擬建德勝河大橋?qū)拥佬泻榘踩挠绊懛治?/h1>
2022-02-22 06:35賀陽穎
黑龍江水利科技 2022年1期
徐 乾，周 娟，賀陽穎
(1.常州市河道湖泊管理處，江蘇 常州 213000;2.常州市城市防洪工程管理處，江蘇 常州 2130003.常州市水資源服務(wù)中心，江蘇 常州 213000)
1 工程概況
德勝河擬建橋址段村莊密集，工廠較多，其余多為農(nóng)田及魚塘，溝渠縱橫其間。兩岸地勢稍有起伏，地面高程4.3-7.2m(吳淞基準(zhǔn)面，本小節(jié)同)，船閘兩側(cè)堤頂高程5.8-6.9m，德勝河入江口的長江大堤堤壩頂高程約8.12m。該河道具備較大噸位通航功能，除個別消險(xiǎn)河段，該航道基本處于天然狀態(tài)。德勝河特大橋位于德勝河船閘上游引航道段彎道上，橋位處水面寬約220m，跨河大橋與德勝河規(guī)劃航道斜交79.2°?？紤]橋位沿岸現(xiàn)有碼頭船舶通行及防撞設(shè)施的預(yù)留空間，降低船撞幾率，橋梁需采用兩孔約125m跨徑。125m跨徑若采用斜拉橋、懸索橋及拱橋等上部構(gòu)造相對體量較小，無法形成標(biāo)志性景觀，且施工工期長，施工方案復(fù)雜，造價(jià)高[4]。故采用連續(xù)梁或連續(xù)剛構(gòu)橋造價(jià)省，工期較短，施工技術(shù)成熟，且線形簡潔流暢。在新的德勝河中，設(shè)2個一組橋墩，總的長×寬為30.6m×13.6m，與水流夾角10.8°。德勝河特大橋跨河平、立面示意圖，見圖1。
圖1 德勝河特大橋跨河平、立面示意圖
2 工程對河勢穩(wěn)定的影響分析
2.1 長江側(cè)河床演變
位于長江口附近河道，常會受到上游徑流與下游潮汐等綜合影響，河勢情況較為復(fù)雜多變。尤其漲、落潮流速差較大，對于河床的變化影響極大。形成河床的泥沙主要由潮汐帶動，當(dāng)泥沙下沉速度大于水流落潮速度，即會被沉積下來。根據(jù)泥沙的粒徑不同，一般分為>0.2mm的主槽底沙和較細(xì)的懸沙[5]。根據(jù)錄安洲實(shí)測資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可知2003年以后其右汊分流比相對比較穩(wěn)定，約為10%。2017年左右汊分流比為90.60%和9.40%。通過構(gòu)建局部河段近20a地形地貌模型，可直觀對比得到該區(qū)域的沖淤變化情況，1999-2009年工程段區(qū)域河道沖淤變化圖，見圖2；2009-2020 年工程段區(qū)域河道沖淤變化圖，見圖3。河道兩岸在護(hù)岸工程作用下基本得以穩(wěn)定。但由于左汊河床較寬，上游來水來沙的變化，兩岸之間河床仍出現(xiàn)沖淤變化，主要表現(xiàn)在以下幾方面：
圖2 1999-2009年工程段區(qū)域河道沖淤變化圖
圖3 2009-2020 年工程段區(qū)域河道沖淤變化圖
1)歷年錄安洲洲頭及其兩側(cè)、夾江南側(cè)的拋石護(hù)岸段近岸河勢較為穩(wěn)定。
2)錄安洲左緣洲頭至常州港錄安洲碼頭段，雖然人工導(dǎo)流岸壁初步形成，河勢漸趨穩(wěn)定，但還是受到主流一定沖刷。
3)錄安洲右汊夾江的演變?nèi)Q口門的變化，夾江進(jìn)口南岸受入流頂沖，右汊河槽變深。雖有拋石護(hù)岸，但在2016年、2020年超歷史記錄泄洪壓力下，南岸河床仍舊存在被沖刷可能性，北岸已形成較為規(guī)律的沖淤交替，其地勢變化較小。
2.2 河勢穩(wěn)定分析
