跨河橋梁及施工對河涌防洪引水與排水影響分析

朱秋菊，馮志鵬，鄭江麗

（珠江水利委員會珠江水利科學研究院，廣東廣州 510611）

1 研究背景

南洲立交工程跨河橋梁工程設計防洪標準為100年一遇，跨河橋梁工程與河網內3條河涌相交，其中縱向跨黃沖涌（河涌內布置直徑1.2 m的橋墩8個），橫跨土華涌（河涌內布置直徑1.2 m的橋墩24個）、石榴崗河（河涌內布置直徑1.2 m的橋墩21個），所跨土華涌斷面寬約240 m，所跨石榴崗河斷面寬約60 m，黃沖涌斷面寬10～25 m?？绾訕蛄汗こ虒嵤r，考慮先拓寬黃沖涌河道斷面。該工程在河涌內布置橋墩眾多，跨涌橋梁阻水比在6.8%～13%之間，工程建設后可能對這3條河涌乃至周邊河網的防洪、排澇等產生不利影響。

由于當時要改良河網內河涌水質，石榴崗河南、北片及北濠－石溪片很多水閘都在施工，與后航道相連的河涌涌口的水閘除黃沖水閘已建成可使用外，其余水閘均處于施工階段，該區河涌的換水途徑只能是從石榴崗河引水，從黃沖涌排水，黃沖涌成為唯一一個可排入后航道的通道；而南洲立交工程施工期恰與臨時調水期相沖突，為確?？琰S沖涌橋梁施工期時臨時調水能得到保證，進行施工期的引、排水計算分析也是很有必要的。

2 數學模型

由于該區河網水系復雜，考慮利用一維水流數學模型，模擬計算工程后南洲立交工程跨河橋梁工程對附近河網的防洪影響和施工期對該片區引、排水的影響。

2.1 數學模型基本方程

工程壅水計算采用一維明渠非恒定流數學模型，采用圣維南方程組：

式中：H——斷面水位，m；Q——流量，m3/s；u——平均流速，u=Q/S，S為河道過水斷面面積，km2；g——重力加速度；B——不同高程下的過水寬度，m；qL——旁側入流流量，m3/s；R——水力半徑，m；C—謝才（Chezy）系數；x，t——位置和時間的坐標。

方程離散采用Abbott 6點隱式格式，該離散格式在每一個網格點并不同時計算水位和流量，而是按順序交替計算水位或流量，分別稱為h點和Q點。求解方法同時適用于樹枝狀和環狀水系，計算網格布置為交叉網格方式（交替水位點和流量點）。有斷面數據的點設置為水位點，流量點自動布置在相鄰水位點的中間和水工建筑物點。

2.2 研究范圍及斷面布置

一維數學模型模型斷面間距約200 m。其中斷面最小間距為30 m。一維河網水動力模型的模擬河涌27條，搭建成河網。

2.3 邊界條件

上游采用流量邊界。片區河網內部缺乏實測流量資料，流量邊界條件采用《海珠區河涌水系規劃深化實施方案》中20年一遇設計洪峰流量。模型中下邊界均有水閘與外江后航道隔開，采用各水閘的實際運行水位。

1.2.2 樣品的制備與測定。參考行業標準方法《YC/T 380—2010 煙草及煙草制品鉻、鎳、砷、硒、鎘、鉛的測定 電感耦合等離子體質譜儀法》[12]進行分析測試。準確稱取0.2 g(精確至0.000 1 g)煙草樣品放置于微波消解罐中，依次加入5 mL 65%硝酸和2 mL 35%雙氧水，旋緊密封后進行微波消解。消解程序如表1所示。冷卻至室溫后，將消解罐內的試樣溶液用超純水沖洗2次，所得洗液一起合并于50 mL容量瓶中，超純水定容至50 mL，混合搖勻。用同樣的方法制備試劑空白溶液。

