研究--以宁波惊驾路甬江大桥防洪论证为例.pdf

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1、http:/ -1-感潮河段桥梁工程对河道行洪影响研究 以宁波惊驾路甬江大桥防洪论证为例 感潮河段桥梁工程对河道行洪影响研究 以宁波惊驾路甬江大桥防洪论证为例 赵淳逸1 朱立俊2 1.河海大学水利水电工程学院 南京 210098 2.南京水利科学研究院 南京 210024 e-mail: 摘 要：摘 要：本文详细分析了感潮河段建桥前后桥墩附近水流结构的变化，研究了在感潮河段建桥对河道行洪安全的影响。并以宁波惊驾路甬江大桥防洪论证为例，运用物理模型定床试验的手段，对工程后的水位壅高和流速变化进行测量，在此基础上对工程行洪安全作出评估，为河道堤防保护以及管理提供了科学依据。拟修建的惊驾路甬江大桥位

2、于宁波三江口甬江下游，距上游甬江大桥 640m，其桥墩位于甬江右边滩，定床模型试验研究结果表明，建桥后桥墩对其上游水位的影响范围为迎水面以上 120m，最大壅高水位为0.02m，建桥后对流场的影响范围也仅限于桥墩附近 100m 范围内，对行洪安全的影响较小。关键词：关键词：潮汐河口；河工模型试验；桥墩；行洪安全；河势；1 引言 引言 桥梁在国民经济发展过程中扮演着不可替代的角色，它是目前人类克服自然水体阻隔、扩大人类活动范围的最经济、最有效的方法。同时，建桥后由于桥墩的存在而引发的很多水力学问题我们不容轻视，桥墩附近的水流泥沙运动也是国内外学者研究的重点。感潮河段所处沿海地区，经济发达，人口稠

3、密，要在此河段建桥，考虑并分析桥墩对河道行洪及河势影响就成为了桥梁设计中的重要技术问题。目前研究此类问题主要有河工模型法，数学模型法和经验计算方法等2。而河工物理模型试验可以预测河流在自然情况下及修建水工建筑物后河道的水流泥沙运动规律、河势变化等方面具有独特的优势，特别成为解决一些边界条件复杂、三维性较强问题的重要手段。本文以对感潮河段建桥堆河道行洪影响分析为基础，运用河工模型试验等多种技术手段对宁波市惊驾路甬江大桥的建设进行了防洪论证研究。对桥梁建设的防洪论证包括两个方面，一是研究桥梁建设本身对河道行洪的影响。桥墩以及临时工程（包括围堰，施工设备和物料器材等）会折减河道的过水断面，降低堤防的

4、防洪能力，特别在感潮河段时，河道会受到洪水与潮汐的共同作用，水位的变化情况更为复杂。另一方面，研究河道水流对桥梁安全的影响。桥墩周围水流受到墩身的阻挡，水流绕流，致使水流结构发生急剧变化，上游水位升高，流速减小，下游水位降低，并在桥墩后形成回水区，因此导致桥墩上游产生淤积，下游流速变大，水流挟沙能力增强，产生冲刷，随着时间http:/ -2-的推移，形成局部冲刷坑，冲刷坑的发展对桥墩自身安全会构成很大的威胁。2 感潮河段建桥对河道行洪的影响 感潮河段建桥对河道行洪的影响 2.1 感潮河段水流泥沙特性感潮河段水流泥沙特性 感潮河段受潮汐影响水位会处于涨落的变化之中，涨潮过程中水位升高，落潮水位降

5、低。随着水位的变化，河道中流速也发生相应的变化。在潮波变形的三个阶段，水位和流速过程线的相位具有一定的差异。因此在不同的潮汐河口，水位与流速过程线之间有着特定的关系，而且，这种关系还受上游径流量的影响。与水位变化一样，在一次涨落潮过程中，流速会出现涨急和落急两次最大流速。感潮河段的来沙分为陆域来沙和海域来沙，两者共同影响河道的冲淤变化。悬移质泥沙运动与流速关系极为密切，感潮河段的流速一方面受潮波运动影响，另一方面又受上游径流作用的影响，这种非恒定性势必引起细颗粒泥沙会经常处于不断的沉降与启动交替变化之中，进而表现为含沙量的复杂变化，含沙量变化的直接结果就会导致河道的冲淤变化。2.2 桥墩建设对

