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三夹河大桥过洪能力影响研究
论文作者:童鞋论文网  论文来源:www.txlunwenw.com  发布时间:2018/1/7 9:02:41  

摘要:桥位河段属平原性冲积河道,比降较平缓,冲淤演变极其复杂,通过借用平氏断面的演变,概括分析了河道的冲淤演变特性。本文结合河道断面资料,应用曼宁公式和壅水计算方法得到建桥前后断面水位流量关系,分析研究了建桥前后河道的过洪能力,经过对比分析,大桥建成后桥位段主槽过洪能力减小,约是建桥前的2%;虽然桥轴线与河流方向有一定夹角,但桥墩轴线与河流方向一致,减小了桥墩对水流的横向控导;本文成果涉及到交通及防洪安全等重大影响,其中的水力参数取值偏于安全,研究成果和方法思路可为河务部门和大桥设计部门提供技术参考和借鉴。

关键词:三夹河桥位河段;冲淤演变;壅水;过洪能力

1 问题的提出

三夹河为唐白河的一级支流,发源于湖北省随州市七尖峰山,上游河道比降大,且洪水峰高量大,河道弯道多,洪水造成岸坡坍塌、洪涝灾害频繁[1]。三夹河大桥位于唐河县城东南约6.1 km,周围有村庄众多,分布有村庄左岸老马庄、马楼,右岸有二十里铺等,居住人口2~3 万人,北岸1.5 km 有312 国道,2.3 km 为宁西铁路,南岸有001 县道(图1),两岸是数万亩良田,该河段防洪任务重大。

三夹河大桥建成后,由于桥墩挤压河道过流断面,造成桥位以上河段壅水,桥墩周围产生局部冲刷,使本就防洪标准较低,而且尚未形成完整防洪体系的三夹河防洪,增加了新的防洪负担。依据跨河桥梁设计方案和河道不同频率洪水,分析计算桥墩的阻水壅高情况,分析不同洪水的过洪能力,对于河道两岸防洪安全,减低洪灾损失,稳定区域正常的经济发展等具有重要的现实意义。

2 桥梁及段河道概况

2.1 桥梁情况

三夹河大桥桥位位于河口以上约12.6 km 的马楼村附近,桥位以上流域面积1339 km2,河道长度84.4 km。大桥设计标准为100 年一遇,全桥共3 联“5×25+5×25+5×25”[2] ,桥轴法线与水流方向夹角35o,上部结构采用预应力混凝土小箱梁,先简支后连续,下部结构采用柱式台,墩台采用桩基础。

2.2 流域情况

三夹河流域属亚热带季风型大陆性气候,季风进退与更迭较为明显,四季分明。多年平均降雨量1000 mm,降雨年际变化大,降雨年内分配不均,降雨主要集中在每年的6—9 月,降雨量约占全年降雨量的69%。三夹河上有平氏水文站,是三夹河上唯一的测站,该站集水面积748 km2[3],河道长度56.4 km。自1956 年5 月开始有实测水文资料至今。

河道上游河南、湖北2 省先后建有中型水库3 座,控制流域面积239 km2,总库容1.13 亿m3,小型水库8 座,累计库容1.34 亿m3[4]。

三夹河在平氏镇纳鸿鸭河后转向西北,在埠江镇纳丑河进入唐河县境,河道防洪标准为20年一遇。河道整体比较弯曲,呈“S”形,河谷上游较浅,下游较深,呈“U”形,河床宽180~300 m,侵蚀岸呈直立状,堆积岸河床发育有漫滩,两岸发育有一级阶地,一级阶地前缘多呈缓坡状。目前大部分河段防洪能力不足10 年一遇,与20 年一遇防洪标准相差甚远,河道还存在岸坡塌滑、凹岸的冲刷切割严重、堤防断面及高度不足等险情。

3 河道冲淤演变分析

3.1 河道垂向演变情况

平氏水文站下距三夹河大桥桥位28 km,鉴于河道演变特性取决于水流和河道边界条件,两者河床组成相同,断面形态接近,水流情况相似。因此,借用平氏断面作为桥位断面的演变参考分析。

从1975—2014 年40 年的长系列年变化情况来看,平氏水文站主河槽是冲刷的,主河槽累计下降约2 m,局部最大冲刷下降约4 m;其中,2010 年前累计冲刷下降约1.5 m,见断面形态变化(图2),洪水期间漫滩洪水在滩地的冲刷幅度很有限,1965—1985 年20 年共计下切约0.3 m,从两岸位置来看,岸基基本没变化,说明观测断面的岸基是稳定的。从统计的平氏站同(接近)流量水位变化趋势看(表1),总体与断面变化趋势是一致的,只是变化幅度不同而已。上述分析表明,在所分析的时段内断面是冲刷下切的,桥位河段位于平氏站下游,属冲积性平原河道[1],虽然纵剖面变缓但变化不大(比降值为0.0013~0.001),由于桥位断面与平氏断面形态相似,河相关系接近,因而桥位断面的冲淤演变性质与平氏断面相近,但幅度垂向冲刷下切幅度将减小,这也增加了断面横向摆动的几率。

