湘江干流长株潭段桥梁建设对河道行洪能力影响研究

年10第2019第月45卷5期

JIANGXIHYDRAULIC江西水利科技

SCIENCE&TECHNOLOGYVol.45No.5

Oct.2019DOI：10.3969/j.issn.1004-4701.2019.05-09

湘江干流长株潭段桥梁建设对河道行洪能力影响研究刘文博，宋文杰，石林，赵丽子

（湖南省水利水电科学研究院，湖南长沙410007）

摘要：湘江长株潭段桥梁众多，以往开展桥梁兴建对河道行洪能力影响分析时，大多考虑单座桥梁的影响，而河道众多

跨河桥梁会对河道行洪能力产生累积效应.本研究依托实测河道地形和水文资料，建立湘江干流长株潭河道平面二维水动力模型，在对模型进行验证的基础上，对比分析了4组不同来流条件下桥梁兴建前、后对水位的影响.研究表明，流量越大，产生的水位雍高愈大；单座桥梁对河道水位雍高有一定的影响范围，在已有桥梁河道上，兴建新的桥梁，需合理规划桥梁位置.

关键词：湘江；江心洲；水沙变化；冲刷；临界流量中图分类号：TV147

文献标识码：A

文章编号：（2019）1004-470105-0357-06

0引言

近年来随着经济社会快速发展和城市化进程加快，跨河桥梁建设等项目逐渐增加，河道范围内桥梁建设项目的管理工作越来越重。桥梁建设项目完成后，受河道内桥墩的影响，束窄了河道过水断面，导致桥梁上游河段水位雍高，洪涝灾害更易发生，进而危及两岸防洪安全，极大增加了防汛抢险的难度。为此，学者们针对过河桥梁兴建对河道行洪能力影响开展了大量研究，主要采用经验公式法[1-3]、物理模型[4]以及数

6]值模型[5，，尤其是数值模型，因其能有效模拟实际河

分析，因此，有必要探讨多座桥梁兴建以后，对河道行洪能力的影响。湘江长株潭段位于湘江下游，河道两岸为长株潭城市群，是湖南省经济发展与城市化的核心地区，近年来，在该河道兴建了大量的过河桥梁，因此，本文以湘江长株潭段为例，通过建立湘江长株潭段平面二维水动力学模型，探讨河段内桥梁兴建后对河道行洪能力影响，进而为促进河道管理的规范化，为水行政主管部门在涉水项目审批和监督执法方面提供技术支撑。

1河段概况

湘江是长江水系重要支流，也是湖南省境内最大的一条河流。湘江干流全长856km（如含濠河口耀城陵矶113km湖区湘江洪道则为969km），湖南省境内长在广西全州斗牛岭流入湖南，经苹岛、冷水滩、680km，

衡阳、株洲、湘潭、长沙至湘阴的濠河口注入洞庭湖，与资、沅、澧水相汇，沿东洞庭湖湘江洪道经岳阳至城陵矶入长江。平均坡降0.134译。湘江流域面积94660km2，其中湖南占90.2%，湖南省境内湘江流域面积占全省面

道情况，且精度较高，计算时间短，已得到广泛使用。如张震[7]基于MIKE21建立了淮河干流二维水动力数

学模型，研究了商合杭铁路淮河大桥对淮河干流等行洪影响，为大桥设计提供了理论依据；韩剑桥等[8]建立渭河咸阳段平面二维水流数学模型，研究了陇海铁路咸阳渭河桥改扩建工程对渭河行洪能力影响，研究表明可结合疏浚工程，增加过水面积，提升河道行洪能力。但是，现有研究大多是针对一座桥梁开展计算

收稿日期：2019-08-13项目来源：湖南省重大水利科技项目（湘水科计[2016]194-23）.作者简介：刘文博（1984-），男，大学本科，工程师.

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积的40豫。株洲至长沙段，属湘江下游下段。沿河多为冲积平原，河宽600耀1000m，平均坡降0.045译，具有平原河流特点。

研究河段位于湘江长株潭段，起于株洲水文站，止于长沙枢纽坝下靖港水文站，全长122km。研究河段左岸有靳江从长沙市区汇入，右岸有浏阳河、捞刀河从长沙市区汇入。按河床质分类属沙卵石和岩石浅滩，按平面形态分类有过渡、汊道和弯道浅滩。

图1研究河段地理位置

2资料和方法

2.1

资料

本文选取湘江控制站湘潭站长序列流量资料进行频率分析，水位数据采用靖港水位站数据，其他验证站点水位资料为长沙水位站、长沙枢纽坝上、坝下水位资料。采用2015年湘江河道实测水下地形资料建立水动力学数学模型。河段地形如图2所示。

根据调查，湘潭水文站至靖港水位站主要桥梁从下游至上游主要16座桥（1#~16#），分别为：S61（岳临高速）湘江大桥、长沙绕城高速G0401及附近铁路桥跨月亮岛、长沙市三汊矶大桥、长沙市福元路大桥、银盆岭大桥、橘子洲大桥、猴子石大桥、湘府路大桥、黑石铺大桥、长昆客运专线湘江大桥位于兴马洲上、沪昆高速湘

