巴中市巴河杨家坝大桥工程防洪评价分析

文岑王春霞蒋家良

1, 重庆交通大学西南水运工程科学研究所 400016 2, 重庆交通大学河海学院 400074 3，重庆市丰都县交通委员会

巴中市巴河杨家坝大桥工程防洪评价分析

文岑1王春霞2蒋家良3

1, 重庆交通大学西南水运工程科学研究所 400016 2, 重庆交通大学河海学院 400074 3，重庆市丰都县交通委员会

杨家坝大桥是四川省高速公路网的重要组成部分，工程跨越巴河，研究其对河床走势及防洪影响具有重要意义。该文根据近年来实测河道资料进行河流演变分析，应用平面二维有限单元水流数学模型，通过相关计算分析，确定大桥建立前后断面水位、流速变化，壅水及回水影响等，结果表明本大桥建设后对河段行洪、两岸防洪环境满足防洪规范标准要求。

1 、概述

杨家坝大桥位于巴河杨家坝段，距离巴中水文站仅2km左右。大桥属巴中～达州高速公路，是四川省高速公路网广元～巴中～达州～万州（川渝界）高速公路的重要组成部分。河岸两侧无道路等设施，大桥直接与高速公路相衔接。大桥跨径组合为10×30m+ (58+110+58) m +13×30m，全桥长936m。桥为(58+110+58) m连续刚构，引桥为30m简支T梁。主墩为矩形空心墩，承台、桩基础。交界墩及引桥桥墩采用分幅独柱式钢筋砼空心薄壁变截面空心墩、桩基础。桥台为重力式桥台。桥面宽24.5m，平面接近一条直线布置。

巴中至达州高速公路在杨家坝附近横跨巴河，其桥墩将占据河道的一定的过水面积，特别是对于大洪水，受桥墩的束水和阻水作用的影响，桥区河段的洪水位和流场将发生一定的改变。受建筑单位委托，根据国家水利水电工程技术规范标准，对杨家坝巴河大桥工程进行防洪影响评价。

1.1 评价标准

根据《水利水电工程工程等级划分及防洪标准》[1]及《长江流域规划简要报告》，大桥设计标准：设计荷载公路A级设计荷载；设计防洪标准采用100年一遇，水位为360.7m，相应流量15841m3/s；设计最高通航水位采用2年一遇洪水位344.26m，设计最低通航水位采用天然情况下90%保证率水位332.58m。抗震基本烈度：设防烈度6级。

1.2 河道基本情况

巴河发源于川陕边境的米仓山南麓，从北向南，流经南江、巴中、平昌三县，在平昌有通江河汇入，流至渠县三汇汇入渠江。巴河流域面积19927km2，占渠江流域总面积的51%，河道全长约366千米。平昌以上长242km，河道平均比降1.25‰，以下长124千米，河道平均比降0.29‰。大桥桥位河段位于巴中市下游，河床断面呈复式“U”型，枯水河宽约110m，洪水河宽400m左右，河床多为沙卵石河床。

1.3 水文泥沙

巴河一场洪水的总历时：单峰一般约3～4天，复峰约4～6天。洪水总量主要集中于三日以内（约占73.5%），一日洪量占三日洪量的50.7%以上。巴河洪枯变化大，七里沱水文站一般为15～21m，1965年高达25.8m，1957年高达23.9m；风滩水文站一般为13～20m，1965年高达21.2m。大桥上游的风滩水文站最大年平均流量为680m3/s（1983年），最小年平均流量为120m3/s（2001年），相差达5.7倍，年径流变差系数为0.44。

表1 巴河流域有关水文测站洪水成果

1.4 河道近期演变分析

天然情况下桥区河段受河床及河岸边界约束较强，滩槽稳定，多年来河床冲淤变化不明显；由于建桥后，大桥桥墩的阻水面积有限，建桥对桥区河段的河床演变、航行水流条件的影响亦较小。

2 、防洪评价计算

2.1 数学模型控制方程及求解原理

巴河河宽水浅，水流在垂直方向的变化相对于其他水流两个方向变化要小，因此采用的平面二维数学模型进行模拟计算。其控制方程的形式为：

水流连续方程：

X方向动量方程：

Y方向动量方程：

以上各式中，t为时间，x,y为空间坐标，z为水位，h为水深，h=zzb，zb为河床高程，u,v分别为沿x,y方向的垂线平均流速，g为重力加速度，n为糙率系数，vt为湍流动能扩散系数。

利用有限元单元法来对控制方程求解[2～3]，基本求解过程为：

1)将控制方程分别在时间和空间上进行离散。其中时间离散采用差分法，空间离散采用有限元法；

2)通过伽辽金加权余量法将控制方程从偏微分方程转化为代数方程组；

3)根据边界条件和初始条件数值求解代数方程组。

2.1.1 研究范围及网格布置

根据拟建工程所处位置以及工程后可能引起的洪水位影响范围及资料情况，选取的计算区域为：全长约1.6km，其中桥轴线以上0.69km，桥轴线以下约0.91km。

工程河段主要采用三角形网格、桥墩采用四边形网格离散计算区域[4～5]。网格大小疏密沿河道河势宽窄变化不等，在拟建桥墩附近的网格进行局部加密，将桥墩作为内部边界处理。并对桥墩进行了概化处理，以尽可能反映其对工程河段水流条件的影响。本模型利用网格加密直接模拟桥墩形状，在建桥后将桥墩所在单元作为不过流单元处理。

