广氮地区市政道路跨车陂涌桥梁防洪评价研究

邓苏谊

（广东省水利电力勘测设计研究院，广州 510000）

科技成果

广氮地区市政道路跨车陂涌桥梁防洪评价研究

邓苏谊

（广东省水利电力勘测设计研究院，广州 510000）

车陂涌位于广州市东部的天河区，是天河区七条河涌中流域面积最大的河涌。根据广氮地区市政道路总体设计要求，本工程范围共设置跨车陂涌桥梁7座。工程范围涉及的7座桥跨越车陂涌，拟建桥梁占用车陂涌河道管理范围的建筑物为布置在河道内的桥墩。文章通过建立一维、二维水流数学模型，计算分析了广氮地区居住储备用地市政道路跨车陂涌的7座桥梁对河道水位及流场等的影响，并提出相应结论和建议。

数学模型；水文分析；防洪评价；一维模型；二维模型

1 概 述

车陂涌位于广州市东部的天河区，是天河区七条河涌中流域面积最大的河涌。

广氮地区居住储备用地市政道路及附属工程，北倚北环高速公路，东至东环高速公路、车陂路，南临广园东快速路，西至一纵路，用地面积约250hm2。根据广氮地区市政道路总体设计要求，居住储备用地市政道路及附属工程范围共设置跨车陂涌桥梁7座，分别位于八纵路、七纵路、六横路、五纵路、三纵路北、二纵路的跨车陂涌及支涌段。工程范围涉及的7座桥跨越车陂涌，拟建桥梁占用车陂涌河道管理范围的建筑物为布置在河道内的桥墩。其中1号桥的桥墩布置在亲水平台上，2、3、4、5、6号桥的桥墩均布置于二级护坡上。1～6号桥的桥墩的阻水比为分别为3.9%、2.3%、3.8%、3.1%、2.7%和1.2%；8号桥的桥墩位于堤顶，阻水比为0%。因此须对该项目进行防洪专题研究，分析该项目对车陂涌的行洪安全、两岸堤防及其他影响。

2 防洪评价计算

2.1 水文分析计算

水文分析计算目的是为壅水、流态分析计算等水动力数学模型提供计算边界条件及为河势稳定分析提供依据［1］。

1）设计洪水：车陂涌的设计洪水采用广东省综合单位线法和推理公式法（1988年修订）两种方法进行计算，经过综合对比分析，最终采用综合单位线法计算结果作为车陂涌的设计洪水成果。

2）设计水面线：考虑了以洪为主外江水位相应和以外江水位为主洪相应两种组合，并采用两种组合的外包线作为车陂涌的设计水面线［2］。

2.2 一维模型壅水分析计算

采用一维水流数学模型对壅水进行分析计算。

2.2.1 控制方程

采用一维明渠非恒定流的基本方程作为控制方程。

连续方程：

动量方程：

对于由以上两式组成的典型水流方程组，目前在数值计算上可有多种方法求解，这些方法各有优缺点，分别适用于不同的水流及边界情况。本次计算采用四点加权隐格式进行离散，求解时采用迭代法。

桥墩阻水造成局部水动力条件的改变，从而引起水面线的壅高，在一维水流模型中可以通过以下2方面进行概化：①根据桥墩阻水面积调整过水断面面积A；②桥位断面由于桥墩的存在引起湿周的变化，从而引起摩阻比降的变化，这在模型中将自动进行计算。

2.2.2 研究范围和边界条件

根据本工程影响范围，确定数学模型研究范围为：上边界采用20a一遇设计洪水，下边界车陂涌口采用5a一遇水位，并考虑了旁侧入流引起的河道流量变化。

2.2.3 地形资料及断面布置

计算范围内河道地形采用车陂涌已整治后的断面，各断面间距约为100m，共76个计算断面。

2.2.4 模型的率定

根据设计水面线成果对一维模型进行率定。

2.2.5 壅水计算结果分析评价

本工程拟建的7座大桥选址较为集中，各桥之间水流形态又相互影响，无法单独对每座桥进行分析，因此分析时将7座桥梁做为整体联合考虑其影响。由于桥墩的建设缩窄了过水面积，增大了湿周，造成水流动能损失，从而引起桥位上游水面壅高。20a一遇设计洪水，河道水位壅高最大值为10.5cm，出现在6号桥上游5m处。壅高值随工程距离的增大而降低。至6号桥上游1.2km时设计洪水频率下水位壅高值降为0；8号桥桥墩位于堤岸上，高于设计水位，桥墩阻水比为0%，不产生壅水影响。

2.3 二维模型分析计算

2.3.1 控制方程

采用平面二维数学模型计算工程河段局部的水位、流速和流场形态变化，其控制方程如下：

连续方程：

动量方程：

式中：u、ν分别为 ξ、η为方向流速分量，m／s；z为水位，m；H为水深，m；g为重力加速度，m2／s；f为柯氏力系数；其他符号如下：

其余符号依次类推。

目前二维方程组的数值离散方法主要有有限差分法、有限元法、有限体积法、破开算子法、边界元法等，其中有限差分法以ADI最为成熟和流行。空间离散方法主要有矩形网格、正交曲线网格、三角形网格、不规则四边形网格等，后三者可以较好地拟合边界和水利地形。本模型采用正交曲线网格上的有限差分ADI法进行模型的离散和计算。