6、防洪的影响桥墩建设对防洪的影响 在分析河道基本水流泥沙特性的基础上，再考虑建桥对河道防洪的影响。桥墩建设以后，会引起桥墩附近水位和流场的变化。桥墩的存在折减了河道的过水面积，使该河段阻力增加，涨潮时，出现桥墩下游壅水，上游潮位降低的现象，其潮位壅高和降低的现象出现在河道桥位上下游附近，并且沿程逐渐减小。相应的，落潮时上游水位壅高，下游水位降低。水位壅高的大小取决于涨落潮时桥墩附近的行进流速，因此在涨急和落急时刻，水位壅高会达到最大值。桥梁修建后，在折减河道过水面积的同时，也破坏了桥位附近的流场，对河势稳定产生了一定的影响，使得桥位附近的河床演变变得更加复杂。桥墩对行进水流产生挤压的作用，使得桥

7、墩周围的流场变得也很复杂。涨潮时，下游水位壅高，流速减小，而在桥墩两侧，由于水流受到挤压，流速增大，上游潮差变小，因此流速也会增加。流速的变幅与墩处的流速有关，还与桥墩自身的尺寸大小，形状有很大的关系。桥墩冲刷一直是冲积性河流中桥墩失稳和桥梁水毁的主要原因。建桥后，桥墩附近流场的变化会引起桥墩两侧的局部冲刷和桥墩后的一般冲刷。桥墩两侧水流绕流会形成复杂的漩涡体系，对桥墩周围的泥沙掏刷，特别是在洪水到来的时候，河道流量增大，桥墩两侧绕流作用增强，冲刷会更严重。由于水流受到桥墩的阻挡，水流绕过桥墩后就会在桥墩背水面形成尾流漩涡，这些漩涡往往是桥墩下游引起冲刷的重要原因。桥梁工程作用很大，但由于桥墩

8、的存在破坏了河道内在的平衡关系，如果在建桥之前没有对工程后的情况做充分的考虑，轻则对上下游河势带来不利影响，重则会导致严重的工程事故。因此，根据水法、防洪法、中华人民共和国河道管理条例等有关规定，需对工程建设对上下游河势及行洪、防洪影响进行评估。http:/ -3-3 实例分析 实例分析 3.1 河道概况河道概况 拟建的惊驾路道路工程是宁波市“五路四桥”城市交通组合项目的重要组成部分，位于宁波市三江汇合后的甬江下游，距上游甬江大桥 640m。根据规划，该路段按双向六车道标准建设，道路宽 44m，全长 2.5km。甬江河道范围内，在距东岸岸线 55m 处的甬江边滩上设主桥墩，主桥墩采用的是心形混

9、凝土异形块加心形混凝土柱形结构，河床床面以上，桥墩平均高 8.5m，水流方向上，底部长 26.22m，宽 13.37m，顶部长 22.22m，宽 12.41m，大桥所处的位置如图 1 所示。图图 1 宁波三江流域地形图宁波三江流域地形图 3.2 三江流域水流泥沙特性及河床演变分析三江流域水流泥沙特性及河床演变分析 宁波三江流域属于感潮河段，其中甬江是由南源奉化江和北源姚江两江汇集而成。两江汇合后的甬江河段，向东北蜿蜒伸展 25.6km 至镇海游山外入海。如图 1 所示，奉化江澄浪堰（位于奉化江铁路大桥旁）三江口附近的河道外形微弯，河段断面呈对称的“U”形形态，河道的平均坡降较大，为 8.1，河