過江通道涉及河道西側(cè)岸坡采用直立式混凝土擋墻，右側(cè)為現(xiàn)有的漿切塊石護(hù)坡，在兩側(cè)岸坡均有防護(hù)的情況下，德勝河總體河勢將保持穩(wěn)定的狀態(tài)。工程實(shí)施后，在防洪設(shè)計(jì)水位下，橋梁處河道主流線位置基本不變。對河勢穩(wěn)定的影響該河道處于平原河網(wǎng)區(qū)，一般情況下流速緩慢，水流對河道的沖刷影響較小，若遇大洪水時(shí)可能發(fā)生局部沖刷，但幅度不大。據(jù)計(jì)算，橋址處最大沖刷深度為1.60m。過江通道距離德勝河入江口約3.2km，中間有德勝河魏村樞紐相隔，故新建橋墩不會對長江河勢造成影響。
3 壅水對行洪的影響分析
3.1 壅高分析
壅水的高度跟河道過水面積減少程度有直接的關(guān)系，過水?dāng)嗝鏈p少，水流流速增加，導(dǎo)致橋墩附近水流體積有一定壓縮，造成水流能量由動能轉(zhuǎn)變?yōu)閯菽?，進(jìn)而局部水位抬高形成壅水現(xiàn)象。其壅水高度計(jì)算公式為：
△Z=η(vM2-v02)
(1)
式中：△Z最大壅水高度，m；η為橋墩阻斷流量與設(shè)計(jì)流量的比值系數(shù)，本次計(jì)算采用0.05；v0為斷面平均流速，m/s；vM為橋下平均流速，m/s。
考慮橋梁工程建設(shè)后行洪斷面有所減小，防洪設(shè)計(jì)水位3.7m下，河道行洪斷面面積減小4.7%。按魏村水利樞紐運(yùn)行調(diào)度規(guī)則，當(dāng)京杭運(yùn)河常州站水位超過2.62m時(shí)，魏村水利樞紐趁長江低潮時(shí)開閘排水或開啟泵站向長江翻水。按德勝河魏村樞紐設(shè)計(jì)流量300m3/s進(jìn)行計(jì)算，在水位為2.62m時(shí)，最大壅水高度為0.2cm，水位為3.7m時(shí)，最大壅水高度為在0.2cm內(nèi)。
3.2 壅水曲線分析
德勝河魏村樞紐設(shè)計(jì)過閘流量300m3/s，最大壅水高度為0.2cm進(jìn)行計(jì)算，L=18m。在防洪設(shè)計(jì)水位3.70m時(shí)，德勝河橋壅水曲線長度在20m內(nèi)。其壅水曲線計(jì)算公式為：
L=2△H/I
(2)
式中：L為壅水曲線長度，m；I為水面比降；△H為相鄰兩斷面的水位差，m。
3.3 壅水影響分析結(jié)果
跨德勝河主橋采用(70+125+125+70)m變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，其中東側(cè)125m跨過現(xiàn)狀德勝河，兩跨125m跨過規(guī)劃建設(shè)的德勝河，中間橋墩布置于新、老河道間。由公式1可知，壅水高度與流速的二次方成正比，即橋墩阻水面積與引道布置尤為關(guān)鍵。經(jīng)計(jì)算，在設(shè)計(jì)洪水位工況下，橋墩處最大壅高≤0.2cm，影響范圍≤20m。綜合分析新建橋墩對河道行洪無不利影響。
4 沖刷對行洪的影響分析
對于跨河橋梁建成后，橋墩對具有行洪要求的河道影響應(yīng)做沖刷分析。根據(jù)《公路工程水文勘測設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，在明確橋墩基礎(chǔ)設(shè)計(jì)后，應(yīng)綜合分析自然、一般、局部三種沖刷工況，以最不利結(jié)果作為橋墩設(shè)計(jì)論證依據(jù)[7]。
4.1 河道一般沖刷分析
