桥梁建设对临近水文站的影响分析

1平原河道桥梁建设对附近水文站的影响分析陈静（上海勘测设计研究，上海200434）摘要：平原河道坡降小，水流较缓，如果在其上建桥，桥墩又必须设在河道内，由于桥墩的阻水作用，桥上游侧可能会产生壅水，下游侧则可能产生跌水，引起桥周围一定范围内水位、流速、流量及整个流场的改变。如果桥上、下游附近有水文站，则可能改变水文站测量数据系列的一致性及已建立的水位、流量关系，降低测量数据的精度，甚至影响水文站正常测验工作的实施。因此，必须分析建桥对水文站的影响程度，判断在该河道位置建桥的可行性。关键词：平原河道；桥梁建设；阻水；水文站；测验数据；测验实施1前言长三角地区是平原河网地区，河道纵横，河网密布。随着近几十年来经济的腾飞，本地区交通发展迅速，铁路、公路建设以惊人的速度展开，沪宁、沪杭城际铁路、京沪高铁、沪宁高速公路等如雨后春笋般走入了我们的差旅生活。在这个水网地区，这些公路、铁路所经之处，无法避免有桥墩位于河道之中，对河道产生阻水作用。如果河道上游或下游建有水文站，便有可能对水文站测验工作的实施及测验数据精度带来影响。水文站测验数据是水利建设的基础资料，关系到防汛抗旱等决策的正确与否，与国家和人民的生命财产息息相关。所以，必须对桥梁建设对水文站的影响进行分析，以确定桥梁建设是否会对水文站的测验工作及测验数据带来明显影响，为桥梁位置的正确选择提供依据。2研究内容和方法大桥桥墩布置于河道中，由于桥墩的阻水作用，桥上下游一定范围内流场会发生改变，可能会影响位附近水文站的测验数据，也可能影响测验实施等。为此，需分析研究桥墩建设对水文站测验断面和测验仪器布置的影响，计算各种水文条件下桥墩建设前、后水文站所在河道断面水位、流速、流量、流向等的变化，判断是否造成测验断面的冲刷，出现旋涡，形成变动回水等，弄清桥墩建设对水文站施测工作开展和测验数据的影响程度。水位、流速、流量、流向等计算可利用水流的连续性方程和运动方程，采用一维、二维和三维的水流数学模型形式进行求解。一维非恒定流模型可计算桥墩建设对水文站测验断面流量的影响；二维水流模型可计算对水文站测验断面水位、流速、流向及对河床冲刷的影响；三维模型可以计算水文站测验断面是否会形成紊流、旋涡，影响测验实施等。23苏震桃公路太浦河特大桥建设对太浦闸水文站的影响分析实例3.1苏震桃公路太浦河特大桥及水文站基本情况苏震桃公路为江苏省新一轮省道网调整中纳入的省道，是太湖东岸地区与浙江湖州之间重要的省际交通干线。其跨越太浦河的特大桥总长792.2m，3跨过河，在河道内设置2组桥墩，采用实体近椭圆形型式，桥墩宽×长为4.0m×10.0m。桥墩的纵轴与太浦河水流成4.5°相交。桥位距上游太浦闸水文站约170m。太浦闸水文站成立于1960年，属国家基本水文站，国家报汛站，位于太湖流域骨干河流太浦河河口，在太浦闸下游约1km。水文站现有监测项目有：水位、流量、雨量、蒸发、水质等。其中，水位和流量必须在太浦河河道上测量，一般每天测4次。设测船码头一座，测船一条，钢结构的水文缆道一套。采用水位计测水位；测流量首先采用走航式ADCP法（见图3.1-1），其次采用固定式ADCP法，每月用流速仪法测3~4次，对走航式ADCP法的测流结果进行校核。在其它测流方法都无法实施的特殊情况下，及时采用浮标法测流。水文站测验基本断面位于水文站处河道断面上。浮标法的上、下断面分别布置在基本断面的上、下游各700m处。太浦河特大桥位置和太浦闸水文站测验布置见图3.1-2。根据《中华人民共和国水文条例》，在国家基本水文测站上、下游建设影响水文监测的工程，建设单位应当采取相应措施，在征得对该站有管理权限的水行政主管部门同意后方可建设。根据《江苏省水文管理办法》，测验河段的保护范围为：水文测验断面的上、下游各1000m为界。在水文施测河段保护范围内，禁止设置影响施测的建筑物。拟建的苏震桃公路太浦河特大桥位于太浦闸水文站下游170m处，处于《江苏省水文管理办法》划定的太浦闸水文站测验河段的保护范围以内。