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

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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:zcy8578@sina.com

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：潮汐河口；河工模型试验；桥墩；行洪安全；河势；

1 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://www.paper.edu.cn - 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 2.1 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://www.paper.edu.cn - 3 -3 实例分析

3.1 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1 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 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（1958～1968，1971～1983），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；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://www.paper.edu.cn - 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1～2m，深槽向左移动10m～15m，而右岸－4m以上河床发生淤积，平均淤积厚度在1～3m。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45～50m，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 根据防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46.4～52.6 m2，占甬江桥位处过水断面面积（面积侵占比）的2.61～2.69%。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。