景德镇吕蒙大桥对市区河道洪水的影响探究论文
摘要：依据昌江景德镇市区河段防洪工程及其防洪功能现状， 采用对昌江中游渡峰坑水文站19522010年共59年洪水监测系列资料和1884、1916和1942年3个历史洪水调查资料， 并结合渡峰坑水文站下游鲇鱼山闸设计资料， 计算分析了20年一遇和100年一遇两种频率洪水吕蒙大桥对昌江景德镇市区河段洪水的影响。
关键词：吕蒙大桥； 洪水影响； 防洪影响； 昌江； 景德镇市区河段；
景德镇城市建设以“一城三区九大功能组团”的总体布局为纲领， 一城即指景德镇城区， 三区即指文博区、现代区、生态区。其中文博区包括历史文化街区组团、东郊组团、湘湖组团和浮梁组团， 现代区包括南河组团和吕蒙组团两个组团， 生态区包括昌南组团、洪源组团和罗家组团三个组团。各个组团之间通过各城市道路环线相联系， 形成有机的整体。
吕蒙大桥位于景德镇市的西南部， 处于吕蒙组团 （高新科技产业园） , 既是规划区通往瓷都大道与景德镇核心组团的唯一桥梁， 是吕蒙组团 （高新科技业园） 总装园商务街区与南河组团白果树街区的唯一跨江通道， 也是纵贯景德镇南北方向备用分流通道G206国道跨越昌江的咽喉要道， 在整个城市路网中的地位非常重要。
1 基本情况
吕蒙大桥老桥修建于1974年， 为6~36双曲拱桥， 总跨度216 m, 双向二车道。大桥2005年进行了改造， 改造达到的设计荷载等级为汽车-20级， 桥梁全宽9 m、净宽7 m, 无论在荷载等级还是桥梁宽度方面均不能满足过江交通量的需要， 成为景德镇市经济发展瓶颈。
吕蒙大桥老桥虽然在2010年再次进行大中修， 但经桥梁检测专业单位现场检测， 目前该桥技术状况评定等级为四类， 即为四类危桥。
为有效解决上述问题， 有关部门考虑到随着景德镇市地方经济和城市化发展， 来往车辆不断增多， 交通量越来越大， 经常发生堵车现象。现有荷载等级和桥梁宽度难以满足城市发展和群众生活需求， 吕蒙大桥应通过危桥重建工程的实施 （建设吕蒙大桥新桥） , 增加机动车道数量和非机动车道、人行道宽度， 桥梁荷载设计标准既要满足城市桥梁的城-A级标准， 也要满足公路的公路-I级标准， 以适应社会经济发展和城市建设需要。
吕蒙大桥新桥桥梁全长353.0 m, 桥梁中心桩号为K3+038;上部采用 （3×25+38+60+60+38+3×25 m） 预应力混凝土刚构连续箱梁， 全桥总宽度33.0 m, 北端与瓷都大道顺接， 南端直接接入S207省道 （老206国道） , 地理位置见图1.
图1 吕蒙大桥地理位置图
景德镇市吕蒙大桥危桥重建工程实施后， 完全消除了吕蒙大桥老桥存在的安全隐患， 有效解决了昌江区吕蒙乡与鲇鱼山镇之间重型车辆需要远距离绕行的.落后交通状况， 突破了景德镇市西南城区交通“瓶颈”, 对促进景德镇市社会经济更快更好发展均具有重要意义。
根据景德镇市发改委《关于景德镇市吕蒙大桥危桥重建工程可行性研究报告的批复》， 吕蒙大桥危桥重建工程将于2017年10月动工实施， 故吕蒙大桥对昌江景德镇市区河段洪水与防洪影响分析针对吕蒙大桥新桥进行。
2 洪水影响计算
2.1 桥梁横断面布置
吕蒙大桥新桥共11组桥墩， 2~7号桥墩处于河道中， 其中4~6号桥墩为主桥墩， 见图2.桥墩横向分两幅 （东、西各一幅） 对称布置， 同号桥墩中心连线与水流方向基本平行 （桥面中轴线与河道水流流向基本正交） .