图3.1-2太浦河特大桥和太浦闸水文站测验布置图3.2特大桥建设对水文站的影响分析特大桥建设对水文站的影响主要包括两个方面：一是是否影响水文站测验工作的正常开展，二是是否影响水文测验数据的可用性。需要弄清楚特大桥建设引起水文站河道断面水位、流量、流速、流向等方面的变化，从水文站测验工作实施、水文测验资料精度、水文资料的一致性问题及水位流量关系等方面，按照水文管理条例以及相关水文测验规范、规定等分析论证特大桥建设对太浦闸水文站的影响。3.2.1对水文测验实施的影响正常情况下，水位计测水位、ADCP法和流速仪法测流量，均在太浦闸水文站基本断面进行。测验基本断面布置在太浦河特大桥上游170m，特大桥位于水图3.1-1太浦闸水文站走航式ADCP测流实况3文站的水位、流量监测环境之外，大桥的建设不会影响水文站测验断面和测验仪器的布置，水文测验工作能正常开展。特殊情况下，其它测流方法都无法实施，太浦闸水文站将启用应急施测方案——浮标法测流。浮标法测量的上、下断面分别位于测验基本断面的上、下游各700m位置处，其中下断面位于特大桥下游，大桥的建设会影响目前浮标测流方法的实施。但是，由于浮标法测流是太浦闸水文站测流的备用方案，到目前为止，尚未启用过，采用固定式ADCP测流后，浮标法应用机率可能会更少，特大桥的建设也为桥上测流创造了条件，测流精度等于浮标法，桥上测流可以替代浮标法测流作为应急测流方案。另外，根据《河流流量测验规范》（GB50179-93）第2.2.10条，浮标法测流的上、下断面的距离应大于最大断面平均流速的50倍。太浦闸水文站测验河段河道顺直，流速不超过1m/s，则上、下断面的距离只要大于50m就可以实施浮标测流。这样，特大桥的实施实际上并不影响浮标下断面的布设。3.2.2对水文测验数据的影响（1）计算方法可以采用一维非恒定流模型计算桥墩阻水对水文站测验断面流量的影响，主要采用描述河道水流运动的圣维南方程组数学模型求解；二维水流模型计算对水文站测验断面水位、流速、流向及河床冲刷的影响，采用由荷兰Delft水力研究所开发的Delft-3D模型中的水流计算模块，即TRISULA模块，采用ADI法求解方程。Delft-3D是国际上较先进的水力学模型，是一个比较成熟的商业软件，国内有关部门在与荷兰进行技术合作时，曾多次将Delft-3D用于长江口、杭州湾及云南滇池等地进行水流、泥沙和水质（包括盐度）等方面的计算，取得较好的成果；三维模型计算水文站测验断面是否会形成紊流、旋涡，影响测量等，假定流体是不可压缩的，采用描述湍流运动的连续性方程和动量方程进行求解。（2）计算范围、断面划分计算范围：上边界取在太浦闸闸下，下边界离太浦闸约14km的平望。断面划分：一维按每100m布置一个断面，二维由模型自动生成正交曲线网格，三维的沿流向网格尺度为2m，桥墩附近均适当增加断面或增加网格密度。（3）地形资料及糙率系数取用1999年太浦河竣工断面图。参考本河段相关工程计算的率定成果和《水工设计手册》推荐的取值，糙率系数取n=0.0225。（4）计算条件及计算方案工程所在太湖流域防洪及水资源论证中，洪水典型主要采用1991年型和1999年型，供水典型为1971年型。1991年型是梅雨型洪水，超过1954年洪水；41999年也是梅雨型洪水，在新一轮太湖流域防洪规划中将其作为流域超标准洪水处理；1971年供水年型7～8月流域降雨量保证率为94％，在流域水资源综合规划中作为流域供水典型年之一。分析特大桥建设对水文站测验断面流量的影响时，选择太浦闸下泄水流量最大的1999年型洪水，上、下边界分别取用太浦闸最大流量时太浦闸闸下水位和平望水位作为控制条件。其它指标计算时洪水典型年选择1991年和1999年，将其实况洪水中太浦闸实际最大下泄流量和闸下水位作为计算条件；供水计算典型年选择1971年，选取太浦闸自流流量最大时对应的闸下水位作为计算条件。选择特大桥建设前、后两组计算方案。见表3.2-1。