重庆市永川区长江公路大桥行洪评价分析2008.12.28

重庆市永川区长江公路大桥

防洪评价报告

长江水利委员会长江上游水文水资源勘测局

二OO九年四月

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批 准：罗以生

审 定：官学文

审 查：审 核：报告编写：主研人员： 代文良

张世明

刘德春 李俊

王瑞 肖中 赵东 彭万兵 岑静 樊琪虹曹磊 钟扬明 朱君国 王中川 张劲松 敖瑞华 许萍

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目 录

1概述.................................................................................................................................. 4

1.1 项目背景 ............................................................................................................ 4 1.2 评价依据 ............................................................................................................ 5 1.3 技术路线及工作内容 ....................................................................................... 7 1.4 其它 ..................................................................................................................... 7 2 基本情况 ........................................................................................................................ 8

2.1 建设项目概况 .................................................................................................... 8 2.2 河道基本情况 .................................................................................................. 13 2.3 现有水利工程及其它设施情况 ................................................................... 19 2.4 水利规划及实施安排 ..................................................................................... 20 2.5 工程河段防洪标准 ......................................................................................... 21 3 河道演变 ...................................................................................................................... 22

3.1 河道历史演变概况 ......................................................................................... 22 3.2河道近期演变分析 .......................................................................................... 22 3.3 河道演变趋势分析 ......................................................................................... 25 4 防洪评价计算 .............................................................................................................. 27

4.1 数学模型的建立 ............................................................................................. 27 4.2数学模型验证 ................................................................................................... 31 4.3计算条件 ............................................................................................................ 33 4.4水位影响分析计算 .......................................................................................... 35 4.6流速变化分析计算 .......................................................................................... 38 4.5桥位冲刷计算 ..................................................................................................... 41 5.1现有水利规划的关系与影响分析 ................................................................ 45 5.2 与现有防洪标准、技术要求和管理要求的适应性分析 ........................ 45 5.4 对河势稳定的影响分析 ................................................................................ 47 5.5对现有防洪工程、河道整治工程及其它水利工程与设施影响分析 .... 48 5.6对第三人合法水事权益的影响 ..................................................................... 48 5.7对防汛抢险的影响 .......................................................................................... 49 6 防治和补救措施 .......................................................................................................... 50

6.1 行洪安全….. .................................................................................................... 50 6.2 水源保护 .......................................................................................................... 50 6.3通航维护 ............................................................................................................ 50 6.4冲淤变化 .............................................................................................................. 51 7 结论与建议 .................................................................................................................. 52

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1概述

1.1 项目背景

重庆市永川区位于重庆市西南部，介于东经105°38′～106°05′北纬28°56′～29°34′之间。东与壁山县、江津市为邻，南与四川省合江、泸州相连，西与重庆市荣昌、大足为界，北与铜梁县接壤。全区幅员南北长70.75km，东西宽44.45km，土地面积1576km2。东距重庆63km，西离成都276km，历来为重庆西部和川东南地区重要的交通、通讯枢纽和人流、物流、信息集散中心。

重庆市被国务院列为“全国统筹城乡改革试验区”，统筹城乡发展成为区域经济、城镇化进程的主题。永川区作为全市六大区域性中心城市之一，是规划的100万人口大城市，拥有沿边（川滇黔）、沿江（长江）、沿经济发达带（成渝经济圈腹地）的重要区位优势。永川与泸州、宜宾、自贡、内江等城市形成了川渝经济合作的黄金三角，是重庆与成都经济带的战略支点，发展潜力很大。

由于历史的原因，永川是一个交通路网结构欠完善的地区，东西方向有成渝高速公路，形成了沿成渝线的经济走廊带，而南、北方向没有形成主干线公路，只有一条等外级公路到长江边，虽然右岸有一条渝泸高速公路，因没有过江通道，制约了沿江经济带的发展。

为推动永川区交通网络建设，2003年永川区就提出了修建永川区长江大桥的申请，并列入了国家发展改革委的《长江干流桥梁（隧道）建设规划》。由于当时经济实力不足，没有启动建设计划。目前，永川已经有了较好的经济基础，具备了建设永川区长江公路大桥的经济实力，所以提出建设永川区长江公路大桥的计划。永川长江公路大桥建成后，

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将位于长江南北的成渝高速公路和渝泸高速公路联系起来，成为合川—铜梁—永川—江津联络线和建设重庆市一小时经济圈的重要组成部分，对进一完善重庆市西部区域高速公路网络和长江上游过江通道的布局都具有重要意义。

按照《城乡总体规划》，重庆市将建设成为以主城、万州、涪陵等三个枢纽港为中心，永川、江津、合川、奉节、武隆等五个重点港区为依托，其它港区为基础的长江上游航运中心。由朱沱、松溉等作业区组成的永川港区具备建设深水码头的良好条件。永川长江公路大桥及其两岸接线的建设将为永川港区的建设和运营提供良好的交通基础设施和实现高速、快捷水陆联运的条件，有利于将重庆建设成为长江上游的航运中心。

重庆市永川区长江公路大桥的修建，将占据河道断面一定的过水面积，从而引起工程河段洪水位和流场一定的改变，尤其是洪水期，由于桥墩的阻水作用，会在工程附近局部范围内形成一定的壅水，从而导致工程河段的洪水位、流场甚至河势发生改变。为研究重庆市永川区长江公路大桥修建后对长江行洪能力及河势造成的影响，受重庆市永川区畅恒公路建设开发有限公司委托，长江委长江上游水文水资源勘测局承担了重庆市永川区长江公路大桥的防洪评价论证工作。

1.2 评价依据 1.2.1相关法律法规

（1）《中华人民共和国防洪法》（1997.8.29）； （2）《中华人民共和国水法》（2002.10.1）； （3）《中华人民共和国河道管理条例》（1988.6.10）；

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注桩，承台顺桥向和横桥向尺寸为20.3×20.3m。两个承台间设置一道高4m、宽6m的横系梁。

