考虑回水影响的阻水桥梁防洪措施分析

张善亮 吴子晔 夏智渊

一、概述

泰顺县仕阳溪位于东南沿海山区，常遭受台风侵袭，暴雨汇流时间短，洪水来势迅猛暴涨暴落，由于上游缺少调蓄空间，能采用的防洪措施十分有限。在泰利、桑美、莫拉蒂台风中，仕阳溪沿线乡镇遭受较大洪水灾害，其中仕阳镇在泰利台风中最大淹没水深达1.7m。经调查，在仕阳镇下游河道较窄处有一座多孔拱桥跨河而建，该桥对洪水位抬升影响较大。为给仕阳镇防洪规划提供可靠技术支撑，在水动力模型中，通过涵洞概化阻水桥梁，有效模拟河道及卡口的阻水桥梁，并通过研究不同防洪措施，分析相应治理效果。

二、河道模型简介

在河道工程设计中，为得到满足设计要求的河道水面线，可采用基于圣维南方程的一、二维水动力模型，常用软件有MIKE11、MIKE21、HEC-RAS等。Szyd owski 采用有限体积法的显式格式，求解了描述非定常自由表面流的沿水深平均的N-S方程即二维浅水方程，能较准确地得到河道中的桥墩附近水流结构的详细信息。Ghostine等分别采用一维和二维模型对河道干支汇流进行研究，支持一维模型在给出某些参数时需依赖于经验且适用范围有限。王圆圆等采用MIKE21模型模拟了施工导流围堰工程，并通过物理模型试验进行验证，给出施工导流围堰的优化方案。Bhallamudi等采用MacCormack格式对变换坐标系中求解二维水动力方程，可较为准确地计算河道超临界和次临界混合流。Ladopoulos利用现代奇异积分方程方法，在通过有限差分法确定了特殊明渠过渡段的自由表面轮廓及水流的水力特性。二维计算常用软件有MIKE21、SMS等。

1. 计算原理

针对山溪河道特性，采用率定过的一维模型能获取较为准确的洪水位、流速等水力要素，与二维模型相比一维模型建立更为便捷，计算速度更快。对于山区城镇防洪规划设计而言，河宽往往比河长小的多，主要关注河道的洪水位、流速等水力要素，因此多采用一维模型进行分析计算。用于描述一维河道模型的圣维南方程组：

式中： Q为流量（m³/s），A为断面面积（m²），q为旁侧入流单宽流量（m²/s），α为动量校正系数，g为重力加速度（m/s²）， h为水位（m），C为谢才系数，R为水力半径（m）。

利用Abbott六点隐式差分格式求解圣维南方程，求解时，将河道离散成水位、流量相间的计算点。将桥梁壅水公式中计算出的Δh转化为圣维南公式中动能方程组的追赶系数的改变，最后求解线性差分方程组。

2. 桥梁壅水计算方法

在MIKE11中，对于桥梁壅水计算推荐采用涵洞加堰的方式，其中涵洞可以模拟任何形状的桥孔，并可适用于所有水流条件，包括完全淹没流、部分淹没流、临界流、孔流、自由出流等。一般而言小流量不会造成用水，只有当流量到达一定量级以上，才会因为桥梁阻水导致上游水位显著壅高。

三、计算案例

1. 防洪现状分析

泰顺县仕阳镇地处山区，暴雨汇流时间短，洪水来势迅猛暴涨暴落，上游缺少调蓄空间。仕阳溪仕阳镇段通过多年来的治理，防洪安全得到了有效改善，但局部河段仍存在一定的防洪安全隐患，需要对镇区河道的防洪安全进行全面的梳理，见图1。在河道下游建有石龙桥，见图2，该桥采用敞肩拱，在大拱两侧各加上三个小拱，增加泄洪能力，可减轻洪水对桥的冲击力。石龙桥处为河道最窄处，河道断面本身存在过水能力不足的问题，而在该处建造了石拱桥，即便采用敞肩拱，拱圈的阻水作用仍然很明显，导致河道行洪能力不足，影响了洪水期洪水顺畅下泄，容易引发洪水向两岸漫溢。石龙桥断面阻水为造成该河段防洪安全隐患的主要原因。为准确模拟石龙桥阻水作用，将实测石龙桥断面概化为若干个大小不一的涵洞，见图3，其中最大的涵洞（主孔）与河道断面形成的闭合圈，其余7个小涵洞分别表示石龙桥的1#至7#桥洞。

