摘要：国道111 是北京市北部唯一的南北向干线公路, 是怀柔北部山区的交通命脉。工程改建路段跨越怀柔境内的3 条主要河流, 8 条大支沟。为避免工程项目与防洪、河道管理等相抵触, 减少工程项目对河道行洪和防洪安全的影响, 需对国道改建工程进行防洪影响评价。根据桥梁布局和道桥对河道过水断面的影响, 采用不同方法推算河道建桥前后的水位、流速及水位壅高值, 并分析建桥后其变化情况和壅水影响范围。此计算对河道的防洪安全提供保障条件, 并为道桥的合理布局提供了依据。
关键词：国道111 改建工程 河道行洪 影响分析
中图分类号TV8 文献标识码A 文章编号1673- 4637( 2007) 01- 0028- 03
1 项目背景
随着经济的快速发展, 对交通道路的要求日益提高。许多道路需要改建提高其等级标准, 以适应需求。相应的, 跨河桥梁等涉河建筑的增多, 对河道行洪的影响也在逐渐加重。以国道111 为例研究其对河道行洪的影响分析。
国道111 是北京市北部重要的放射性干线公路,是怀柔南北向唯一的干线公路, 怀柔北部山区的交通命脉。随着怀柔北部地区旅游业的迅速发展, 地方车辆、过境交通与大量的旅游车辆混行, 现状道路严重影响了行车的速度和行车安全, 对经济、旅游发展造成一定影响, 必须及时改建。本次改建工程起点为怀柔境内怀北镇河防口村, 终点为汤河口镇, 改建道路总长度37.12 km。改建路段跨越怀柔境内的主要河流有白河、琉璃河及汤河3 条河流, 另外还跨越较大的支沟8 条。
2 影响河道行洪的道桥类型
在河道内或河滩建桥侵占了部分过水断面, 阻碍并干扰了天然水流的正常运动, 造成水位壅高, 同时桥下水流比降变陡, 流速加大, 将增大桥下河床冲刷。壅水和冲刷出现后又反过来进一步恶化了水流和河床的变形条件, 威胁着桥梁的安全和稳定。
桥梁的类型在桥梁壅水计算中起不同的作用。桥梁类型一般有跨河桥、顺和桥和沿河桥3 类。其中跨河桥是最常见的。
本次国道111 改建路段共有大中型桥梁8 座, 其中有4 座跨河大桥、4 座顺河大桥。
3 道桥影响分析方法
3.1 桥梁影响河道行洪的判定指标
桥梁对河道行洪影响的判定指标有以下几个: 水位、流速和水位影响范围。
3.2 计算方法分析
桥梁阻水计算是根据桥梁布局和道桥对河道过水断面的影响, 推算河道建桥前后的水位、流速、水位壅高值, 并分析建桥后其变化情况和壅水影响范围。
3.2.1 水位壅高计算
水位壅高采用水面线计算法和桥梁壅水计算法。
(1) 水面线计算法
采用河道恒定非均匀流计算方法, 推求河道水面线, 分析建桥前后的水位、流速变化, 由水位差算出水位壅高值。
计算公式:
式中: Z1 和Z2 分别为下断面和上断面的水位高程, m;v1 和v2 分别为下断面和上断面的流速, m/s; hf 和hj 分别为上下游断面之间的沿程水头损失和局部水头损失, m。
(2) 桥梁壅水计算法
根据《桥梁水力学》, 采用桥梁壅水计算公式, 计算跨河桥梁水位壅高值。计算公式如下:
式中: ΔZ 为上游水面壅高值, m; kn、kv 为壅水系数;v0、v 为建桥前后流速, m/ s。
这2 种方法计算的结果比较接近, 可以互相校核。水面线计算法计算原理较为清楚, 计算结果也比较易于理解, 计算也较方便, 但是需要有桥位上下游的断面测量数据和推算水面线的起调水位。桥梁壅水计算法是采用计算公式, 比较直接, 所需基础资料较少。但是需确定2 个重要参数壅水系数, 这2 个参数与桥梁设计密切相关。