塔柱实心段及承台系梁采用抗渗纤维混凝土。

2.1.3.2主缆

全桥共设两根主缆，主缆间距为33.7m，每根主缆由85股预制平行钢丝索股组成，每股预制平行钢丝索股由91根直径5.2的镀锌高强钢丝组成，主缆钢丝采用标准强度为1670MPa的高强钢丝（松驰率≤8%，设计弹性模量2.0×105MPa），主缆空隙率：索夹内为18%（主缆理论直径为505mm），索夹外为20%（主缆理论直径为511mm）。主缆安全系数大于2.5。

2.1.3.3吊索

吊索纵向标准间距为12m，索塔处吊索距塔中心线16m，每个索夹下有两根吊索，全桥共有吊索280根，其中特殊吊索48根（特殊吊索指边跨短吊索及索塔处长吊索），普通吊索232根。吊索统一采用PWS平行钢丝索股，外套PE防护层，为减少吊索在锚杯口处的弯折疲劳，吊索锚杯口处设置氯丁橡胶浇制的缓冲器。普通吊索由73根φ5.2的低松驰高强钢丝(标准强度为1670MPa)组成，吊索外径为65mm，特殊吊索由209根φ5.2的低松驰高强钢丝组成，吊索外径为98mm。

2.1.3.4锚碇

A、北锚碇

北锚采用埋置式重力锚碇。由基础、锚块、鞍部、鞍部后浇段、后锚室和前锚室组成，后锚室在施工后期封填。前锚室顺索股中心方向长25m，前、后锚室间锚块顺索股中心方向长18m。锚碇基础基底位于弱

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风化泥岩上，基底高程为212.408m，基础顺桥向58.8m，横桥向49.65m。

锚固系统采用15-16环氧涂层钢铰线及配套锚具。拉杆采用40CrNiMoA钢，连接器采用锻钢45号优质炭素钢。

B、南锚碇

南锚采用扩大基础三角框架式锚碇。由基础、锚块、后锚块、散索鞍支墩、前锚室和后锚室组成，后锚室在施工后期封填。前锚室顺索股中心方向长25m，前、后锚室间锚块顺索股中心方向长18m。锚碇基础基底位于弱风化泥岩上，基底高程为203.642m，基础顺桥向38m，横桥向47.70m。

2.1.4 桥墩与水流关系

拟建大桥桥墩轴线与桥轴线基本垂直，墩轴线基本顺水流布置。经计算，洪水期桥位处流速、流向与桥轴线法线的夹角小于5°，且横向流速小于0.3m/s，交角相对较小，不存在明显挑流作用。

2.1.5 施工方案

拟建大桥为特大型桥梁，必须做到精心组织、精心设计、精心施工。开工前必须精心策划，认真做好施工组织设计，施工中应严格实行全方位监理和控制，严格按照国家和行业内部的有关规范和规定，确保按时、高质量完成大桥工程建设。

2.1.5.1 主桥下部结构施工

为有效控制施工工期，主桥的桥塔及锚碇同时动工。其中主塔基础安排在枯水期11～次年5月进行，采用钻孔灌注桩施工。经分析，在施工期11～次年5月，拟建大桥处10年一遇水位为197m。由于主塔处河

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床高程均高于枯水期10年一遇水位197m，故主塔基础采用岸上施工。

主塔身高度较高，塔柱内钢筋密集，截面复杂且沿塔高变化，施工难度较大，拟采用爬模法施工，其工艺流程如下:劲性骨架安装→钢筋安装→内外模提升安装→模板调整→砼浇筑养生→测量、控制→爬架提升。

2.1.5.2 主桥上部结构施工

（1)架设缆索系统

在索塔及锚碇施工完成后，缆索系统的施工流程如下：吊装主、散索鞍→架设牵引系统、猫道等→架设主缆及主缆缠丝涂装防护→安装索夹、吊索。

（2）安装钢箱梁

本桥钢箱梁共分划为80个梁段，中跨46个梁段，其中标准梁段44个，梁段长为12m，非标准梁段2段，梁段长为6m，位于南北塔根部，边跨梁段16个，其中标准梁段13个，梁段长12m，非标准梁段3个，南北塔根部各1个，锚碇无索区2个，梁长分别为6m、12m、9m；南北塔下横梁顶各有1段，梁段长为8m。

2.2 河道基本情况 2.2.1 河道概况

松溉河段属长江上游河段，河床宽窄相间，深泓线沿程起伏较大，岸线凹凸不规则，形态复杂。河床主要由岩石及卵石组成，岩石以砂岩为主，卵石粒径—般在10～300mm，河岸为原生基岩或不易冲刷的山坡，形成了稳定的边界条件。工程河段河势见附图2.2。

桥轴线断面枯水河宽约350m（Q=2230m3/s）,高水河宽约800m

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（Q5%=54500m3/s）。工程河段上段航道弯曲，右岸有羊背碛碛尾与左岸缆子梁等相对，枯水期航道狭窄；中、洪水期流态较坏。温中坝将河道分为左右两汊，右汊为全年通航汊道，左汊礁石密布，不通航。温中坝为江心洲，长约1270m，宽约480m。本段全年主流自朱沱镇循江心至缆子梁偏左岸下，出缆子梁后又沿江心下，至高滩转偏右岸下。

工程河段下段微弯，长江主流经哑吧碛（暗碛）分为左右两槽，右槽为中、洪水期主航道，左槽为枯水期主航道，出哑吧碛不远，河道合槽，右岸向外扩展形成姚坝。姚坝为卵石边滩，滩长1500m，宽190m，滩面高程约190m。