10、道相对较窄，最窄处是在江夏桥-灵桥之间，最小河宽仅 90m（位于江夏桥和灵桥之间），因此，澄浪堰到三江口的水面比降比较大，根据水文测验 2006 年 4 月 28 日的大潮资料，在同一时刻，水位最大差值可以达到 0.23m，在一天涨落潮中，平均水位差值有 0.13m，而三江口到大通的水位差仅为 0.13m，平均水位差仅 0.05m；姚江属于平原型宽浅河流，河床平坦，水面比降小于 0.01，建闸前水深平均 6.2m 左右，建闸后河床淤积，平均水深减至 4m 左右；甬江河床在建闸前较稳定，但在建闸后甬江进潮量大幅度减小，河床发生严重淤积，水深变浅。甬江河段受径流和潮汐的的双重影响，其泥沙是由陆域来

11、沙和海域来沙两部分组成。陆域主要是奉化江流域来沙，据奉化江溪口站实测资料统计（19581968，19711983），年平均输沙量为 4.35 万 t，最大年输沙量为 14.1 万 t，最大年平均含沙量为 0.541kg/m3，历年最大含沙量 6.01 kg/m3。据推算，甬江涨潮平均输沙量为 1.732 万 t，10 个潮的涨潮输沙量即等于全年陆域来沙，因此甬江干流的泥沙来源主要是海域来沙。宁波三江流域演变受制于上游来水来沙条件、水利枢纽运行方式、水利防洪工程和河道清淤工程等的综合影响。从平面形态上来看，通过对比 1951 年和 2005 年的河床地形，宁波市区三江六岸河床的岸线多年变化不大；

12、而且，对比 2001 年和 2005 年三江口河床地形也可以发现，三江口附近河床等高线的平面外形及深槽大小和走向，变化也不大，这表明，近几http:/ -4-年三江口附近河床冲淤变化也较小，断面冲淤基本平衡。甬江河床从断面形态上看宽深比变化不大，断面相对稳定。在桥位附近，左岸岸坡出现冲刷，其冲刷深度在 12m，深槽向左移动 10m15m，而右岸4m 以上河床发生淤积，平均淤积厚度在 13m。现场查勘表明，桥址附近的右岸边滩有建筑垃圾和弃土，其长度在 180m 左右，宽度在 4550m，最高高程达 5.15m。该弃土的存在，对甬江行洪及甬江边滩的稳定是十分不利的。3.3 试验条件试验条件 根据防

13、洪评价研究所要解决的问题，我们做了如下工作：第一，正常潮汐水文条件，这主要是采用 2006 年 4 月 28 日实测农历大潮和 2006 年 5 月 5 日实测农历小潮这两种潮形。第二，典型洪潮组合水文条件。它是指可能发生的大洪水和潮汐水流共同作用的水文条件。根据上游径流条件和下游镇海站潮汐条件，包括相关洪峰频率、支流洪水入汇以及潮位频率统计分析，宁波市水利水电规划设计研究院经过计算，得到了模型试验八种典型洪潮组合的水文条件，试验时，在每种洪潮组合条件下，再选取洪潮遭遇时段内低潮位落急最大流速时刻和涨潮接近最高潮位时的两种最不利情况，分别进行试验研究，以保证试验结果较高的安全性。3.4 试验研

14、究成果分析试验研究成果分析 3.4.1 惊驾路甬江大桥桥墩建设工程前后水位变化惊驾路甬江大桥桥墩建设工程前后水位变化 惊驾路甬江大桥桥墩位于河道右岸边滩上，在各频率设计潮位下的阻水面积为 46.452.6 m2，占甬江桥位处过水断面面积（面积侵占比）的 2.612.69%。在现状河道下，桥墩的阻水面积较小，阻力不大，在发生各种典型洪潮组合的水文条件下，桥墩上游的最大壅水高度为 0.02m，影响范围仅限于右岸桥轴线以上 120m，这种很小的水位壅高，对甬江行洪的影响较小，对甬江大堤的行洪安全构成的威胁也较小。部分典型洪潮组合条件下工程前后水位变化情况见表 1。http:/ -5-表 1 典型洪潮