3.2 河道平面演变情况

通过截取2012 年和2017 年2 个不同时段桥位上下游近3 km 航拍图片得到图3 的河势图。经过对比,在5 年的时段里,河道主流位置,河道弯曲程度,河面宽度、弯道的顶冲点均有一定的变化。相比之下2012 年拟建三夹河大桥以上河段主流较散乱,河流弯曲性较大,2017 年主流相对单一,规顺。桥位以下河势相对稳定,除局部顶冲点略上提下挫外,大部分河段变化不大。

4 建桥后过洪能力变化分析

4.1 现状河道过洪能力分析计算

河道洪水位计算采用谢才—曼宁公式[5]式中:Qp 为设计流量,m3/s;n 为河床糙率,依据河道情况和现有资料和有关参考文献主槽糙率取0.03,滩地取0.045;A 为过水断面面积,m2;R 为水力半径,m;J 为水面比降,参考现有资料取值0.001。根据实测的桥位断面资料(图2),应用式(1),经过试算得不同流量下桥位断面水位(图4)。桥位段主槽两岸平均高程为99 m,对应该水位的过流量为3100 m3/s。

4.2 壅水计算

依据桥梁的设计标准,依据参考文献[6]暴雨资料计算不同频率的设计洪水流量,5年一遇、20年一遇、100 年一遇对应的设计洪水流量分别为2500 m3/s、4700 m3/s、6670 m3/s,桥前最大壅水高度采用中华人民共和国交通行业标准《铁路工程水文勘测设计规范》(TB10017—1999)中[4]公式:

式中:ΔZ 为桥前最大壅水高度;Vˉ 、Vˉm 为建桥前后的过流断面平均流速,η 为系数。

依据河道过流断面和桥墩设计资料,计算得到不同频率洪水建桥后阻水面积及壅水情况(表2)。由于桥墩轴线设计与水流方向一致,减小了桥墩阻水作用,100 年一遇设计洪水条件下桥前水位仅壅高0.07 m。

4.3 建桥后过洪能力计算及影响分析

依据桥墩的壅水计算结果和相应的设计洪水位,得到建桥后各频率洪水流量—水位关系(图4),依据此图查得建桥前后对应平槽(98 m)流量分别为4020 m3/s 和3955 m3/s,建桥后由于桥墩缩窄河道过流断面,壅水导致桥前水位抬升,较建桥前过洪能力减小,减小值为65 m3/s,,与建桥前相比约减小的2%;在河道平面影响方面,虽然桥轴线与河流方向有一定夹角,但桥墩轴线与河流方向一致,洪水期间桥墩对水流的横向控导作用极为有限;此外受桥墩周围绕流影响,桥墩周围将产生局部冲刷,对于河道断面的过流没有明显的影响。按照要求[4],针对建桥后产生过洪能力下降的问题,一般采用加高影响河段堤防高度或在相关河段清淤疏浚,以消除由于建桥所产生的防洪影响。

5 结论

桥位河段属平原性冲积河道,河道比降较平缓,河道冲淤演变极其复杂,再加上有关河道的资料不足,通过借用平氏断面的演变,概括分析了河道的冲淤演变特性。结合河道断面资料,应用曼宁公式和壅水计算方法得到建桥前后断面水位—流量关系,建桥后由于桥墩缩窄河道过流断面,较建桥前过洪能力减小,减小值为65 m3/s,是建桥前的2%。虽然桥轴线与河流方向有一定夹角,但桥墩轴线与河流方向一致,洪水期间桥墩对水流的横向控导作用极为有限;针对建桥后产生过洪能力下降的问题和防洪能力减小的问题,可在拟建桥位上下游附近河段适当清淤,以弥补由于建桥而造成桥位断面过流减小的影响。本文成果涉及交通及防洪安全等重大影响,其中的水力参数取值偏于安全,研究成果和方法思路可为河务部门和大桥设计部门提供技术参考和借鉴。

参考文献

[1] 陈东彦,许露予,田心勇,等. 桐柏县三夹河平氏-埠江段河道治理工程设计[J]. 科技视界,2013(8):177,195.

[2] 铁道第三勘察设计院集团有限公司. 汝州至唐河(豫鄂界)高速公路方城至唐河段可行性研究报告[R]. 2017.3 .

[3] 河南省水利厅工程管理处. 河南省河道基本资料汇编[R]. 1990.

[4] 中华人民共和国交通运输部. 铁路工程水文勘测设计规范(TB10017—1999)[S]1999.

[5] 詹道江,叶守泽. 工程水文学[M]. 北京:中国水利水电出版社.2000.10.

[6] 河南省水文水资源局编制. 河南省暴雨参数图集[R].2005.12.

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