2.2.2 气象条件

拟建工程处于四川盆地中亚热带湿润季风气候区，气候温和，无霜期长，雨量充沛，四季分明，季风气候显著，全年日照少，湿度大，秋冬多霜日。具有雨量充沛，春早夏长，秋雨连绵，冬暧多雾的特点。据永川区气象局资料，多年平均气温18.4℃，最高温度41.3℃(1995年9月6日)，最低温度-2.3℃（1975年12月5日）；多年平均降雨量960mm，年最大降雨量1267.20mm（1967年），年最小降水量663.8mm（1958年），且分布不均，集中在5、6、7、8、9五个月，占年降雨量的69.3%。多年平均湿度为79%，多年平均风速为1.30m/s。区内气候的垂直分带较明显，随高度的增加年平均温度降低，雨量增大。历年常风向为NE向，平均风速1.6m/s，3～4月最大风速为1.9m/s，12月最小为1.3m/s，年静风频率28％，全年的三分之一为无风日，1982年5月12日最大风速达26m/s。

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2.2.3 河道水文泥沙

拟建大桥上游约4.9km处有长江朱沱水文站，中间无大的支流汇入或者汇出，因此选择朱沱水文站作为研究河段的基本控制站。

据1954～2007年资料统计（表2.3），朱沱站实测最大流量为53400m3/s(1966年9月2日)，实测最小流量为1920m3/s(1999年3月18日)，最大、最小相差28倍；1966年实测最高水位为216.98m（冻结），1999年实测最低水位196.18m（冻结），变幅达21.8m；

朱沱站多年平均洪水流量约37100m3/s，多年平均流量为8523m3/s,多年平均径流量为2662亿m3。径流年内分配不均，其中5～10月径流量占年径流量的79.1％。径流的年际变化不大，实测最大年径流量为3524亿m3，（1954年），最小为2099亿m3（1972年），最大、最小比值为1.67。

表2.3 朱沱站多年水沙特征值统计表

项目 水位 流量 单位 (m,冻结) (m3/s) 最大值 216.98 53400 3524 15.4 315 4.84 日期 1966.9.2 1966.9.2 1954 1972.5.28 1961.6.30 1998 最小值 196.18 1920 2099 0 0 1.73 日期 1999.3.18 1999.3.18 1972 1957.2.19 1957.2.19 1994 多年平均 200.09 8523 2662 1.16 9.8 3.09 统计年份 1954～2007 径流量 （亿M3） 含沙量 输沙率 输沙量 (Kg/m3) (t/s) (亿t)

朱沱站实测最大含沙量15.4 kg/m3(1972年5月28日)，多年平均含沙量为1.16kg/m3，多年平均输沙量为3.09亿t。输沙量的年际、年内变化与年径流分布规律基本相似，但年内分配比径流更集中。5～10月输沙量占年总量的97.0％，而7、8、9月3个月可达年总量的78.3％。年

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2.5 工程河段防洪标准

拟建大桥位于重庆市永川区松溉镇上游约1.5 km的松溉河段，根据GB50201-94《防洪标准》和《重庆市城市防洪总体规划》的有关规定，工程河段防洪标准可按20年一遇洪水执行。工程河段20年一遇设计洪水位成果见表2.5。

表2.5 拟建大桥特征水位成果表(黄海高程，m) 河道条件 天然情况 朱杨溪枢纽修建后 汛期 汛期枯水期汛末11月枯水期 频率P P=3% P=5% 98% P=5% 98% 71800 54500 2230 24000 2230 流量（m3/s） 217.91 213.54 192.65 213.60 213.36 水位（m） 注：大桥水位为计算得来 21

3 河道演变

3.1 河道历史演变概况

本河段为山区性河道，河床受两岸基岩的控制较稳定，但在长期的水流冲刷下，河床缓慢下切。据史料记载，距今二亿年前中生代的三迭纪时长江流域地势是东高西低，后经过三次造山运动，距今300万年时喜马拉雅山强烈凸起，聚于巫山黄陵背斜以西之水和东坡之水在侵蚀溯源作用下，最终切穿巫山褶皱，冲出峡谷，形成川江。川江河段在燕山运动中，岩层褶皱成“向斜’和“背斜”，加之出露的地质不同，在水流的作用下呈现出不同的河床形态。江水流经“背斜”地段时，坚硬的石灰岩抗侵蚀能力强，逼使水流沿着垂直裂隙向下切割，形成了深陷的谷槽，随着下切的加深和岩层的崩塌剥落，逐渐形成了两岸为万仞绝壁的峡谷；当江水流经“向斜”地段，由于页岩和砂岩的抗侵蚀能力弱，易受破坏，故江流向两侧扩张，河床运渐被侵蚀为宽谷。而宽谷河段两岸由不同的地质构成，受水流侵蚀各异，在江中形成了有碍航行的石梁、石盘、石咀，或江岸凹入成沱。后来在漫长的年代里，其基本维持河谷地貌形态，而河床在江水侵蚀下缓慢的下切。

3.2河道近期演变分析

长江松溉河段属于长江上游河段，河床组成大多为基岩，并夹有少量卵石，河床组成较为坚硬，水流对其侵蚀作用比较缓慢，对河床的演变起着一定的制约作用，所以多年来河床相对稳定。

本河段河床覆盖层主要是沙卵石，冲淤变化以悬移质为主，一般汛期6～9月是悬移质集中淤积的时段，主要淤积部位在弯道的凸岸边滩、

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碛坝下游、沱内的回流区、宽阔河段的缓流区以及分汊河段的支汊内；汛后10月开始走沙，随着水位的消落，水流归槽，淤积泥沙逐渐被冲刷，年际间冲淤相对平衡，基本无累积性变化。

为详细分析工程河段河床演变情况，本次河床演变共收集了49年间4次观测的河道地形，施测时间分别为1959年11月、1996年11月、2005年12月和2007年4月。分析河段上起观天，下止朱杨溪镇，全长约12.5km。附图3.1～3.9给出了工程河段的历年滩槽平面变化、河道纵横向变化图。

3.2.1 平面形态变化

从附图3.1可以看出，近50年来，松溉河段的各深槽170m和180m等高线无明显变化，说明松溉河段的各深槽是基本稳定的。

从洲滩的前缘190m、200m等高线看，由于桥区河段河床组成较坚硬，滩面基本固定，未发生明显冲刷扩展或淤积缩窄情况，等高线摆幅一般在20m以内，年际间洲滩长消相伴，说明工程河段洲滩近期相对稳定。