所以采用哪种计算方法依手头资料来确定。
3.2.2 壅水长度计算公式
对于桥上无测量断面的桥梁, 可根据《桥梁水力学》的简化公式计算桥上壅水长度。计算公式如下:
S=2 ×ΔZ/ j0
式中: S 为壅水长度, m; ΔZ 为上游水面壅高值, m;j0 为壅水系数。
4 计算条件确定
(1) 断面资料。采用测量的河道纵横断面资料。
(2) 糙率。河道糙率是影响河道水面线计算的一个重要因素, 糙率的大小与河床、岸壁的粗糙度及其形态等有关。根据河道的河床和岸壁特征, 参照《水力计算手册》中天然河道糙率表, 白河、汤河、琉璃河河道糙率采用0.04。
(3) 起调水位。琉璃河为白河的支流, 起始水位采用干支流同频率洪水位。白河起始水位采用均匀流计算。汤河汇入白河, 起始水位采用白河的对应水位。
5 水位、流速及壅水影响范围计算
5.1 桥梁壅水计算
5.1.1 水面线法
按照河道恒定流计算公式, 推算建桥前后河道水面线, 并比较水位与流速变化情况。对琉璃河、白河、汤河3 条河流分别采用相同方法计算比较, 以下仅以琉璃河为例进行说明。建路桥后, 琉璃河各桥位处水位及桥上断面的壅高值=建桥后水位- 建桥前水位, 比较见表1。
5.1.2 桥梁壅水法
根据桥梁壅水计算公式, 计算跨河桥的水位壅高值, 见表2。
5.2 不同计算方法水位壅高值的比较
对水面线法和桥梁壅水计算法得到的水位壅高值进行比较, 见表3。
由表可知, 水面线法计算的壅高值略低于桥梁壅水计算法。为便于对河道进行防洪评价, 并提供完整的河道水面线, 本评价采用水面线法计算的成果。
5.3 计算壅水长度
根据壅水长度计算公式, 按水面线法计算的水位壅高值, 计算壅水影响范围。计算的桥梁壅水长度见表4。
由表4 可知, 壅水长度直接受壅水高度和河道纵坡的影响。
6 计算分析
通过对各河建桥前后河道水面线的计算分析, 在不抬高河道20a 一遇洪水位的控制条件下, 国道111改建前后河道过流能力变化情况见表5。
由表5 可知, 国道111 改建工程建成后, 琉璃河遇20a 一遇洪水时, 跨河桥、顺河桥抬高河道水位约0.14 ～0.24 m, 若维持原有水位不变, 河道过流能力降低约11.9%。
综合所有计算和分析, 由于国道改建工程在局部河段缩窄了河道断面, 降低河道过流能力约8.6%～17.4%。特别是改建道路占用汤河的河滩地较多, 对汤河过流能力的影响较大。
另外, 通过计算发现, 国道111 建成后, 新建桥梁缩窄了河道断面, 桥下流速增加, 增加了河道冲刷的可能, 特别是跨河桥的冲刷影响大于顺河桥。
7 结语
(1) 从以上计算分析可见桥梁的建设对河道防洪会造成一定的影响, 反过来, 洪水也会对桥梁安全有相应的影响。
(2) 采用不同方法计算桥梁壅水结果相差不大,其结果都说明桥梁对洪水的影响不仅是抬高水位, 还会影响河道流速和过流能力。
(3) 通过计算分析跨河桥对河道冲刷的影响大于顺河桥。
所以, 桥梁设计中为了河道行洪安全和自身的安全, 一定要满足规范要求的防洪标准, 桥梁建设尽量不要侵占河道或河滩地。建桥前要进行防洪影响评价,对桥梁建成后对河道的影响、对河势的影响以及洪水对桥梁安全的影响进行评价分析。
作者简介: 孙晓英( 1972 —) , 女, 工程师。
来源：《北京水务》2007.1
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