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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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2020-03-12
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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,朱立俊,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
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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: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
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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。
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