从附图3.2深泓线平面变化图可以看出，1959年、1996年、2005年、2007年深泓线平面位置呈相互交错或重叠状，局部变幅均较小，多年深泓平面走向基本一致，左右摆动不大，一般小于20m，表明该河段的深泓线多年来是基本稳定的。

从附图3.3深泓纵剖面变化图可以看出，河段泓纵剖面为锯齿状，深泓高程变化在168～190m之间，历年间变化幅度甚微，一般在2m以内，未出现大幅度的淤积抬升或冲刷下切，且深泓由冲淤导致的淤厚和刷深现象并存，总体上无冲或淤单向性发展的趋势。表明桥区河段深泓

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纵剖面基本处于稳定状态。

3.2.2 河床冲淤及横断面变化

为进一步分析工程河段近期变化情况，在工程河段选取了15个横断面（断面分布如附图3.4）进行比较分析，从15个断面变化图（附图3.5～附图3.9）比较可见，各年间河道横断面较为吻合，表现为断面形态基本一致，虽然断面因冲淤有所变化，但各处高程变化大小和范围有限，重合性较好，且断面形态变化无总体性发展趋势，年际间冲淤相间。

根据工程河段地形资料，采用断面法计算该河段1959至2007年间河道冲淤量，成果见表3.1。可以看出，1959～1996年期间，工程10km河段累计为淤，共淤积了235万m3，单位河长淤积量为23.5万m3；1996～2005年期间，工程河段累计为冲，共冲刷了145万m3，单位河长冲刷量为14.5万m3；2005～2007年期间，工程河段累计为冲，共冲刷了133万m3，单位河长冲刷量为11.3万m3。总体看，1959～2007年期间，工程河段累计为冲刷状态，共冲刷了43万m3，单位河长冲刷量为4.3万m3/km，河道平均冲刷厚度约为0.08m。说明本河段在近期虽有一定冲淤变化，但是不论淤积量或冲刷量都较小，冲淤速率较缓慢，且年际间冲淤相间，无明显单向性发展趋势。

表3.1 工程河段河段冲淤量计算统计表

河段 时间 1959～1996 1996～2005 2005～2007 1959～2007 注：正为淤积，负为冲刷 河段名 间距(km) 冲淤量（万m3） 单位河长冲淤量（万m3/km） 冲淤量（万m3） 单位河长冲淤量（万m3/km） 冲淤量（万m3） 单位河长冲淤量（万m3/km） 冲淤量（万m3） 单位河长冲淤量（万m3/km） 长江 10 235 23.5 -145 -14.5 -133 -11.3 -43 -4.3 24

综上所述，由于工程河段为典型的山区性河道，河床组成较为坚硬，两岸节点控制较好，近50年来，河道岸线较为稳定；河床洲滩、深泓纵平面和河道横断面除少数部位有所变化外，其余绝大多数部位变化均较小；虽然河道有一定冲淤，但量相对不大，且还有冲淤相间的现象，说明工程河段近期是基本稳定的。

3.3 河道演变趋势分析

从以上分析可以看出，天然情况下，拟建工程河段长期处于相对稳定状态，河床及河岸边界约束较强，河床冲淤变化不明显，滩槽稳定。

3.3.1三峡工程对工程河段河床演变的影响分析

据三峡工程泥沙研究，三峡工程正常运行30年末，水库回水在江津附近，距工程河段约60km，由于工程河段处于三峡变动回水段末端以上，故三峡成库后，工程河段的河床演变规律与天然情况基本一样。

3.3.2小南海枢纽对工程河段河床演变的影响分析

据小南海枢纽库区水面线计算成果，小南海枢纽运行10年末，水库冲淤基本平衡，回水末段在江津白沙镇附近，距工程河段约25km，故小南海枢纽成库后，工程河段的河床演变规律与天然情况基本一样。

3.3.3朱杨溪水利枢纽修建对工程河段河床演变的影响分析

规划的朱杨溪水利枢纽位于拟建大桥下游12km处。朱杨溪枢纽为低水径流式电站，规划正常蓄水位为215m（吴淞基面）。由于朱杨溪水利枢纽尚处在规划阶段，目前尚无正式的淤积设计成果。

朱杨溪水利枢纽与葛洲坝电站和小南海水利枢纽同属低水径流式电站，从葛洲坝电站运行情况和小南海水利枢纽泥沙淤积计算成果看，库区一般运用10年左右冲淤将趋于平衡，其近坝段区域的河床演变具

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有以下特点：（1）河道边滩和深槽将普遍淤积，边滩、回水沱、缓流区淤积厚度较大，宽阔河段淤积量大于狭窄河段，但河床淤积厚度有限；（2）河道深泓朝顺直微弯发展，但主流总体走势变化不大。由于拟建大桥处于规划的朱杨溪水利枢纽的近坝段区域，其河床演变趋势与葛洲坝电站和小南海水利枢纽基本相同。

3.4建桥对工程河段河床演变的影响分析

桥梁工程由于桥墩对水流的束窄阻水作用，使局部水流流态发生变化，引起相应的河床调整；同时，由于桥墩的分流和导流作用，可引起水流流向的局部改变，从而引起主流摆动和河床的演变。

拟建大桥占据的河道过水面积较小，小于1.8%，其束流作用不强；主流与墩轴线夹角较小，桥墩走向与水流流向较为一致，不会存在较大的阻水和挑流作用。数模计算表明，除桥墩附近水域的流场在建桥前后略有一定变化外，其余水域无明显变化，不存在建桥后引起主槽易位和摆动等河势改变的水流动力条件；桥墩附近水域流速虽有一定变化，但变化较小，天然情况20年一遇时，流速变化一般在-0.117～0.106m/s之间，朱杨溪水利枢纽修建后，流速变化更小。由于工程河段为山区性河流，河床组成较为坚硬，节点控制较好，因此流速的稍微增减对工程河段河床演变影响不大。