2.4 水閘模擬

模擬河網內有水閘12座。根據調查，海珠區的擋潮水閘一般在漲潮時關閘擋潮，落潮時開閘排澇。在這些構筑物處，圣維南方程組已經不再適用，必須根據閘的水力學特征作特殊處理。在模型中閘通常作為流量點處理，根據水閘閘內外相臨水位點的水位關系采用閘的流量公式計算過閘流量。

3 壅水計算

由于該工程縱向跨過黃沖涌，沿河涌350 m范圍內都有橋墩布置，占用了河道過流斷面，采用擴寬河涌斷面的方法來解決此問題。壅水計算分現狀和工程后（同時考慮黃沖涌斷面拓寬和擬建工程橋墩的影響）兩種情況來考慮。

從最不利的角度考慮，水閘調度分以下7種工況來考慮。工況1：現狀規劃河涌，各水閘均定向控制，洪水排入后航道，閘內水位高于閘外水位，開閘排水，反之則關閘；工況2：在工況1基礎上，以石榴崗河為主要研究對象，與石榴崗河相連的北片河涌不分流，土華涌下游水閘關閉；工況3：在工況1基礎上，以土華涌為主要研究對象，石榴崗水閘關閉；工況4：在工況1基礎上，以黃沖涌為主要研究對象，石榴崗水閘、土華涌下游水閘關閉；工況5：在工況1的基礎上，不考慮黃沖涌的存在，閘內水位高于閘外水位，開閘排水，反之則關閘；工況6：在工況5的基礎上，關閉土華水閘，土華西閘，洪水僅從石榴河水閘排入后航道；工況7：在工況5的基礎上，關閉石榴崗河水閘，洪水從后航道各水閘排出。

計算結果表明，在各種工況下，考慮黃沖涌斷面拓寬和橋梁工程的疊加影響，水位最大壅高幅度只有0.01 m，水位壅高發生在各條河涌跨涌橋梁工程上下游3 km范圍內，擬建工程實施產生的壅水對石榴崗河、土華涌和黃沖涌行洪影響很小，對工程附近其他河涌行洪基本無影響。

4 枯季施工期景觀水換水計算與分析

4.1 引、排水的水閘調度原則

石榴崗河南、北片及北濠－石溪片引、排水時，水閘調度遵循以下原則：石榴崗水閘和黃沖水閘均定向控制水流，引水從石榴崗水閘處引入，只進不出，當石榴崗水閘內水位達到0.8 m景觀水位時關閘；排出則從黃沖水閘處排出，只出不進，當閘內水位排至-0.7 m時，或石榴崗水閘閘內水位排至0 m時，關閘；位于土華涌的蝦九水閘（土華水閘）正在修建，土華新水閘關閉，截斷了土華涌與石榴崗河的連通；位于赤沙涌的沙涌水閘定向控制水流，當閘內水位高于閘外水位時開閘，水流從赤沙涌流向后航道，反之關閘，當閘外水位高于1.2 m時亦關閘。

4.2 引排水計算邊界

因施工期為枯水期，故采用距離模型上、下游邊界最近的黃埔站、浮標廠站的2001年2月的枯水典型潮位過程作為上、下游水位邊界條件。

4.3 引、排水計算方案設計

對比計算工程前和施工期2種工況的引、排水情況。

施工期工況，河涌斷面采用施工步驟中工程占河道過水面積最大時的河道斷面。

4.4 引、排水計算成果分析

計算結果表明，工程前，該片區平均引水流量為119.33 m3/s，引水 3 h，引水總量為 128.87萬 m3；平均排水流量為29.73 m3/s，排水13 h，排水總量為139.13萬m3。因此可以看出，在一個潮周期內，引水量小于排水量，水可從黃沖涌順利排出。

施工期時，該片區平均引水流量126.84 m3/s，引水3 h，引水總量 136.98萬 m3；平均排水流量 28.69 m3/s，排水15 h，排水總量為154.93萬m3。同樣，在一個潮周期內，引水量小于排水量，水亦可從黃沖涌順利排出。