15、组合条件下惊驾桥工程前后水位变化表 表 1 典型洪潮组合条件下惊驾桥工程前后水位变化表 3.4.2 惊驾路甬江大桥桥墩建设工程前后流场及近岸流速变化惊驾路甬江大桥桥墩建设工程前后流场及近岸流速变化 在典型潮条件下，由于桥墩所处河床高程为-0.85m，且桥墩上游为地势较高的滩地，在枯季大潮中，桥位处落潮最低潮位为-1.10m，涨潮最高潮位为 1.63m，在全潮过程中桥墩周围大部分时间的涨落潮流速都较小，当处于落急低潮位喝涨潮初期时，桥墩处河床出水，桥站名 水位m 10 年洪+10 年潮10 年洪+100 年潮10 年洪+20 年潮20 年洪+20 年潮 50 年洪+10 年潮 落急 Z1 Z2

16、Z 2.31 2.31 0 2.32 2.32 0 2.31 2.31 0 2.64 2.64 0 2.89 2.89 0 桥轴线 上 100m(右岸)高潮位 Z1 Z2 Z 2.58 2.58 0 2.91 2.91 0 2.82 2.82 0 2.96 2.96 0 2.95 2.95 0 落急 Z1 Z2 Z 2.31 2.315 0.005 2.31 2.315 0.005 2.30 2.305 0.005 2.63 2.64 0.01 2.88 2.89 0.01 桥轴线 上 50m(右岸)高潮位 Z1 Z2 Z 2.57 2.57 0 2.90 2.90 0 2.82 2.82 0

17、 2.96 2.96 0 2.95 2.95 0 落急 Z1 Z2 Z 2.30 2.30 0 2.31 2.31 0 2.30 2.30 0 2.63 2.63 0 2.88 2.88 0 桥轴线(左岸)高潮位 Z1 Z2 Z 2.57 2.57 0 2.90 2.90 0 2.82 2.82 0 2.96 2.96 0 2.94 2.94 0 2.30 2.63 2.87 2.315 2.65 2.89 落急 Z1 Z2 Z 2.30 2.315 0.015 2.31 2.325 0.015 0.015 0.02 0.02 2.57 2.90 2.82 2.96 2.94 2.575 2.

18、905 2.825 2.97 2.95 桥轴线(右岸)高潮位 Z1 Z2 Z 0 0 0.005 0.01 0.01 2.30 2.31 2.30 2.63 2.87 2.295 2.305 2.295 2.62 2.86 落急 Z1 Z2 Z-0.015-0.005-0.005-0.01-0.01 Z1 2.57 2.90 2.82 2.96 2.94 Z2 2.57 2.90 2.82 2.96 2.94 桥轴线 下 50m(右岸)高潮位Z 0 0 0 0 0 http:/ -6-墩对水流没有干扰作用；在枯季小潮中，桥位处落潮最低潮位为-0.64m，涨潮最高潮位为1.23m，桥墩对流场的影

19、响甚微，一方面，桥墩处水深较浅，流速较小，潮汐动力作用较弱，对主动力轴线的影响不大；另一方面，前半潮的潮差较小，仅为 0.60m，因而涨落潮的流速很小，后半潮虽然涨潮动力增强，但流速仍然不大。枯季大潮工程后，在过水断面面积减小的情况下，桥墩左侧 10m、40m 处涨急最大流速分别增加 0.04m/s 和 0.01m/s，落急最大流速增幅为 0.03m/s 和 0.01m/s。而在枯季大小潮条件下，桥墩的建设对左岸深槽主流流速没有影响，同时，对奉化江和姚江个典型断面上的流速也没有影响。在典型洪潮组合条件下，工程前后的局部流场发生了变化，而且在不同洪潮组合条件下，调整的幅度有所不同。洪潮组合落急时