综上所述，在天然情况下，工程河段表现为典型的山区河道特征，河床及河岸边界约束较强，滩槽稳定，近期无明显变化。杨溪水利枢纽修建后，工程河段将出现累积性淤积，河床淤积厚度有限。由于工程河段河床多由岩石和砂卵石组成，抗冲能力强，大桥建设引起的流场变化不会对工程河段河床冲淤产生明显影响。

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4 防洪评价计算

由于工程河段的岸线、平面形态和水深变化较大，流态较为复杂，为研究拟建大桥对长江行洪能力的影响，有必要对该河段工程前后的河道水流条件进行数模计算。

贴体正坐标系的平面二维水流数学模型，可以较好地模拟复杂的河道边界条件，预测计算工程前后河道的水流流场。目前，二维水流数学模型已发展得较为成熟，计算精度较高，能满足工程分析需要。

4.1 数学模型的建立

4.1.1 贴体正交坐标系下的网格生成方法

采用拉普拉斯方程进行正交曲线座标的转换。设(x,y)为物理平面上的笛卡尔坐标系，(?,?)为变换平面上的直角坐标系，它们满足拉普拉斯方程：

?2x?2x?2?02???? (1) ?2y?2y??0??2??2 (2) 求解此拉普拉斯方程，即可获得河道贴体正交坐标系下的计算网格。在一个NE以(?,?)网格点为中心的控制体积中，见图a的数模网格示意图，方程可离散为： APxP＝AExE＋AWxW＋ASxS＋ANxNAPyP＝AEyE＋AWyW＋ASyS＋ANyN (3) WS图a 数模网格示意图 上式中的系数分别为：

27

1AE?(?E??W)(?E??P) (4)

AW?1(?E??W)(?P??W) ( 5) 1(?N??S)(?N??P) (6) 1(?N??S)(?P??S) (7)

AN?AS?AP?AE?AW?AN?AS (8)

4.1.2 水流运动方程

经过贴体正交曲线坐标方程转换后，由水流连续方程、?向和?向的动量方程组成的水流运动方程为式(9)～(11)。 (1)水流连续方程

?H1?1??(hvC?)?(huC?)?0?tC?C???C?C??? (9)

(2)?方向动量方程

?u1??tC?C??h43?C??C?????1?H22(Cu)?(Cvu)?vu?v??g???????????C???????1C?C??C??C?????(C?)?(C?)??????????????????????????

uu2?v2n2g (10)

(3)?方向动量方程

?C??C???v1???1?H22?(Cuv)?(Cv)?vu?u??????g?tC?C???????????C????vu2?v2n2gh43?1C?C??C??C?????(C?)?(C?)??????????????????????????

(11)

以上各式中，?、?分别为正交曲线坐标系中的两个正交曲线坐标；u、v

28

C?、C?分别为沿?、?方向的流速；h为水深；H为水位；g是重力加速度；

正交曲线坐标系中的拉梅系数，

22C?＝x?2?y?2，C??x??y?；???、???、???、???表示紊动切应力。

???

?1?uv?C???2?t???c??CC????????? (12) ?1?vu?C????C??CC????????? (13)

????2?t?

???????

?C???v?C???u??????????t??????C??CC??C?????????? (14) ??t是紊动粘性系数，?t=?u*h， ??0.3~0.5，h为水深；u*为摩阻流速。

4.1.3 数值计算格式和数值解

比较水流运动方程，它们可以表达成如下通用格式：

C??????C????????C?u????C?v???????????CC?C?????????t???????C???????C?????

15)

上式中?为扩散系数，C为源项。在数值计算时，只需对上式编制一个通用程序，所有控制方程均可用此程序求解。在对控制方程的差分离散和求解过程中，本模型采用了如下几项技术和方法。

(1)利用控制体积法离散上式，为解决压力梯度项和连续方程离散的困难，采用了交错网格的方法。

(2)在方程组离散时对对流—扩散项采用了幂函数格式。

(3)解各方程时，主要差别在源项，为了使方程收敛加快，对各方程的源项进行负坡线性化处理。

(4)对差分方程的求解采用了三对角矩阵法(TDMA)逐行求解。

29

(5)为了避免计算机截断误差引起的发散，在数值计算中采用了欠松弛技术，收敛标准：误差流量源与入口流量源之比小于1.5%。

4.1.4边界条件的处理

平面二维水流泥沙数模中，边界条件通常包括岸边界、进口边界、出口边界以及动边界等，本模型采用了如下边界条件。

（1）岸边界：该边界为非滑移边界，即u=0，v=0。

（2）进口边界：进口边界位于计算河段的进口断面，其?方向给定入流单宽流量沿断面的横向分布，即u(?)?h(?)?f(?)，并给定?v/???0。进口、出口断面一般布置在顺直、单一、无回流等特殊流态的河段。

（3）出口边界：计算河段的出口断面给定水位沿河宽的分布，同时给定流速边界条件?v/???0，?u/???0。

（4）动边界：根据网格节点处河底高程和水位，可以判断该网格单元是否出露水面，若不露出，糙率值采用正常值；若出露，糙率值取无穷大值。

4.1.5计算域的选取及正交网格的生成

根据工程所处位置以及工程后可能引起的洪水位影响范围，并考虑计算需要的进出口长度、实测验证资料位置，选取计算区域为饿鬼碛～斗笠子河段，全长约17km。

平面二维数模在计算域内共布置500×60个网格点，经正交计算后得到如附图4.1所示的正交网格图，网格线的交角除岸边个别节点以外均为88～92°，基本保持正交。

正交曲线网格沿河流方向间距12～55m，沿河宽方向间距为9～

30

40m，拟建工程沿河流方向界于网格号263～265＃之间。

4.2数学模型验证

数学模型建立的正确性由模型验证这个环节来检验，只有获得了验证的模型，其计算成果的可靠性才得以保证。为此，本模型对工程河段的实测水面线、断面流速分布进行了验证。

4.2.1验证采用的资料

模型验证所采用了如下资料：

（1）工程河段河床地形图(2007年4月测图，比例：1:5000)。 （2）实测中水瞬时水面线及断面流速（2008年6月施测，长江朱沱站流量Q=6480m3/s）。