一般沖刷是指以等效過流斷面計(jì)算的單寬流量為基礎(chǔ)，提高動態(tài)水流中的含沙量后，導(dǎo)致橋址位置一定區(qū)域的垂直河床走向方向的沖刷。根據(jù)工程所在河道的形態(tài)，本次只需對河槽進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)沖刷計(jì)算結(jié)果，工程后一般沖刷后最大水深為2.36m，主槽一般沖刷后最大水深小于其最大設(shè)計(jì)水深3.5m，故不沖刷。具體計(jì)算公式為：
(3)
式中：hp為橋下一般沖刷后的最大水深，m；A為單寬流量集中系數(shù)；Qc為河槽部分通過的設(shè)計(jì)流量，m3/s；IL為液性指數(shù)；Bc為橋下河槽部分橋孔過水凈寬，m；hmc為河槽最大水深，m；hc為河槽平均水深，m。
4.2 橋墩局部沖刷分析
局部沖刷是指以橋墩為中心點(diǎn)，輻射一定距離的特定位置處沖刷。該類沖刷型式主要是由于橋墩的阻礙，水流流向發(fā)生突變，造成一定旋渦和體積壓縮而形成。經(jīng)分析，跨德勝河大橋橋墩主要受局部沖刷影響，采用黏性土基礎(chǔ)對應(yīng)計(jì)算公式4可得，橋墩處沖刷最大深度為1.60m，在設(shè)計(jì)安全范圍2.5m之內(nèi)。
(4)
式中：kζ為墩型系數(shù)；Bt為橋墩計(jì)算寬度，m；V為般沖刷后墩前行近流速，m/s。
5 小 結(jié)
1)河演分析表明，德勝河的發(fā)展變化，主要還是受開挖、行洪、續(xù)建加固等人類活動的影響較大，受自然界影響較小。目前，德勝河內(nèi)側(cè)河側(cè)河道流速、流向相對穩(wěn)定，少部分航段已建護(hù)岸，航道內(nèi)水面比降平緩，流速較小，對兩側(cè)護(hù)岸頂沖作用較小，河道深槽居中，河床基本穩(wěn)定。
2)橋梁對河道的影響重點(diǎn)在壅水分析，需計(jì)算設(shè)計(jì)洪水位橋墩阻水工況。綜合河道功能，分析減少的等效過水面積，判斷橋位斷面處流速增大及體積壓縮幅度。行洪影響還需結(jié)合河道遠(yuǎn)期規(guī)劃，進(jìn)行動態(tài)河勢分析。
3)應(yīng)注意減少工程實(shí)施對工程區(qū)域水系與排灌系統(tǒng)的影響，加強(qiáng)工程區(qū)域河道觀測。根據(jù)施工安排，橋墩施工在航道整治工程之前，關(guān)注中間主墩施工對堤防的影響，保證樁基及橋梁施工中堤防的安全和防汛通道的暢通。
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圖1 德勝河特大橋跨河平、立面示意圖
2 工程對河勢穩(wěn)定的影響分析
2.1 長江側(cè)河床演變
位于長江口附近河道，常會受到上游徑流與下游潮汐等綜合影響，河勢情況較為復(fù)雜多變。尤其漲、落潮流速差較大，對于河床的變化影響極大。形成河床的泥沙主要由潮汐帶動，當(dāng)泥沙下沉速度大于水流落潮速度，即會被沉積下來。根據(jù)泥沙的粒徑不同，一般分為>0.2mm的主槽底沙和較細(xì)的懸沙[5]。根據(jù)錄安洲實(shí)測資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可知2003年以后其右汊分流比相對比較穩(wěn)定，約為10%。2017年左右汊分流比為90.60%和9.40%。通過構(gòu)建局部河段近20a地形地貌模型，可直觀對比得到該區(qū)域的沖淤變化情況，1999-2009年工程段區(qū)域河道沖淤變化圖，見圖2；2009-2020 年工程段區(qū)域河道沖淤變化圖，見圖3。河道兩岸在護(hù)岸工程作用下基本得以穩(wěn)定。但由于左汊河床較寬，上游來水來沙的變化，兩岸之間河床仍出現(xiàn)沖淤變化，主要表現(xiàn)在以下幾方面：