图2 吕蒙大桥新桥中轴线及以上跨河桥墩布置图
主桥下部结构共有3个主墩 （4、5、6号墩） 和3个过渡墩 （2、3、7号墩） , 采用空心墩， 墩身尺寸宽11.25 m （顺水流方向） 、厚2.2 m （迎水面2.2 m） , 为长方形柱式墩， 墩身边缘 （迎水面边缘） 导圆；2、3、7号过渡墩采用薄壁墩， 宽11.25 m、厚1.8 m （迎水面宽度1.8 m） , 为方形柱式墩， 迎水面墩身边缘导圆。
2.2 设计洪水分析计算
1） 设计频率的取用。设计洪水计算中设计频率的取用原则， 主要依据洪水计算、分析目的确定。具体地说， 主要考虑吕蒙大桥防洪标准与大桥附近洪水防御标准。
依据《防洪标准》 （GB50201-2014） 规定， 吕蒙大桥新桥采用100年一遇防洪标准；根据《景德镇市城市防洪规划报告》， 目前吕蒙大桥所在区域洪水防御标准为20年一遇 （吕蒙大桥上游在建工程浯溪口水利枢纽建成后景德镇市城区河段防洪标准可由20年一遇提高到50年一遇） .据此， 本文设计洪水计算中设计频率取用20年一遇和100年一遇两种频率。
2） 设计洪水流量的分析计算。渡峰坑水文站离吕蒙大桥5.4 km, 分析计算吕蒙大桥桥址河道设计洪水时， 选择渡峰坑水文站为代表站， 采用该站1952~2010年最高水位和年最大流量资料开展计算与频率分析。
频率分析计算时， 采用P-Ⅲ型线型进行目估适线。渡峰坑水文站最大洪峰流量统计参数及各频率设计洪峰流量分析成果见表1和图3 （该成果与《江西省景德镇市城市防洪工程可行性研究报告》及《江西省浯溪口水利枢纽工程可行性研究报告》成果基本一致） .
鲇鱼山闸位于渡峰坑水文站下游12.7 km处， 闸址以上集水面积5 122 km, 渡峰坑水文站集雨面积5 013 km, 由于均在昌江干流上， 气候和下垫面条件基本一致， 同时区间面积仅为109 km, 且无大的直流汇入。因此， 水面线计算起始断面为鲇鱼山枢纽， 鲇鱼山闸流量根据渡峰坑水文站流量采用水文比拟法计算， 即按流域面积比的2/3次方进行比拟求得 （成果见表2） , 吕蒙大桥新桥位于渡峰坑水文站以下约5.4 km, 吕蒙大桥所在断面对应集雨面积约5 060 km, 断面流量采用同样方法确定。水面线计算采用的中间各断面的流量由起始断面 （鲇鱼山闸） 流量、桥梁断面流量和终结断面 （渡峰坑水文站） 流量按河段长度进行线性分配。
表1 渡峰坑站设计洪峰流量成果
图3 渡峰坑水文站年最大洪峰流量频率曲线
表2 渡峰坑、鲇鱼山枢纽不同频率洪水流量表
3） 设计洪水水位。前面通过频率分析计算得到了吕蒙大桥桥址断面的设计洪水流量， 对应的设计洪水水位需要采用上游渡峰坑水文站和下游鲇鱼山闸设计洪水水位， 通过设计洪水水面线计算方法确定， 结果见表3.
表3 水面线计算的设计洪水水位值
2.3 桥梁壅水计算
根据《景德镇市吕蒙大桥危桥重建工程方案设计》 （江西省交通设计研究院有限责任公司， 2017年2月） 确定的吕蒙大桥新桥建设方案， 吕蒙大桥新桥在老桥就地重建， 以老桥下游 （西侧） 边缘为新桥中轴线， 大桥桥位走向 （轴线方向） 与水流方向基本垂直， 2~7号桥墩处于河道过水断面内。桥位处100年一遇洪水时， 洪水位为33.59 m, 河道过水面积为3 592 m, 桥墩阻水面积184.7 m;20年一遇洪水时， 洪水位为31.14 m, 河道过水面积3 009 m, 桥墩阻水面积155.3 m.
1） 壅水高度计算。由于桥墩的阻水作用， 大桥的兴建会引起河道洪水位的壅高。水位雍高值采用水面线法计算， 采用近似公式法 （指《铁路工程水文勘测设计规范 （TB10017-1999） 》中介绍的壅水计算方法） 复核， 结果见表4.