（3）实测洪水瞬时水面线及断面流速（2008年9月施测，长江朱沱站流量Q=18200m3/s）。

（4）实测高水瞬时水面线及断面流速 (2005年7月21日施测，长江朱沱站流量Q=32500m3/s)。

工程河段实测水位点及流速验证断面位置见附图4.2、附图4.3。

4.2.2水位验证

根据2005年7月，以及2008年6月、9月三次实测水面线，对数学模型进行率定验证。从附图4.4a～4.4c对平面二维数模的计算水位与实测水位的比较可以看出，二者符合程度较高，水面线走势吻合较好；另从表4.1的水位偏差值可见，最大偏差在±0.05m之内，可见数模与实际情况吻合较好。

31

表4.1 水位验证表（黄海高程，m）

流量 水尺 编号 1# 2# 3# 4# 1# 2# 3# 4# 1# 2# 3# 4# 实测 水位 196.447 196.599 196.693 196.832 201.880 201.690 201.490 201.400 计算 水位 196.438 196.577 196.720 196.833 201.908 201.709 201.534 201.363 206.485 206.805 207.254 207.585 计算与 实测差 值（m） -0.009 -0.022 0.027 0.001 0.028 0.019 0.044 -0.037 0.025 0.035 0.014 0.035 水尺 编号 5# 6# 7# 5# 6# 7# 5# 6# 7# 实测 水位 196.927 197.078 197.258 201.320 201.210 201.120 计算 水位 196.962 197.056 197.247 201.285 201.165 201.083 208.097 208.272 208.469 计算与 实测差 值（m） 0.035 -0.022 -0.011 -0.035 -0.045 -0.037 -0.033 -0.050 0.029 Q=6480 (m3/s) Q=18200 (m3/s) Q=32500 (m3/s) 206.460 206.770 207.240 207.550 208.130 208.322 208.440 4.2.4流速验证

应用建立的水流数学模型，对工程河段验证流量进行二维流场数值计算。附图4.5a～4.5e对实测流速与数模计算流速进行了对比。从图可见，流速的大小和分布以及最大值、最小值的位置均与实测资料较为一致。各测点流速的计算值与实测值之间的差值大多在±0.15m/s内，个别差值较大的也在±0.25m/s以内，偏差差不多在±10％以内。水流数模模拟的流速分布及其大小与实际水流基本吻合。

二维数学模型中的糙率实际上是反映水流阻力的综合系数。在本次计算过程中，根据模拟河段实测的水文资料，按曼宁公式计算断面平均糙率，作为初始计算的糙率值，再考虑到糙率随水深有深水区比浅水区糙率小的变化趋势，因此，在计算中用节点水深对断面平均糙率进行修正，再根据水位、流场情况对糙率系数进行分段调试。利用该河段本次实测的水面线与垂线平均流速资料及相关成果进行综合调试，得到本河段糙率变化范围为n?0.035～0.055。

32

4.2.4模型验证小结

本水流二维数学模型，采用贴体正交曲线坐标，可克服模拟复杂河道边界形状的困难。通过工程河段水位、流速的验证，计算结果与天然实测资料较为一致。总的来说，二维水流数学模型的建立和数值计算方法合理，可用于拟建大桥修建前后的工程河段行洪计算。

4.3计算条件 4.3.1 朱沱站设计洪水

据长江历史洪水调查资料，朱沱河段共调查到1520、1892、1905、1917、1936、1948年洪水，上述年份的洪峰流量分别为73900、56800、64100、57700、62300、56300m3/s。1520年洪水年代久远，按其发生年代起计算至今（1520—2007），调查期N=488；从朱沱镇关溪子刻记及上下游洪痕对比来看，自1892年以来，朱沱河段的首大洪水为1905年，由于该河段洪痕较多，内容详实，记录连续，可以认为自1892以来调查和刻记没有遗漏大于或等于1948年量级的洪水，所以1936、1917、1892、1948年洪水可在1892以来N=113内，分列第二至第五位。根据收集到的朱沱水文站1954～2007年的实测年最大流量系列资料，实测样本容量为54年。经过特大值处理并采用P—Ⅲ型曲线目估适线法进行水文频率计算，得到朱沱水文站的各频率所对应的洪峰流量如表4.2，其成果与《重庆市城市防洪总体规划》报告相同。

表4.2 长江朱沱水文站洪水特征值

重现期T (年) 洪水频率P Q(m3/s) 水位（m，黄海） 300 100 50 20 10 5 0.33% 1% 2% 5% 10% 20% 71800 65300 60800 54500 49700 44100 219.46 217.99 216.75 214.91 213.50 211.80 33

4.3.2计算方案

拟建大桥位于永川区松溉镇上游约1.5km，大桥设计标准为天然300年一遇洪水。依据《防洪标准》（GB50286-98）和《重庆市城市防洪总体规划》，本大桥区域防洪标准可按20年一遇洪水执行，本次计算采用20年一遇和300年一遇2级洪水频率进行计算，同时对汛期常遇洪水也进行了计算。考虑到拟建大桥均处于小南海水库和三峡水库回水末段以上，但处于规划的朱杨溪水利枢纽库区，故拟建大桥的行洪分析计算考虑天然情况和朱杨溪枢纽建成后两种情况。由于规划的朱杨溪水利枢纽目前暂无设计和调度成果，故本次仅考虑朱杨溪枢纽建成后汛末11月长江遭遇20年一遇洪水情况。

模型出口饿鬼碛有朱杨溪水位站，天然情况下，该站不同流量水位根据水位流量关系确定。由于规划的朱杨溪水利枢纽目前暂无水库调度方案和库区水面线计算成果，故本次模型出口水位暂按枢纽正常蓄水位215m（吴淞基面）（213.36m，黄海基面）推算，成果见表4.3。