整个计算网格共有网格节点7226个,单元3537个。模拟河床段平均糟率取0.035。模型研究范围及网格布置见图1。

图1 杨家坝大桥计算区域河段网格

2.1.2 数学模型的验证

桥位河段沿程设置6个实测水尺号，4段实测流速断面。有实测枯水瞬时水面线及流速、流向图，测量时间：2008年8月，实测水位为335.46m，对应流量为Q=345.00m3/s。

2.1.3 水位验证

枯水流量345.00 m3/s时，在计算模型试验段范围内3个水位水尺号误差均在0.03m以内，计算结果与实测数据吻合较好，满足精度要求。

图2 流量为345.00m3/s时流速验证

2.1.4 流速验证

本工程通过实测流速与模型计算流速进行对比，从各个断面流速计算结果来看，计算流速与实测流速误差一般小于0.1m/s。图2为2个典型断面流速验证图，验证结果表明模型计算结果与实测资料基本吻合，能正确模拟实测河道水流。

2.1.5 小结

本工程采用原型验证，工程河段水位、流速验证结果表明，计算结果与实测资料吻合较好。说明本文所建立的数学模型和采用的数值计算方法合理，模型基本能模拟实际河道的水流，可以进行下一步工程前后的行洪影响计算。

本工程计算洪水频率按1%，3.3%，5%，10%四种，相应的流量为15841m3/s，12250m3/s，10612 m3/s，8453m3/s。

图3为30年一遇洪水，相应流量为12250m3/s时，建桥后的断面流速分布图。

图3 洪水频率为3.3%建桥前后的断面流速分布图

2.2 壅水分析计算

工程后，某一洪水位下工程占据的有效过水面积与工程前相应水位的全断面有效过水面积之比，称为工程对过水面积的占据率或称面积缩窄率。

在计算的各种洪水位情况下，桥墩占据的过水面积最大为8.90%，最小为7.55%；可见工程占据的过水面积稍大，分析原因主要是边滩上副桥桥墩较多所致，建议将所有承台顶面高程降低至所在位置河床床面以下，以尽量减少过水面积占据率。

计算结果显示墩前局部区域水位的壅高值明显大于河道左、右两岸水位的壅高值，分析其主要原因是桥墩为局部阻水建筑物，所引起的壅水带有较强的局部性，桥轴线上游壅水，桥轴线下游水位略有跌落。但通常情况下，对防洪造成的影响主要是河道两岸的水位升高，该水位壅高值为评价行洪影响的主要因子。在各种计算组合工况下，建桥造成左岸水位的壅高值范围为0.163～0.213m，右岸水位壅高值范围是0.202～0.253m。与该河段在天然情况下水位的涨落幅度相比较，可以认为建桥引起的水位壅高是微小的。

2.3 冲刷影响

建桥后，受桥墩束水的影响，主桥桥孔中部及下游范围内水流流速增加，水流挟沙力增大，有利于稳定现有主槽；滩地流速则有所减缓，有利于滩地及岸坡稳定。总之会因水动力环境的改变而引起河床地形的相应调整，水动力改变大的地方，其地形调整的幅度也会大一些。

3 、结论

拟建桥位河段多年来河床形态变化不大，自然岸线固定，深泓平面摆动较小，河势稳定，具备建桥条件。数模计算结果表明，在各种组合工况下，工程的壅水范围小，对河道防洪水位的影响较小，对河道泄洪影响较小；建桥后流场变化主要集中在桥墩附近较小的范围内，对现有滩槽形势和河道演变趋势不会有明显影响，工程对所在河道的总体河势和局部河势稳定的影响较小；水位壅高与影响范围、流速大小与分布变化等的计算结果及现有河床组成情况与河床演变的综合分析表明，大桥的修建不会对该河段的防洪和河势条件产生明显的不利影响。

[1]SL252-2000水利水电工程等级划分及防洪标准[S]

[2]朱伯芳.有限单元法原理与应用[M].北京：水利电力出版社.1979

[3]王同科,时红霞.二维不可压Navier-Stokes方程特征混合有限元算法[J].山东大学学报(理学版).2002(6):221-226

[4]张华庆.河道及河口海岸水流泥沙数学模型研究与应用[D].南京：河海大学博士论文.1998

[5]张华庆，乐培九，杨细根.拟合坐标下平均二维水沙数学模型及其应用[J].水利学报.1998(3):39-43

Analysis and Evaluation of Flood Control of the Yajiaba Bridge of Bahe River of Bazhong City

Wen Cen1Wang Chun-xia2Jiang Jialiang3
1.southwest Hydralics & Transportalion Engineering Research Institute, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400016, China 2.School of River and Ocean Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China

YangJiaBa bridge is an important part of Sichuan Province highway network, engineering across the Ba river, the study of trends and flood impact has the vital significance.According to the measured data of recent river channel evolution analysis, the application of two-dimensional finite element water numerical model.related calculation and analysis, and determine the water level before and after the bridge-buliding, and water flow changes affect, backwater the results show that the bridge construction River after the flood, the two sides to meet the flood control flood control environment standard specification.

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.20.028

文岑（1970-），男，四川富顺人，主要从事港行研究。

防洪分析评价；水流；数学模型

analysis and evaluation of flood control; flow; numerical model