表3.2-1计算方案汇总表洪水年型边界控制条件工程前工程后流量(m3/s)水位(m)太浦闸下平望19914153.68√√19997464.284.04√√19713312.86√√（5）建桥前后水文数据的变化情况1）水位变化特大桥建设后，1991年型和1999年型洪水中，太浦闸水文站河道断面处水位壅高不大于0.3cm和0.5cm，1971年型干旱年的水位壅高不大于0.2cm。2）流速变化特大桥建成后，1991年型洪水、1999年型洪水及1971年干旱年型条件下，水文站所在河道断面处流速减小范围为0.03m/s~0.05m/s。大桥建设对水文站测验断面的流速影响甚小，不会引起该河段河床道明显的冲淤变化。各年型流速变化值分别见图3.2-1~3.2-3。3）流量变化根据1999年的实况洪水位计算桥墩处河道过水断面面积为805m2，同样水位时桥墩的阻水面积为40.8m2，阻水的面积比为5.1%。根据一维非恒定流数学模型计算结果，在假设特大桥建设前、后太浦闸闸下水位、平望水位不变的前提下，1999年型洪水中，建桥后太浦河的流量从建桥前的746m3/s减少到738.9m3/s，减幅0.95%。4）流线变化3.2-21999年水文条件工程前后流速变化等值线图3.2-31971年水文条件工程前后流速变化等值线图5根据三维水流模型计算结果，在1999年型洪水中，桥墩附近表面水流流线平滑顺直，不出现旋涡；中间水层在下游桥墩下游侧有少量旋涡；底流在桥墩下游面出现较明显的旋涡，旋涡集中在较小的范围内，不超过20m。特大桥建设前后太浦闸水文站所在断面各水层的流速分布规律相同，流速变化最大值不超过0.03m/s。特大桥建成后，太浦闸水文站测验断面不会因桥墩阻水产生明显的旋涡，不影响水文站流速仪的正常测量。建桥后桥墩区各水流层流线分布见图3.2-4~3.2-6。3.2.3对水文测验精度的影响分析精度是反映观测结果与真值接近程度的量。误差小的，精度高，两者有相反图3.2-5桥墩区底部流线的意义。根据《河流流量测验规范》（GB50179-93）第7.2.1条，当采用流速仪法测流并用平均分割法计算流量时，其误差包括下列内容：1）测深误差和测宽误差；2）流速仪检定误差；3）由测点有限测速历时导致的流速脉动误差（简称Ⅰ型误差）；4）由测速垂线测点数目不足导致的垂线平均流速计算误差（简称Ⅱ型误差）；5）由测速垂线数目不足导致的误差（简称Ⅲ型误差）。以上1）、2）项误差来源与特大桥的建设无关，另外Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型三项为随机误差和已定系统误差。特大桥建成后，水文站处水位、流速、流向的变化非常小，且没有影响施测的旋涡产生，因此流速脉动的范围非常有限，不增加Ⅰ型误差；对测验基本断面的冲淤也不产生影响，不需要改变其测速垂线和测点数目的布设，因此不增加流速仪法测流的Ⅱ型、Ⅲ型误差。走航式ADCP和固定式ADCP都是采用超声波原理进行流量测验。超声波测流能够测得全断面的瞬时流速、流量及其连续变化的过程，并可直接以数字或过程线形式显示。它不破坏天然水流状态，而且适用于受回水顶托、冰凌、潮汐和水工建筑物的影响导致水位流量关系不稳定的河段的测流。超声波测流有测低速和高速的能力，测流范围大。所以，太浦河特大桥的建设引起太浦闸水文站测验断面水位、流速、流量的变化都不会影响走航式ADCP和固定式ADCP测流的精度。浮标法测流的误差主要来自于：1）浮标流速的测验误差，由观测浮标流经上、下断面间距的误差和浮标运行历时的误差组成；2）用浮标法和流速仪法进行比测试验确定的浮标系数误差；3）断面分布数不足导致的误差；4）插补借用断面的误差。特大桥建设并不增加以上任何一项误差，基本不影响其测流精度。水文测验的精度一方面取决于仪器的灵敏度，另一方面取决于仪器的适用条件是否满足。特大桥建成后，太浦闸水文站所在河道的水位、流量情况仍能满足现有测验仪器的适用条件，因此其测验精度基本不受影响。63.2.4对水文资料系列一致性的影响水文资料的一致性是建立在同一成因条件上的。太