20、，河道内流速普遍较大，径流动力较强。此时桥墩处的水深在 2.94m-3.77m 之间，垂线平均流速在 0.65m/s-0.93m/s 之间，因此桥墩具有一定的阻水作用。工程后桥墩边缘左侧 10m-20m 处流速增幅最大，约为 0.08m/s-0.17m/s，桥墩左侧流速增幅为 0.01m/s 的影响范围为桥墩边缘以左 80m 左右。桥墩上游局部水域水流行进流速减小，上游 50m 处减幅为 0.02-0.03m/s，上游流速减幅 0.01m/s 的影响范围约为桥墩上方 70m 左右；桥墩下游局部水域受桥墩掩护作用影响流速有所降低，降幅为 0.03m/s0.05m/s，向下游流速减小 0.01m/

21、s 的影响范围约为桥墩下方 120m 左右；桥墩右侧河床水深逐渐变小，桥墩的束水挤压作用有限，流速的增幅为 0.03m/s0.05m/s 左右，且流速的绝对值较小，在 0.20m/s0.28m/s 之间。洪潮组合高潮位时，各洪潮组合条件下桥墩处水深为 3.46m3.79m，拟建桥墩处流速仅为 0.15m/s0.45m/s，水流动力作用较弱，相应的桥墩对周围流场的影响程度亦较小。试验结果显示：各种洪潮组合条件下高潮位时，桥墩左侧 10m20m 处流速增幅为 0.01m/s0.06m/s，影响范围仅限于桥墩左侧 50m 以内；桥墩右侧流速由工程前的 0.14m/s0.17m/s增大至 0.15m/

22、s0.21m/s，增幅仅为 0.02m/s0.03m/s；桥墩上、下方 50m 处流速的减幅为 0.01m/s0.02m/s，影响范围分别为桥墩上游 60m 及下游 90m。表 2 现状河道条件下惊驾桥工程前后近岸流速变化表 （50 年洪10 年潮）表 2 现状河道条件下惊驾桥工程前后近岸流速变化表 （50 年洪10 年潮）落急流速（m/s）高潮位流速(m/s）岸别 位置 工程前工程后差 工程前工程后 差 桥位上游 100m 0.35 0.35 0 0.26 0.26 0 桥位上游 50m 0.27 0.26-0.010.22 0.22 0 桥位上游 20m 0.22 0.20-0.020.1

23、8 0.17-0.01 桥位 0.21 0.26+0.050.17 0.20+0.03 桥位下游 20m 0.23 0.26+0.030.19 0.21+0.02 桥位下游 50m 0.25 0.27+0.020.20 0.21+0.01 桥位下游 100m 0.24 0.25+0.010.21 0.21 0 右岸 桥位下游 150m 0.20 0.20 0 0.16 0.16 0 左岸 桥位 0.49 0.49 0 0.32 0.32 0 http:/ -7-在河道现状条件下，当遭遇 50 年洪10 年潮水文组合落急时，工程后桥轴线上右岸近岸流速增幅最大，为 0.05m/s，但流速的绝对值不

24、大，仅为 0.26m/s，右岸桥位上游 50m 范围内近岸流速略有减小，减幅为 0.01m/s0.02m/s，右岸桥位下游 100m 范围内流速略有增加，增幅为 0.01m/s0.02m/s；高潮位状态时，右岸近岸流速的绝对值增幅以及影响范围比落急时更小；左岸近岸流速没有变化。见表 2。由此可见，现状河道条件下惊驾桥工程兴建后右岸近岸流速增幅较小，且流速的绝对值不大，左岸近岸流速没有变化，因此工程的建设对两岸大堤及堤脚安全带来的影响也较小。3.4.3 惊驾路甬江大桥防洪评价结论 惊驾路甬江大桥防洪评价结论 对实测资料和模型试验相关数据的分析，我们可以得到惊驾路甬江大桥防洪评价的一些认识和结论：

