淺談跨河大橋行洪論證與河勢穩定評價中阻水率的計算

李 彬,朱殿芳,郭志學

(1.四川大學工程設計研究院有限公司,成都 611132;2. 成都市市政工程設計研究院有限公司,成都 610213;3.四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室,成都 610065)

橋是“中國建造”的代表之一,近些年隨著我國經濟的飛速發展,越來越多的跨江、跨河大橋正在建設之中,橋梁型式也不斷多樣化。在跨河橋梁設計中,受地形、河流形態及周邊建筑的限制等,往往造成路線與河道斜交或橋梁橋墩結構斜交[1-2]。橋墩阻水率反映了橋墩占用行洪面積的比例,是檢驗橋梁阻水程度的重要指標[3]。在河道展寬且岸線彎曲河道內設置橋墩時,水流流向往往并不完全與岸線平行,橋墩如考慮水流斜交影響,采用橋墩在垂直于水流方向上的投影寬度來計算阻水率時,往往會導致阻水率大大增加,使阻水率超出規定限值,對前期橋梁方案造成顛覆性修改。目前,采用一維、二維模型進行壅水計算的研究較多[4-10],針對斜交橋梁的壅水研究也不少[3],但對斜交橋梁阻水率計算的研究較少。橋墩設置位置一般靠近河岸,岸邊流速往往低于主流區流速,阻水率除與單位寬度的過流面積(水深)有關外,也與當點流速大小有關,一維模型計算中,以橋位斷面平均流速計算橋墩阻水,實際上放大了數倍作用流速,如果橋墩再考慮斜交投影,增加投影面積,則會高估橋梁的壅水作用。為了能更好地說明斜交橋墩對水流的阻水作用,本次采用了二維模型對建橋后的水流流態進行了模擬驗證。本文阻水率的計算方法可為類似跨河橋梁涉水橋墩阻水率的計算提供參考。

1 工程概況

錦尚大橋位于成都市河東片區核心區,主要銜接錦江兩岸科華南路(紅星路南延線)與國華街(經三路)濱江景觀路的通過性交通量轉換,承擔天府大道與成仁路東西向到達性交通的集散,是片區快速路網及主干道系統中的重要通道工程。錦尚大橋分三跨跨過錦江,橋梁跨徑為:33+180+42=255 m,主跨跨徑為180 m,橋頭引道長度176.368 m,橋面寬度34 m,拱梁結合處人行道外繞至拱肋外側,橋面寬變為40 m,橋梁最低梁底高程為486.86 m,錦江規劃防洪標準為200年一遇。主橋采用下承式鋼箱拱梁組合體系、主拱為傾斜雙拱肋、雙索面、鋼箱梁,吊桿為柔性單吊桿。橋墩采用Y型墩,呈花瓶型,為利于漂浮物過橋,橋梁橋墩前段和末段采用弧形,弧段高0.75 m(非豎向),中間采用直線段,直線段長4.8 m,總墩長6.3 m,下部標準墩寬4.5 m,墩寬逐漸漸變至7 m寬后,分為兩叉支墩,設計洪水處墩寬為5 m。左岸橋墩布置方向與水流方向基本一致,投影寬度與橋墩尺寸一致。右岸橋墩布置方向與水流方向呈約15°夾角,上游排橋墩與下游排橋墩相距28 m。橋梁平面布置見圖1所示。

圖1 橋梁平面布置

工程河段目前已按規劃完成了堤防工程建設,橋位斷面河道寬216 m,主槽為坡比1∶2的斜坡式混凝土面板河堤,主槽高3.5 m,上接2 m寬人行步道,其上為斜坡綠化帶。錦江流域的水文站、水位站、流量站較多,工程位置上游有望江樓水文站,下游有華陽鎮水位站。根據望江樓水文站和華陽水位站的洪水觀測成果,采用內插法計算錦江工程河段的設計洪水。工程河段控制斷面的區間集雨面積109.7 km2,相應200年一遇防洪流量為1 580 m3/s。

2 模型設計

HEC-RAS(River Analysis System )計算模型是美國工程兵團編制的一維河流分析系統軟件,可以計算恒定流,也可計算非恒定流,可模擬橋孔、涵洞、壩面溢流等,還可定義死水區、堤線等。水面線計算通過求解能量方程從一斷面計算到下一斷面,在求解方程過程中采用了遞次求近法。該模型通過輸入工程地形、上游流量、下游水位等基本資料來計算恒定流條件下河道各斷面水位。

2.1 計算范圍

錦尚大橋工程下游約300 m為復地金融島,其后河道分為兩汊,該河段范圍內水流條件變化較大,均不適宜作為控制斷面,因此取復地金融島下游約400 m的繞城高速公路大橋斷面作為出口控制斷面,分析河段總長3.4 km。

2.2 河道地形與斷面資料

分析河段長度為3.4 km,錦江河堤已按規劃完成打造,河勢整體比較穩定,根據河勢地形,共布設21個水文斷面,CS10～CS11之間為錦尚大橋斷面。

2.3 河道糙率

河道河床糙率參照錦江河道設計糙率,河道主槽糙率取為0.0275,兩側岸坡糙率按0.035取值。

3 一維模型計算結果

按上述資料和方法,對P=0.5%設計洪水作用下,工程前、后的河段沿程水力參數進行了計算。錦尚大橋建設前后,P=0.5%設計洪水下各斷面的水位、平均流速、過流面積及過流寬度等詳見表1。