表4.3 数学模型计算方案一览表 河道条件 频率 汛期P=0.33% 天然情况 汛期P=5% 汛期常遇流量 朱杨溪枢纽建成后 汛末11月P=5% 流 量 （m3/s） 71800 54500 37100 24000 拟建大桥 水位 217.91 213.54 208.40 213.60 计算出口 水位 216.81 212.21 206.96 213.40 4.3.3工程前后地形边界的考虑、处理

目前拟建桥位上游约170m处有毛子岩取水工程、上游3.2km处有重庆理文造纸有限公司提水工程,上游约3.6km处有重庆港永川港区朱沱作业区一期码头工程，上游约4.9km处有朱沱水文站，下游2.5km处

34

有松溉码头，本次防洪评价计算时将已建以及天然河道共同形成的边界作为初始边界，在此基础上考虑本次方案情况。

为概化拟建大桥对河道水流运动的影响，根据大桥结构设计方案，计算过程中采用局部地形修正与局部糙率调整来进行概化处理，以反映大桥对水流运动的影响。

（1）大桥墩柱使过水面积减小，产生阻水作用，用过水率的概念来模拟这种作用，过水率为工程前后的过水面积之比。

（2）由于大桥墩柱的存在，增加了过水湿周，从而引起阻力的增加。假定单元内流速分布均匀、摩阻比降相同，用以下公式对局部糙率进行修正：

2??n1?h?np??n2?1?2??n??B? ???2???0.5式中：np为修正后的局部糙率；n1为桩壁面糙率；n2为河道糙率；h为水深；B为桩间距；?为糙率修正系数，取值为1.0～1.2。

4.4水位影响分析计算 4.4.1过水面积占据率

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。占据率是体现跨河及临河工程影响河道行洪能力的主要参数，在工程区域水流条件相同的情况下，过水面积占据率越大，对河道行洪的影响就越大。

本次行洪研究对拟建大桥在各级流量情况下的过水面积占据率进行了计算，其结果见表4.4。由表可见，在不同流量情况下，拟建大桥过水面积占据率变化在1.732%～1.760%之间，过水面积占据率均小于

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1.8%，说明拟建大桥占据的过水面积不大。

表4.4 拟建工程过水面积占据率（%）

河道条件 频率 汛期P=0.33% 汛期P=5% 汛期常遇洪水 汛末11月P=5% 桥址处 流量 3(m/s) 水位（m） 71800 54500 37100 24000 过水 面积(m2) 占据面 过水面积 积(m2) 占据率(%) 水下体 积(m3) 天然情况 朱杨溪枢纽建成后 217.91 213.54 208.40 213.60 21134 17388 13119 17473 372.35 303.35 227.35 304.94 1.760 1.744 1.732 1.745 7235 6593 6072 6611 表4.4统计了拟建大桥在各级水位下占据的水体体积，天然条件下，当长江遭遇300年一遇和20年一遇洪水及汛期常遇洪水流量时，拟建大桥占据水下体积分别为7235、6593和6072 m3；朱杨溪枢纽建成后，当汛末11月遭遇20年一遇洪水时，拟建大桥占据的水体体积为6611 m3。

4.4.2最大壅水高度以及壅水范围

桥梁的修建将占据了一定的河道过水断面，从而导致工程河段水位发生改变。通常，桥位上游水位将有一定程度的壅高。桥梁修建后最大壅水高度和壅水影响范围采用平面二维数模演算，各计算组合的最大壅水高度及其影响范围的计算结果见表4.5，工程河段工程前后的水位变化绘于附图4.6～附图4.9。

表4.5 方案实施后工程河段最大壅水高度与影响范围

天然情况 汛期P=0.33% 位置 Q=71800m3/s 汛期P=5% Q =54500m3/s 汛期常遇洪水 Q =37100m3/s 朱杨溪枢纽建成后 汛末11月P=5% Q =24000m3/s 壅水高度 影响范围 壅水高度 影响范围 壅水高度 影响范围 壅水高度 影响范围 (m) (m) (m) (m) (m) (m) (m) (m) 0.060 120 0.052 85 0.050 80 0.011 15 左主墩 0.070 140 0.056 105 0.054 95 0.016 25 右主墩 注：表中壅水范围按照墩前位置起算，以水位壅高不足1cm为歼灭点。

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从图、表可以看出，墩前局部区域水位的壅高值明显大于左、右岸水位的壅高值，主要是因为桥墩为局部阻水建筑物，其引起的壅水具有较强的局部性，一般为桥墩上游壅水，且墩前壅水最高，然后向上游和两侧递减，桥轴线下游水位略有跌落。受河道形态影响，拟建大桥右主墩水位变化比左主墩大。

由于拟建大桥跨径较大，占据河道过水面积较小，因而引起的工程河段水位变幅较小，影响范围较短。在天然情况下，当长江发生300年一遇、20年一遇和汛期常遇洪水时，工程河段最大壅水高度分别为0.070、0.056m、0.054m，壅水高度超过1cm的范围分别为140 m、105 m、95m；朱杨溪枢纽建成后，当汛末11月遭遇20年一遇洪水时，工程河段最大壅水高度分别为0.016m，壅水高度超过1cm的范围为25m。

表4.6统计了工程河段在各级流量下近岸水位的最大壅高值。在天然情况下，当长江发生300年一遇、20年一遇和汛期常遇洪水时，拟建大桥引起的右岸最大壅高分别为0.009m、0.005m和0.004m，左岸最大壅高分别为0.006、0.003和0.003m；朱杨溪枢纽建成后，当汛末11月遭遇20年一遇洪水时，拟建大桥引起的右岸最大壅高为0.002m，左岸最大壅高为0.001m。

由此可见，水位壅高值与工程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较小的。

表4.6 工程实施后工程河段近岸最大壅水高度(单位：m)