25、1)模型采用最新的地形图布置，用实测的水文资料率定，其成果是可靠的，可作为科学试验数据供有关部门参考。2)桥墩对水流结构的影响：研究结果表明，在现状河道和规划河道条件下，工程后桥墩上游的水位壅高较小，影响范围也仅限于右岸桥轴线以上 100m、120m 内；同时，试验也表明工程实施后，桥墩两侧流速有所变化，但影响范围也局限于桥墩左侧 80m-100m 范围内，没有使甬江主流动力轴线位置和走向发生明显变化，也未对甬江涨落潮量产生明显的影响。因此，工程对甬江行洪的影响是局部的，有限的，不会对甬江大堤的行洪安全及河势构成威胁。3)桥墩自身现状的选择：主桥墩初设方案左右不对称的异形状，左侧外凸，右侧内凹

26、，不规则的形态一方面加大了墩身对水流的阻力作用，不利于行洪安全，同时也会加深对桥墩周围流场的干扰。另一方面，也会导致水底产生更大尺度的紊动，可能会使桥墩周围的河床冲刷坑范和尺度的扩大，不利于桥梁自身的安全。因此建议将主桥墩设计成为半圆的规则长条形，从而最大限度地降低桥墩对水流的阻力，减小桥墩对甬江行洪影响，确保桥梁自身的安全。4)河道水流对桥墩自身安全的影响：在定床物理模型试验的研究成果的基础上，为了进一步研究桥墩建设对河床演变的影响，以及桥墩冲刷对桥墩自身安全的影响等等，这将在模型试验的动床部分作更深入的研究。4 结语 结语 桥梁作为交通运输中不可缺少的一环，在人类活动的各方面扮演着十分重要

27、的角色。桥墩的存在打破了天然河道的水流泥沙运动的平衡关系，必然引起河道固有特性的改变，对此我们不能掉以轻心，必须科学深入地进行分析并认真采取减免改进措施，使影响降低到最低限度。http:/ -8-参考文献 参考文献 1 练伟航，张广传，赖冠文.三水二桥桥墩建设对河道及北江大堤影响河工模型试验研究J，广东水利水电，2003，(3).2 许全喜，张小峰.大桥扩建对防洪航运影响的计算与分析J.城市道桥与防洪，2003，(1).3 谢鉴衡.河流模拟M.水利电力出版社.1988.4 武汉水利电力学院河流泥沙工程学教研室.河流泥沙工程学（上）M.水利电力出版社.1980.5 崔岩，马大伟，冷跃斌.桥墩阻水

28、对水流结构的影响J.水利科技与经济，2001，7(2).6 张书农,华国祥.河流动力学M.水利电力出版社.1988.7 林应丑.武汉白沙洲大桥河床演变与桥孔布置J.人民长江.2003,5(2).8 周志德.20 世纪的河床演变学J.中国水利水电科学研究院学报.2003,12(3).Study on the effect of the bridge engineering in tidal reaches-Take the Flood Prevention Project of Yong Jiang birdge of Jingjia road in Ningbo city as example

29、 Chunyi Zhao Lijun Zhu Department of Water Conservancy and Hydropower Engineering,Hohai University,Nanjing,PRC,210098 Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing,PRC,210024 1.Abstract In this paper,flow structures around the pier in the tidal reaches were analyzed and the effect of the bridges in t

30、idal reaches on river flood discharge capacity was studied.Based on the Flood Prevention Project of Yong River birdge of Jingjia road in Ningbo city,we carried out fixed-bed model test and measured the change of the water level and velocity after the project and then made the flood evaluation.This p

31、rovides scientific guidance for the riverbank protection and management.The Yongjiang Bridge of Jingjia road to be constructed will be located in the downstream of Yong River and 640 far away from the bridge upstream and the pier will locate in the right alternate bar.The fixed-bed model test shows

32、that the water level influence range of the pier is 120m upstream to the front area of the pier.The maximum water level is 0.02m.The bridge just has effect on the flow field 100m around the pier and has little influence on the flood control.Keywords:Tidal reaches;Hydraulic model test;pier;Prevent or control flood;River regime 赵淳逸：男。1983 年生。硕士研究生。主要研究方向是水力学及河流动力学。