表4 不同方法计算的吕蒙大桥新桥最大壅水高度计算结果比较
由表4可以看出， 采用河道水面线法计算的壅水值， 比铁路工程近似公式法计算的壅水值稍大， 本文推荐采用河道水面线法计算的壅水成果， 作为吕蒙大桥新桥桥址断面壅水高度， 即100年一遇洪水最大壅水高度为0.07 m, 20年一遇洪水最大壅水高度为0.05 m.
2） 壅水长度。吕蒙大桥新桥桥址处壅水对河道影响的长度， 采用《桥梁水文》 （人民交通出版社， 2008年12月第四版） 和《公路桥涵设计通用规范》 （JTG D60-2004） 中推荐的回水长度计算方法， 公式为
式中：L为壅水曲线全长， m;△Z为最大壅水高度， m;i为水面比降。
根据100年一遇洪水的△Z=0.07 m及洪水水面比降i=0.345‰， 求得L=406 m.
20年一遇洪水的△Z=0.05 m, i=0.321‰， 求得L=312 m.
计算结果表明， 吕蒙大桥新桥建设造成的100年一遇洪水的壅水影响长度为406 m, 20年一遇洪水的壅水影响长度为312 m, 表明吕蒙大桥壅水影响范围较小。
2.4 冲刷深度分析
1） 一般冲刷计算。一般冲刷深度采用《公路工程水文勘测设计规范》 （JTG C30-2015） 推荐的桥下断面一般冲刷 （64-2简化） 公式进行计算， 结果见表5.
2） 局部冲刷计算。部冲刷深度采用《公路工程水文勘测设计规范》 （JTG C30-2015） 推荐的桥墩局部冲刷公式 （适用于v>v0情况的65-2修正式） 进行计算， 结果见表5.
表5 吕蒙大桥新桥冲刷深度计算结果及其组合
3） 冲刷综合分析。《公路工程水文勘测设计规范》 （JTG C30-2015） 规定：“桥梁桥台冲刷应包括河床自然演变冲刷、一般冲刷和局部冲刷三部分。在确定基础埋深时， 应根据桥位河段情况， 取其不利组合作为基础埋深的依据”.据此， 以上面计算的一般冲刷与局部冲刷中的最大者， 作为吕蒙大桥新桥不同桥墩处 （2、3、7号桥墩和4~6号桥墩附近河床） 不利冲刷深度， 即2、3、7号桥墩100年一遇洪水不利冲刷深度为4.34 m, 20年一遇洪水不利冲刷深度为3.64 m;4~6号桥墩100年一遇洪水不利冲刷深度为4.90 m, 20年一遇洪水不利冲刷深度为4.11 m.
3 防洪影响分析
3.1 对行洪安全的影响分析
吕蒙大桥新桥位于昌江下游上段， 河道内布置有6组桥墩， 中间3组 （4~6号墩） 为迎水面导圆的空心墩， 两边5组 （南侧8~10号墩， 北侧0~1号墩） 为迎水面导圆的薄壁墩， 且每组桥墩连线与水流方向平行， 桥墩承台在河底以下。桥梁建成后， 虽然各组桥墩布置与水流方向一致， 迎水面导圆桥墩阻水作用相对较小， 河底以下承台无阻水作用， 但由于桥墩组数较多， 桥梁上游河段将产生壅水。计算表明， 吕蒙大桥新桥建设后， 在遭遇100年一遇洪水和20年一遇洪水时， 桥墩阻水面积比 （桥墩阻水面积/建桥前过水断面面积） 分别为5.1%和5.8%.吕蒙大桥新桥桥位附近河段水位最大值壅高分别为0.07 m和0.05 m, 说明吕蒙大桥新桥对河道行洪产生一定影响， 但影响程度较小。尤其是与老桥相比， 100年一遇洪水和20年一遇洪水的壅水高度均接近， 无明显升高。
根据设计方案， 初步拟定施工期为24个月， 计划2017年10月开工建设， 2019年9月建成通车。桥墩工程施工安排在枯水期进行， 中间4~6号3组主桥墩水下部分及其墩台基础采用钢板桩围堰的方法进行施工， 两侧桥台基础施工按常规方法进行。
从近60多年来渡峰坑水文站资料看， 吕蒙大桥桥址附近枯水期未出现过20年一遇的洪水位， 加上钢板桩围堰阻水面积相对较小， 说明枯水期即使出现洪水， 洪水位壅高值一般小于建桥后20年一遇洪水的水位壅高值， 即洪水位壅高值应该在0.05 m以下。因此， 吕蒙大桥新桥在施工期对河道行洪安全影响较小。