河道条件 天然情况 朱杨溪枢纽建成后 洪水频率 汛期P=0.33% 汛期P=5% 汛期常遇洪水 汛末11月P=5% 左岸 0.006 0.003 0.003 0.001 右岸 0.009 0.005 0.004 0.002 注：近岸指距水边约15m左右。

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计算成果还表明，在各种水流条件下，拟建大桥修建对上游约170m处的毛子岩松溉长江提水工程取水工程、上游3.2km处的重庆理文造纸有限公司提水工程,上游约3.6km处的重庆港永川港区朱沱作业区一期码头工程、上游约4.9km处有朱沱水文站以及下游2.5km处的松溉码头水位无明显影响。

4.6流速变化分析计算

由于大桥的修建，扰乱了河道的水流状态，将引起工程河段流场的改变。如果流速增加过多，将导致河道发生冲刷，带来安全隐患；而工程附近流速减小过多，又可能引起河道淤积，从而给这些工程的正常使用带来不利因素。因而工程前后工程河段的流场变化将是评价涉河工程优劣的一个重要因子。从本次计算的结果来看，由于拟建大桥跨径较大，桥墩占据的河道过水面积较小，因而流速改变不大，且影响的范围也不远，以流速变化大于1cm/s统计，天然情况20年一遇洪水时，流速影响主要在工程上游60m～下游420m区域内。

二维数学模型对工程方案实施前后工程河段的流场进行了模拟。附图4.10～附图4.17统计了工程方案实施前后的流场分布，表4.7、表4.8和附图4.18～附图4.21统计了工程实施前后流场变化情况。

由图、表可知，工程对流速的影响主要集中在桥墩附近的局部区域。桥墩上游的局部区域内由于桥墩壅水导致流速减小，桥墩下游因桥墩阻水流速也将减小，但桥墩下游的影响范围明显比桥墩上游大；桥墩之间的区域内由于桥墩挤压水流，流速增加。

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表4.7 左主墩区域流速变化范围统计 流速单位：m/s，范围单位：m

河道条件 天然情况 朱杨溪枢纽建成后 洪水频率 P=0.33% P=5% 汛期常遇洪水 汛后20年一遇 墩上游 最大减变化小 范围 -0.120 90 -0.094 60 -0.092 55 -0.05 50 墩下游 最大减变化范小 围 -0.136 510 -0.110 420 -0.109 375 -0.062 290 墩左 最大增变化范加 围 0.087 250 0.072 220 0.071 170 0.040 130 墩右 最大增变化范加 围 0.12 380 0.10 320 0.10 270 0.046 170 表4.8 右主墩区域流速变化范围统计 流速单位：m/s，范围单位：m

河道条件 洪水频率 P=0.33% P=5% 汛期常遇洪水 墩上游 最大减变化范小 围 -0.130 124 -0.102 85 -0.100 70 墩下游 最大减变化范小 围 -0.145 720 -0.117 580 -0.114 530 310 墩左 最大增变化范加 围 0.132 520 0.106 430 0.103 370 0.055 182 墩右 最大增变化范加 围 0.094 280 0.076 250 0.073 240 0.05 110 天然情况 朱杨溪枢纽-0.056 55 -0.070 汛后20年一遇 建成后 注：变化范围指流速变化大于0.01m/s的影响范围

（1） 左主墩：

在天然情况下，当长江发生300年一遇、20年一遇和汛期常遇洪水时，墩下游流速最大减小分别为0.136m/s、0.110m/s、0.109m/s，影响范围大于0.01m/s的影响范围分别在墩下游510m、420m、375m；墩上游流速最大减小分别为0.120m/s、0.094m/s、0.092m/s，影响范围大于0.01m/s的影响范围分别在墩下游90m、60m、55m；墩右侧流速增加最大分别为0.12m/s、0.10m/s、0.10m/s，影响大于0.01m/s的纵向范围分别为380m、310m、270m；墩左侧流速增加最大分别为0.087m/s、0.072m/s、0.071m/s，影响大于0.01m/s的纵向范围分别为250m、220m、170m。朱杨溪枢纽建成后，当汛末11月遭遇20年一遇洪水时，墩下游

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流速最大减小为0.062m/s，影响范围大于0.01m/s的影响范围在墩下游290m；墩上游流速最大减小为0.050m/s，影响范围大于0.01m/s的影响范围在墩上游50m；墩右侧流速增加最大为0.046m/s，影响大于0.01m/s的纵向范围为170m；墩左侧流速增加最大为0.040m/s，影响大于0.01m/s的纵向范围为130m。

右主墩

在天然情况下，当长江发生300年一遇、20年一遇和汛期常遇洪水时，墩下游流速最大减小分别为0.145m/s、0.117m/s、0.114m/s，影响范围大于0.01m/s的影响范围分别在墩下游720m、580m、530m；墩上游流速最大减小分别为0.130m/s、0.102m/s、0.100m/s，影响范围大于0.01m/s的影响范围分别在墩下游124m、85m、70m；墩右侧流速增加最大分别为0.094m/s、0.076m/s、0.073m/s，影响大于0.01m/s的纵向范围分别为280m、250m、240m；墩左侧流速增加最大分别为0.1320m/s、0.106m/s、0.103m/s，影响大于0.01m/s的纵向范围分别为520m、430m、370m。朱杨溪枢纽建成后，当汛末11月遭遇20年一遇洪水时，墩下游流速最大减小为0.070m/s，影响范围大于0.01m/s的影响范围在墩下游310m；墩上游流速最大减小为0.056m/s，影响范围大于0.01m/s的影响范围在墩上游55m；墩右侧流速增加最大为0.050m/s，影响大于0.01m/s的纵向范围为110m；墩左侧流速增加最大为0.056m/s，影响大于0.01m/s的纵向范围为55m。

计算结果还表明，拟建大桥修建后，在各种水流条件下，上游朱沱水文站、毛子岩提水工程、重庆理文造纸有限公司提水工程、重庆港永川港区朱沱作业区一期码头工程以及下游松溉码头流速无明显变化。

表4.9还统计了拟建大桥修建后工程河段近岸流速增加值，由表可

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