊界條件,下游0.5 km處為水位邊界條件,其余為陸地邊界條件。相關的數(shù)學模型及計算結果見圖6—圖11。

圖6 數(shù)學模型計算范圍

圖7 橋墩處網(wǎng)格局部加密圖

圖8 建設前橋墩附近流場等值線

圖9 建設前局部橋墩流場矢量分布

圖10 建設后橋墩附近流場等值線

圖11 建設后局部橋墩流場矢量分布

通過模型計算分析,在遭遇5年一遇洪水時,臨時鋼棧橋橋址附近的水位較建設前水位略有升高,主要表現(xiàn)在水流受到橋墩壓縮,在橋墩迎水面形成壅水。對MIKE21計算結果進行后處理,得到最大壅水高度為0.06 m,出現(xiàn)在橋址上游約110 m處;在橋墩背水面形成跌水,最大跌水高度為0.02 m,出現(xiàn)在橋址下游約80 m處,橋下平均流速約4.50 m/s,最大流速增幅為3.36%。通過MIKE21計算結果得到的橋前最大壅水值、橋下平均流速,與采用經(jīng)驗公式計算得到的橋前最大壅水值0.0569 5 m、橋下平均流速4.53 m/s基本接近,由此可知,通過MIKE21模型計算得到的結果是比較合理的。

受橋墩局部的阻水作用影響,水流向橋墩兩側出現(xiàn)繞流,計算結果表明繞流范圍較小,對河道整體水流運動無較大影響;橋梁左岸邊墩離橋臺擋墻較近,但左側橋臺現(xiàn)狀呈“丁字形”,可大大降低靠近左側橋臺橋墩遭受洪水的沖刷作用;橫斷面方向橋墩的阻水作用,使得橋址處的過水斷面寬度及面積減小,橋墩間流速較建設前有所增加,最大流速增幅為3.36%,橋墩周邊流速降低幅度較大。

根據(jù)《浙江省涉河橋梁水利技術規(guī)定(試行)》要求,臨時鋼棧橋建設后引起的水位壅高以“對于不允許越浪的河道江(海)堤,橋墩阻水引起的最大壅水高度應控制在堤頂安全超高值的10%以內(nèi);對于允許越浪的江(海)堤最大壅水高度應在堤頂安全超高值的20%以內(nèi)”作為評價依據(jù);工程建設流態(tài)變化以“根據(jù)錢塘江、浦陽江、曹娥江、飛云江、甌江、甬江等河道上30座已建橋梁引起的流速變化定床物理模擬和數(shù)值模擬研究,堤腳前的流速增大值可以控制在5%以內(nèi)”作為評價依據(jù)。工程涉及河道現(xiàn)狀為無堤防,按Ⅳ級堤防不允許越浪考慮,最大壅水高度應小于0.06 m。綜上分析,響山大橋臨時鋼棧橋的建設對楠溪江流域響山村段的水位、流速影響較小,皆在可控范圍內(nèi)。

4 結 論

本研究以永嘉縣沙頭鎮(zhèn)響山大橋臨時鋼棧橋工程為實例,采用MIKE21二維數(shù)值模擬對工程涉及河段鋼棧橋建設前后的水流條件變化進行模擬分析,計算結果顯示:臨時鋼棧橋橋址附近的水位較建設前水位略有升高,最大壅水高度為0.06 m,發(fā)生在橋位上游約110 m處,橋墩間流速較建設前有所增加,最大流速增幅為3.36%,計算結果與經(jīng)驗公式計算結果基本一致,認為該模型能夠較好滿足響山大橋臨時鋼棧橋防洪評價需要。由于鋼棧橋的建設引起的水位壅高、壅水影響范圍及流速增幅值較小,故對楠溪江河道行洪能力、河勢穩(wěn)定影響較小。但根據(jù)施工設計方案,臨時鋼棧橋左岸邊墩離橋臺擋墻最小距離僅為0.89 m,小于橋墩直徑的3倍,不滿足相關要求。建議建設單位在汛期時,在左側承臺處拋擲沙袋,防止洪水對左側承臺基礎的沖刷;在鋼棧橋使用過程中,應加強對橋面及左側橋臺擋墻的安全監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)問題及時采取措施;通過施工圖結合現(xiàn)場踏勘結果,臨時鋼棧橋設計高程與響山大橋高程基本一致,但均不滿足5年一遇防洪要求,建設單位應設置相應的警戒水位及撤離水位,并派專人進行水位觀測,如遇上游達到相應水位或接到防汛調(diào)度指令的情況,應立即中斷交通,限制通行。

目前,水流條件模擬主要有物理模型模擬和數(shù)學模型模擬,物理模型往往需要耗費大量人力物力,且改變邊界條件較為困難;而數(shù)學模型的邊界條件可以隨時改變,隨著計算機技術的發(fā)展,計算速度更快、成本更低,軟件的通用性更強。本實例中MIKE21二維數(shù)值模擬結果能夠較好地反映鋼棧橋建設前后橋址所在河段的水位、流速變化情況,可為鋼棧橋工程防洪評價及項目審批提供技術支撐。