图1 仕阳镇防洪现状图

图2 石龙桥

图3 石龙桥概化图

2. 参数率定

一维模型通过历史洪水的率定，可提高模型参数的可靠度。2005年泰利台风期间，仕阳镇发生一场较大洪水，通过洪水调查获得沿线主要控制断面洪痕。同时根据同期实测短历时暴雨推算洪水过程，作为模型边界条件，对仕阳镇主要河段进行参数率定。通过调整断面综合糙率和涵洞概化桥梁的水头损失系数，对验证洪水位成果进行逐步逼近，最终获得模拟水位与洪调水位差值在0.02m以内。可见采用涵洞概化桥梁的方式计算河道水面线阻水效应是合适的。

表1 模拟水位与洪调水位对比表

3. 规划方案

仕阳溪下游规划有龟湖水电站，电站回水对仕阳的防洪形式有一定影响的。龟湖水电站近期正常蓄水位为255.00m，远期正常蓄水位为285.00m。为分析桥梁阻水成因及回水影响，主要考虑两种典型工况：近期工况，即龟湖水电站正常蓄水位为255.00m，龟湖水电站回水对仕阳溪仕阳镇段的无影响；远期工况，龟湖水电站正常蓄水位为285m对仕阳溪仕阳镇段影响较大。

（1）近期方案

由现状水面线的计算结果可知，仕水矴步下游至新建下沙港大桥下游不满足20年一遇防洪标准。淹没范围如图4所示，由于淹没区房屋密集，居民比较多，应采取相应的工程措施，经分析石龙桥是该河段主要阻水建筑物，由于该座桥梁为公益桥，拆除难度极大，结合实地考察，拟在石龙桥下开挖一条泄槽，泄槽宽度为43m，泄槽深度约为4m，泄槽底高程为277m。而下游的河道高低不平，河道底高程为280.87～283.12m不等，因此需要对下游河道进行疏浚，河道底高程疏浚至277m，见图5。故近期只考虑开槽方案。近期开槽方案工程投资较少。

图4 仕阳镇现在20年一遇洪水淹没范围示意图

图5 近期开槽方案示意图

近期因龟湖水电站正常蓄水位为255.00m，龟湖回水对仕阳镇没有影响，故不考虑龟湖水电站的影响。近期方案为开槽方案。

（2）远期方案

远期工况因龟湖水库正常蓄水位285.00m，开槽方案采用的工程措施在285m高程以下进行，对降低水位没有明显效果，故远期工况不考虑开槽方案。

为降低仕水矴步下游洪水位，保护全国重点保护文物矴步的防洪安全。拟定分洪方案，将仕阳溪上游杨梅岭处分洪650m3/s至下游漈头仔。

仕阳镇近、远期方案20年一遇规划水面线计算成果见下图。通过实施近期方案，可使得仕阳溪仕阳镇石龙桥以上20年一遇水位最多降低1.85m，防洪标准满足20年一遇。远期受回水影响，采用分洪措施，可使得石龙桥以上20年一遇水位最大降低1.13m，防洪标准满足20年一遇。

图6 仕阳溪规划水面线成果图

通过该案例，得到受回水影响阻水桥梁的防洪措施分析方法：当桥下为非淹没出流时，桥梁上游高水位主要原因为桥梁过水面积缩窄造成壅水，因此通过桥下开槽方式可增加过水面积较大程度降低上游洪水位；当桥下为淹没出流时，桥梁上游高水位是由回水顶托和桥梁壅水共同影响，而回水顶托为主要因素，因此采用开槽增加过水面积的方式对降低上游洪水位作用有限，需通过分洪措施减少洪水水面线的比降，整体降低防护河段水面线。

四、结果与讨论

采用多孔涵洞概化拱桥，并结合历史洪水率定参数，能较准确便捷地模拟敞肩型拱桥的壅水效果，对提出防洪改进措施有较强的指导作用，对受水库回水影响造成的桥孔淹没出流情况亦可获得较合理的结果。通过水面线分析可以发现造成桥梁上游高水位的主要问题，继而提出经济合理有针对性的防洪措施。