2.3.2 研究范围及地形资料

二维计算范围定为6号桥上游1.2km至1号桥下游0.6km的河道范围，计算河段总长度约3.3km；水下地形采用实测断面资料。

2.3.3 网格布置及边界设置

本次计算采用贴体正交曲线网格离散计算区域，共布置网格473×103个。根据计算需要，网格分辨率不一。每个单元的顶点节点和中心节点为水位和水深的计算点，顶点之间为横向和纵向流速计算点。各洪水频率码头建设前后的边界条件均由一维河网数学模型计算结果提供。上游给定流量，下游给定水位。固壁边界采用不可入条件和可滑条件，同时考虑旁侧支流。桥墩所在网格概化为不过水处理。

2.3.4 模型的率定

根据一维河网水流模型计算成果对二维模型进行率定。

2.3.5 计算结果与分析

以一维水流模型提供的计算边界计算设计频率（P＝5%）下桥梁建设前、后桥位附近水域的流场形态、流速、流向变化，根据计算结果分析评价项目对流场形态、流速、流向等的影响。

从流速上看，1～6号桥工程前后，桥墩与河岸之间、左侧桥墩与右侧桥墩之间流速增大，桥墩上下游局部范围内流速降低，流速变化值在 －1.5～0.12ms，工程前后流速变化等值线图见图1。8号桥工程范围内则无流速变化。

图1 3号桥工程前后流速变化等值线图

3 结论与建议

3.1 结论

根据广氮地区居住储备用地市政道路及附属工程七座桥梁的初步设计成果和有关防洪规划成果，调查分析所跨越车陂涌河段洪水特性、两岸现有防洪能力及水利设施分布情况等，分析河道演变，建立一、二维水动力模型，计算设计洪水条件下工程建设前后的壅水和流场变化，经过综合评价后，得出以下结论：①根据国家《防洪标准》（GB50201—94），7座桥作为I级公路跨越河道的小型桥梁，其防洪标准均为100a一遇，符合国家《防洪标准》。②7座桥的最低梁底标高均高于相应位置的河道堤防整治高程，大桥梁底设计高程可满足防洪潮高程的要求。③在设计洪水条件下，1～6号桥工程上游河道出现水位壅高，河道水位壅高最大值为10.5cm，出现在6号桥上游5m处。壅高值随距离工程的增大而降低。至6号桥上游1.2km时设计洪水频率下水位壅高值降为0。④在设计洪水条件下，1～6号桥工程前后，桥墩与河岸之间、左侧桥墩与右侧桥墩之间流速增大，桥墩上下游局部范围内流速降低，流速变化值在－1.5～0.12m／s。

总体来说，工程对其附近水域的水流动力影响不大，工程后河道整体冲淤变化影响不大，工程对所在的河道整体河势稳定影响亦不大。

3.2 建议

综合前面的分析成果，从拟建工程的布置看，工程方案对河道防洪、河势稳定等的影响不大，与有关技术标准和管理要求等基本适应。为了尽量降低工程影响，提出以下4点防治与补救措施：

1）工程实施后，桥墩与河岸间流速有所增加，同时考虑到桥墩距离堤防较近，施工期间施工栈桥布置以及往来材料、设备运输可能危及堤防的稳定，由于本项目涉及与车陂涌堤防整治工程同步进行的问题，因此需结合实际情况合理安排施工组织设计工作，为避免正在进行的车陂涌整治工程和拟建桥梁桥墩下部结构施工的相互干扰，建议同步完成提防整治和桥墩的施工，并确保桥墩附近的提防按规划断面要求进行整治。

2）施工期间不得向河道内倾倒余泥废料。施工完成后，施工围堰、弃渣应及时、妥善、彻底清理，以恢复主河槽原有地貌。完工后对工程区域附近河床要进行清理，在施工水域进行硬式扫床，以免对行洪产生不利影响。

3）施工过程中，注意项目区附近河道堤防和岸坡的维护和观测，遇到险情应及时上报水行政主管部门；汛期积极配合水行政主管部门做好安全渡汛工作。

4）工程施工期的弃物、堆放物、工人生活排放水等可能对河水造成污染，应对这些弃物、堆放物和生活排放水等进行有效管理，施工和生活废水需处理达标后方可按规定排放。

［1］杨文海，路志强，刘涛.跨河桥梁防洪影响评价研究［J］.水资源与水工程学报，2013，24（02）：163－165.

［2］王国新，刘忠民，胡晓松.三通河跨河桥梁防洪影响评价分析［J］.现代农业科技，2011（05）：261－262.

U442.3

B

1007－7596（2014）08－0001－03

2014－04－08

邓苏谊（1981－），男，湖南娄底人，工程师，从事水力学和水文规划研究。