3.2 对现有防洪工程影响分析
吕蒙大桥新桥桥位附近防洪工程主要有南桥头西面的吕蒙防洪大堤， 防洪标准为20年一遇洪水。吕蒙大桥新桥的设计防洪标准为100年一遇， 桥梁各部位高程均按照防御100年一遇洪水的要求布置， 故吕蒙大桥新桥不会增加现有防洪工程的防洪负担。
吕蒙大桥新桥建成后桥位以上100年一遇洪水和20年一遇洪水的洪水位分别壅高0.07 m和0.05 m, 影响长度分别为406 m和312 m, 由于所产生的壅水值相对较小， 影响河段较短， 且现有堤防不在壅水影响范围 （吕蒙大堤在吕蒙大桥下游） .因此， 新桥建设对附近防洪工程防御洪水能力没有影响。
由于新桥桥墩所占河道行洪断面较小， 因此由流速变化所引起的对两岸堤坡的冲刷影响较小， 只要采取适当防护措施， 其不利影响即可消除。工程建设对桥位所在河段的平面形态基本不产生影响， 对河道河势稳定影响较小， 对附近圩堤防洪功能无不利影响。
应该注意的是， 8、9号桥墩的西边一幅座落在吕蒙防洪大堤两边， 虽然不直接占用堤防断面， 但其施工对两边堤脚容易造成不利影响， 必须采取相应的防护措施， 以消除新桥8、9号桥墩施工对吕蒙大堤起始段的不利影响。
3.3 对防汛抢险的影响分析
《江西省河道管理条例》规定“有关跨越河道的桥梁和栈桥等建筑物的梁底必须高于设计洪水位， 并按照防洪的要求留有一定的超高”, 结合《堤防工程设计规范》 （GB50286-2013） 和《水利水电工程水文计算规范》 （SL278-2002） 有关净空高度要求， 确定圩堤堤顶与跨越圩堤建筑物梁底的净高为不低于4.5m.
新桥南、北两侧沿河公路上面桥梁梁底高程分别为35.36 m和35.91 m, 南、北两侧桥下现有公路高程分别为30.85 m和30.80 m, 新桥梁底高程分别比南、北两侧桥下现有公路高出4.51 m和5.11 m, 表明大桥南侧 （左岸） 和北侧 （右岸） 公路以上、桥梁以下净空均满足防汛抢险交通对净高的要求。
新桥桥位河段主航道位于4~6号桥墩之间， 桥址断面20年一遇设计水位为31.19 m, 而4~6号桥墩桥面高程在40.16 m以上， 梁底高程在36.06 m以上， 梁底最低高程高于设计洪水位5.17 m, 最大高程高于设计洪水位5.62 m, 说明桥梁主跨可通行较大船只， 在大洪水时对水上救生和防汛抢险救灾无不利影响。
3.4 老桥对防洪影响的调查分析
吕蒙大桥上游4.2 km处建有官庄大桥 （2011年4月竣工通车） , 下游4.1 km处正在建设航空大桥 （又称飞虹大桥， 主体工程2017年4月前完成， 计划2017年10月竣工通车） , 经历了2011年较大洪水和2016年大洪水， 调查表明， 这两次洪水中和洪水过后， 桥址河段均未发生圩堤滑坡、岸坡坍塌等现象， 河床也无明显变形， 说明吕蒙大桥老桥和附近官庄大桥与飞虹大桥对附近河流与岸线无明显不利影响。而吕蒙大桥新桥是在拆除吕蒙大桥老桥的桥址上重建的， 其水下桥墩阻水面积、雍上高度与老桥相近， 只是桥面进行加宽。由此推测， 吕蒙大桥新桥建设对桥址河段河道形态与岸线及附近防洪工程不会产生新的不利影响。
4 结语
吕蒙大桥新桥建设基本不减少河道过水断面， 对通航、行洪影响很小， 基本不破坏原河床地貌形态、不污染河水， 防洪风险较小。
为有效减小老桥拆除对河岸和堤防的损坏， 应先人工凿除两岸桥台， 再定向爆破中间桥体 （包括桥面、桥墩、承台与桩基） .老桥残骸必须尽快彻底清理， 可请求有关部门利用昌江中游控制性工程， 为吕蒙大桥老桥残骸清理提供短期特别枯水条件。
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