對比工程前與施工期，引水量均小于排水量，即水均可從黃沖涌順利排出。且施工期引水量有所增大，這是由于施工期時黃沖涌河涌拓寬而使得施工期河涌凈過水斷面面積總體大于河涌原斷面面積引起的。但因受施工影響，排水時間較工程前長2 h。

5 河涌排澇調蓄能力影響分析

根據工程前后河涌容積統計，工程后由于黃沖涌斷面擴寬，扣除橋墩影響，整個模型計算范圍內河網涌容還有一定增加，不同水位下涌容增加百分比在1%～2%之間。

以20年一遇24 h時暴雨過程遭遇外江（以浮標廠站為準）多年平均最高潮位潮型，進行河涌調蓄計算，計算工況共7種，與壅水計算工況一致。汛期排澇按照能排就排，不能排盡量蓄在河涌內的原則。計算結果表明，在各種工況下，工程后河涌內蓄水量均有所增加，而出流量相應減小。各工況中工程后河涌內蓄水量最大增大值為5.58 m3，小于河涌工程后涌容增加量（最小為水位為1.4 m時的8.72萬m3）。因此，工程后對其附近片區排澇調蓄影響較小。

6 其他影響

6.1 河道沖淤和河勢穩定分析

對河涌沖淤和河勢穩定分析主要通過建立二維數學模型來實現。二維模型范圍主要包括有擬建跨涌橋梁的3條涌，范圍小于一維模型范圍；水文計算邊界條件從一維模型中提取。計算結果表明，工程后各河涌整體流態依然平順，工程流態變化僅局限于工程附近水域，且工程附近流速變化幅度有限，定型分析工程對河涌沖淤影響不大。由于各河涌整治后河岸固化，工程對河涌河勢穩定影響有限。

6.2 對第三人合法水事權益的影響

黃沖涌、土華涌和石榴崗河規劃是海珠區以后的3個主航道。這3條河涌有3種船型需要保證通航：龍舟、清淤船和施工船。工程方案基本能滿足各河涌通航要求，但工程方案河涌中布置橋墩較多，行船需注意安全。

根據現場調查，擬建工程東岸為南洲水廠，是主要的第三人合法水事權益者。在進行工程建設的同時，盡量避免對水廠造成不利影響。

7 結語

上述計算分析結果表明，在枯季黃沖涌跨涌橋梁施工期能滿足片區引、排水的需求；工程建成后運行期亦基本不會影響河涌防洪、排澇、引排水、通航等正常功能。只是工程后，由于河涌內布置橋墩較多，需注意行船安全。

［1］廣州水水利水電勘測設計研究院.海珠區河涌水系規劃深化實施方案［R］.2007，11.

［2］廣州市水利局 中水珠江規劃勘測設計有限公司.廣州市琶洲地區河涌排水修建性詳細規劃［R］.2003，6.

［3］廣州市海珠區農業水利局，廣州市水利水電勘測設計研究院.廣州市海珠區引水補水工程規劃深化實施方案調整［R］.2009，11.

［4］廣州市水利局.廣州市市區河涌整治規劃［R］.2004，10.

［5］廣州市水利局、廣州市水利水電勘測設計研究院.廣州市珠江堤防整治規劃［R］.2008，11.

［6］四平市水利勘測設計研究院深圳分院.海珠區黃沖涌整治及清淤工程初設報告［R］.2009，9.

［7］廣州市水利水電勘測設計研究院.海珠區土華涌（一期）整治工程初設報告［R］.2009，8.

［8］四平市水利勘測設計研究院深圳分院.海珠區土華涌（二期）整治工程初設報告［R］.2009，10.

［9］廣州市水利水電勘測設計研究院.廣州市海珠區土華涌整治工程工程地質勘察報告（初步設計階段）［R］.2009，8.