表1 工程前、后200年一遇洪水時沿程斷面水力參數變化

錦江分析河段河道發生200年一遇洪水時,河道主槽已無法滿足過流要求,需通過兩側復式綠化放坡區域過流,堤頂線為兩側綠化放坡坡頂,河段整體能滿足200年一遇過流要求,堤頂不會發生漫溢。工程段新建橋梁后,主槽區域內橋墩涉水,對上游有一定的壅水作用。新建錦尚大橋后,上游最大壅水高度為0.05 m,新建橋梁壅水影響范圍為上游約350 m范圍,工程后現狀堤防高度能滿足防洪要求。受壅水作用,工程段流速較天然減小最大約0.03 m/s。橋孔斷面因斷面收縮,流速略有增加。

新建錦尚大橋處,中間主跨有兩排橋墩涉水,工程后過流寬度和面積會有所減小,工程河段本身位于河流展寬段上,行洪斷面較上游河道基本行洪斷面擴大較多,工程方案對河道行洪總體影響較小。橋梁斷面位置處天然過流寬度221 m,橋墩沿水深變化,河床處橋墩寬度為4.5 m,200年一遇洪水位處橋墩增寬為5 m。右岸橋墩阻水率計算暫考慮兩種情況,第一種情況:不考慮上、下游橋墩疊加作用,將右岸橋墩按正交投影到橋梁軸線斷面上,計算阻水率;第二種情況:右岸橋墩處實際水流流向并不完全與岸線平行,橋墩需考慮水流斜交影響,根據橋梁與水流斜交角度,橋墩寬度采用水流方向投影寬度,河床處橋墩投影寬度為5.7 m,設計洪水位處寬度為6.2 m,即考慮右岸上下游兩排橋墩阻水的疊加影響(上下游橋墩均往橋梁軸線斷面投影)來計算橋梁的阻水率。兩種情況下的阻水率計算結果如表2。

表2 工程后200年一遇洪水過流面積變化

4 二維模型驗算

驗算模型采用平面二維非結構網格數學模型,為較好地模擬橋墩結構,計算模型采用四邊形與三角形混合網格,對橋墩所在河段采用三角形網格,其他河段采用四邊形網格模擬。共剖分為11 759個節點,14 862個網格單元,網格面積小于15 m2。

建橋后,200年一遇洪水時,評價河段流場如圖2、圖3所示,橋位段水位影響等值線圖如圖4所示。

圖2 錦尚大橋工程河段建橋后流場

圖3 橋位處局部流場

圖4 橋位段水位影響等值線

二維模型計算結果表明:錦尚大橋左岸側橋墩軸線基本平行于水流方向,上下游橋墩互相隱蔽,正交投影計算不增加橋墩阻水作用寬度,右岸橋墩雖略有交錯,但橋墩上、下游間距約28 m,水流可由墩間繞流通過,擬建橋梁橋墩阻水作用實際未見明顯疊加,右岸下游橋墩前最大壅水高度約0.03 m,至右岸上游橋墩處水位壅高值僅約0.005 m,說明下游橋墩的壅水作用到上游橋墩位置處已基本消除。事實上,二維數學模型計算的壅水高度除在橋墩迎水面因水流沖擊爬高導致的壅水高度可達0.03～0.05 m外,橋梁上游斷面壅水高度最大值普遍在0.015 m以下,遠小于一維數學模型計算壅水值。

由于阻水率定義中以斷面流速均勻分布為基本假定,用斷面過流面積幾何關系近似表征阻水率,對流速分布差異較大的情況,與實際阻水作用的關系將出現較大誤差。事實上,阻水率的概念中應以單位寬度過流面積與當點流速的乘積計算橋墩阻水區域過流量與斷面總過流量的比值,才能更好地反映橋墩對過流的影響。因擬建錦尚大橋橋墩處天然流速僅0.7～0.9 m/s,遠小于主流流速,其實際阻水率按流速加權后將遠小于前述幾何法計算的阻水率成果。即使不考慮采用流速分布修正阻水率定義,從二維數等模型計算壅水等值線圖也可看出,下游橋墩的壅水作用到上游橋墩位置處已基本消除,上下游橋墩壅水疊加作用基本不存在,采用第1種情況計算的阻水率4.4%已足以反映工程河段的阻水率。

5 結論

針對跨河大橋橋墩軸線與水流方向斜交的特點,本文通過一維模型和二維模型計算結果,得到如下初步認識:

(1)橋墩設置區流速低于主流區流速較多時,阻水率計算除與單位寬度的過流面積(水深)有關,也與當點流速大小有關。按流速加權后實際阻水率將遠小于采用幾何法計算的阻水率成果。

(2)以單位寬度過流面積與當點流速的乘積計算橋墩阻水區域過流量,采用阻水區域過流量與斷面總過流量的比值,才能更好地反映橋墩對過流的影響。

(3)上下游橋墩間距較大時,橋墩的阻流疊加作用相對較弱,斜交橋梁仍全部向一個斷面投影的計算方法偏于保守,但橋墩間距的臨界值受橋墩型式、河道地形、洪水流量等因素影響,需結合類似已建工程和數值模擬結果進行確定,不能一概而論。

(4)斜交橋梁在行洪評價時,上下游橋墩壅水不存在疊加作用時,采用一維數學模型計算成果,按正交投影來計算阻水率即可反映工程橋梁的阻水率。