圖2 1999-2009年工程段區(qū)域河道沖淤變化圖
圖3 2009-2020 年工程段區(qū)域河道沖淤變化圖
1)歷年錄安洲洲頭及其兩側(cè)、夾江南側(cè)的拋石護(hù)岸段近岸河勢較為穩(wěn)定。
2)錄安洲左緣洲頭至常州港錄安洲碼頭段，雖然人工導(dǎo)流岸壁初步形成，河勢漸趨穩(wěn)定，但還是受到主流一定沖刷。
3)錄安洲右汊夾江的演變?nèi)Q口門的變化，夾江進(jìn)口南岸受入流頂沖，右汊河槽變深。雖有拋石護(hù)岸，但在2016年、2020年超歷史記錄泄洪壓力下，南岸河床仍舊存在被沖刷可能性，北岸已形成較為規(guī)律的沖淤交替，其地勢變化較小。
2.2 河勢穩(wěn)定分析
過江通道涉及河道西側(cè)岸坡采用直立式混凝土擋墻，右側(cè)為現(xiàn)有的漿切塊石護(hù)坡，在兩側(cè)岸坡均有防護(hù)的情況下，德勝河總體河勢將保持穩(wěn)定的狀態(tài)。工程實(shí)施后，在防洪設(shè)計(jì)水位下，橋梁處河道主流線位置基本不變。對河勢穩(wěn)定的影響該河道處于平原河網(wǎng)區(qū)，一般情況下流速緩慢，水流對河道的沖刷影響較小，若遇大洪水時(shí)可能發(fā)生局部沖刷，但幅度不大。據(jù)計(jì)算，橋址處最大沖刷深度為1.60m。過江通道距離德勝河入江口約3.2km，中間有德勝河魏村樞紐相隔，故新建橋墩不會對長江河勢造成影響。
3 壅水對行洪的影響分析
3.1 壅高分析
壅水的高度跟河道過水面積減少程度有直接的關(guān)系，過水?dāng)嗝鏈p少，水流流速增加，導(dǎo)致橋墩附近水流體積有一定壓縮，造成水流能量由動能轉(zhuǎn)變?yōu)閯菽?，進(jìn)而局部水位抬高形成壅水現(xiàn)象。其壅水高度計(jì)算公式為：
△Z=η(vM2-v02)
(1)
式中：△Z最大壅水高度，m；η為橋墩阻斷流量與設(shè)計(jì)流量的比值系數(shù)，本次計(jì)算采用0.05；v0為斷面平均流速，m/s；vM為橋下平均流速，m/s。
考慮橋梁工程建設(shè)后行洪斷面有所減小，防洪設(shè)計(jì)水位3.7m下，河道行洪斷面面積減小4.7%。按魏村水利樞紐運(yùn)行調(diào)度規(guī)則，當(dāng)京杭運(yùn)河常州站水位超過2.62m時(shí)，魏村水利樞紐趁長江低潮時(shí)開閘排水或開啟泵站向長江翻水。按德勝河魏村樞紐設(shè)計(jì)流量300m3/s進(jìn)行計(jì)算，在水位為2.62m時(shí)，最大壅水高度為0.2cm，水位為3.7m時(shí)，最大壅水高度為在0.2cm內(nèi)。
3.2 壅水曲線分析
德勝河魏村樞紐設(shè)計(jì)過閘流量300m3/s，最大壅水高度為0.2cm進(jìn)行計(jì)算，L=18m。在防洪設(shè)計(jì)水位3.70m時(shí)，德勝河橋壅水曲線長度在20m內(nèi)。其壅水曲線計(jì)算公式為：
L=2△H/I
(2)
式中：L為壅水曲線長度，m；I為水面比降；△H為相鄰兩斷面的水位差，m。
3.3 壅水影響分析結(jié)果
跨德勝河主橋采用(70+125+125+70)m變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，其中東側(cè)125m跨過現(xiàn)狀德勝河，兩跨125m跨過規(guī)劃建設(shè)的德勝河，中間橋墩布置于新、老河道間。由公式1可知，壅水高度與流速的二次方成正比，即橋墩阻水面積與引道布置尤為關(guān)鍵。經(jīng)計(jì)算，在設(shè)計(jì)洪水位工況下，橋墩處最大壅高≤0.2cm，影響范圍≤20m。綜合分析新建橋墩對河道行洪無不利影響。
4 沖刷對行洪的影響分析
對于跨河橋梁建成后，橋墩對具有行洪要求的河道影響應(yīng)做沖刷分析。根據(jù)《公路工程水文勘測設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，在明確橋墩基礎(chǔ)設(shè)計(jì)后，應(yīng)綜合分析自然、一般、局部三種沖刷工況，以最不利結(jié)果作為橋墩設(shè)計(jì)論證依據(jù)[7]。
4.1 河道一般沖刷分析
一般沖刷是指以等效過流斷面計(jì)算的單寬流量為基礎(chǔ)，提高動態(tài)水流中的含沙量后，導(dǎo)致橋址位置一定區(qū)域的垂直河床走向方向的沖刷。根據(jù)工程所在河道的形態(tài)，本次只需對河槽進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)沖刷計(jì)算結(jié)果，工程后一般沖刷后最大水深為2.36m，主槽一般沖刷后最大水深小于其最大設(shè)計(jì)水深3.5m，故不沖刷。具體計(jì)算公式為：
(3)
式中：hp為橋下一般沖刷后的最大水深，m；A為單寬流量集中系數(shù)；Qc為河槽部分通過的設(shè)計(jì)流量，m3/s；IL為液性指數(shù)；Bc為橋下河槽部分橋孔過水凈寬，m；hmc為河槽最大水深，m；hc為河槽平均水深，m。
4.2 橋墩局部沖刷分析
局部沖刷是指以橋墩為中心點(diǎn)，輻射一定距離的特定位置處沖刷。該類沖刷型式主要是由于橋墩的阻礙，水流流向發(fā)生突變，造成一定旋渦和體積壓縮而形成。經(jīng)分析，跨德勝河大橋橋墩主要受局部沖刷影響，采用黏性土基礎(chǔ)對應(yīng)計(jì)算公式4可得，橋墩處沖刷最大深度為1.60m，在設(shè)計(jì)安全范圍2.5m之內(nèi)。
(4)
式中：kζ為墩型系數(shù)；Bt為橋墩計(jì)算寬度，m；V為般沖刷后墩前行近流速，m/s。
5 小 結(jié)
1)河演分析表明，德勝河的發(fā)展變化，主要還是受開挖、行洪、續(xù)建加固等人類活動的影響較大，受自然界影響較小。目前，德勝河內(nèi)側(cè)河側(cè)河道流速、流向相對穩(wěn)定，少部分航段已建護(hù)岸，航道內(nèi)水面比降平緩，流速較小，對兩側(cè)護(hù)岸頂沖作用較小，河道深槽居中，河床基本穩(wěn)定。
2)橋梁對河道的影響重點(diǎn)在壅水分析，需計(jì)算設(shè)計(jì)洪水位橋墩阻水工況。綜合河道功能，分析減少的等效過水面積，判斷橋位斷面處流速增大及體積壓縮幅度。行洪影響還需結(jié)合河道遠(yuǎn)期規(guī)劃，進(jìn)行動態(tài)河勢分析。
3)應(yīng)注意減少工程實(shí)施對工程區(qū)域水系與排灌系統(tǒng)的影響，加強(qiáng)工程區(qū)域河道觀測。根據(jù)施工安排，橋墩施工在航道整治工程之前，關(guān)注中間主墩施工對堤防的影響，保證樁基及橋梁施工中堤防的安全和防汛通道的暢通。
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