江大桥、莲城大桥、湘黔线湘江大桥、湘潭三大桥、湘潭一大桥。桥梁位置如图2所示。

图2

河段地形和桥梁位置图

2.2

方法

本文采用MIKE21建立湘江株洲水文站至靖港水

位站二维水动力数学模型，模型入口边界条件设置为流量边界，模型出口边界为靖港水位站水位。模型控制方程为：

水流连续方程为：

鄣鄣ht+鄣鄣hux軈+鄣鄣hvy軃=0

（1）

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水流运动方程为：

鄣鄣軈ut+軈u鄣鄣x軈u+軃v鄣鄣y軈u+g鄣鄣浊x+g軈u姨C軈u22h+軃v2=

vt鄣軃v鄣鄣2

軈鄣2u軈+軈u蓸軃xu2+軃鄣軃y2蔀（2）

鄣t鄣蓸鄣xv+v鄣鄣yv+g蔀鄣鄣浊y+g軃v姨C軈u22h+軃v2=vt鄣2

軃v+鄣2v軃（3）中：t为鄣x2时间鄣y2式；x，y为右手Cartesian坐标系；d为

静止水深；浊为水位；u，v分别为流速在x，y方向上的分量；C为谢才系数，n为曼宁系数；vt为紊动粘性系数；g为重力加速度；横线表示深度的平均值，軈u和軃v是平均深度的速度。

控制方程离散方法采用单元中心的有限体积法求解，计算网格划分采用三角形非结构网格，最大网格长度约为50.0m，对桥墩附近的网格进行局部加密处理，最小网格长度约为1.0m，计算域内共布置143934个网格。图3为桥墩周围局部加密网格。

图3桥墩周围局部网格

3结果

3.1

模型验证

水面线的率定采用2014年5月12日~6月24日湘潭水文站实测流量数据以及靖港同期水位数据，并采用湘潭水文站和靖港水位站2016年6月8日~6月24日表实测资料1给出率进定行和验验证证。

时期最高水位验证情况。通

过比较模拟水位和实测水位数据，可以看出模型与原型实测水位吻合良好，误差均小于依0.10m。图4和图5

为率定和验证期模拟和实测水位过程线对比。由图可知，率定和验证期模拟水面线与原型水面线吻合较好，特别是在高水期，表明本研究建立的二维数学模型可

以较好的模拟研究河段的水流情况，具有较高的精度。

表1水位验证表（最高水位）

m

流量水位测点实测值模拟值差值湘潭水文站34.14（2014

率定）

长沙水文站32.0634.22+0.08长沙枢纽坝下27.9232.09+0.03湘潭水文站

34.9828.04（2016验证）

长沙水文站32.5735.11+0.1232.50+0.13长沙枢纽坝下

28.3428.74-0.07+0.30（a）湘潭

（b）长沙

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（c）长沙枢纽坝下

图4

2014年率定水位过程

（5月12日~6月24日）（a）湘潭

（b）长沙

（c）长沙枢纽坝下

图5

2016年验证水位过程

（6月8日~6月24日）3.2计算工况确定

结合实测水位流量资料，分析不同频率下湘潭水

文站流量及相应的靖港站水位如表2所示。以往进行防洪影响评价分析时，仅探讨单座桥梁对河道行洪能力影响研究，未考虑其他已建成桥梁和待建桥梁对河道行洪能力的综合影响，因此，本项目探讨多座桥梁对河道行洪能力的综合影响，共设置4组对比情况。

表2工况设计表

组次频率/%湘潭水文站流量（/m3/s）靖港水位/m1

天然河道24座桥梁0.52600035.822天然河道24座桥梁12390035.753天然河道24座桥梁101830035.104

天然河道24座桥梁10

18300

33.70

3.3计算结果分析

为分析桥梁及长沙综合枢纽对河道行洪的影响，

根据其位置分别在各桥梁（长沙枢纽）上游附近选取特征点进行水位分析，如图6所示。

图6给出了不同来流条件下桥梁建成前后水位变

化。由图可知，整个河段在修建桥梁后，河段水位出现

第45卷第5期刘文博等湘江干流长株潭段桥梁建设对河道行洪能力影响研究

361（a）Q=26000m3/s，H=35.82m水位变化（b）Q=23900m3/s，H=35.72m水位变化

（c）Q=18300m3/s，H=35.10m水位变化（d）Q=18300m3/s，H=33.70m水位变化

图6不同来流条件下桥梁建成前后水位变化

不同程度的雍高。从整体上来看，在河段上游出现水位雍高大于下游水位雍高，且在长沙枢纽以下，河道水位变化较小。同时根据4组对比结果，桥梁建成后，不同流量下，水位变化趋势基本一致，水位雍高最大处均位于距株洲水文站35km处，在不同来流条件下，对应的雍高分别为0.238、之后，越往上0.206、0.165、0.154m，游，水位雍高越小，至株洲水文站处，水位雍高分别为0.158、0.156、0.155m和0.152m。由此可知，桥梁兴建

后，来流越大，造成的水位雍高越大。同时，在相同的来流条件下，下游出口水位越高，引起的河段水位雍高也越大。

河道上桥梁兴建后，影响的范围是有限的，在距株洲水文站55km处，200年一遇洪水雍高0.124m，而在其上游7km处，只雍高0.080m，其雍高减小明显，但由于在上游处又新建了桥梁，使雍高又加大至0.126m。因此，在已有桥梁河道上，兴建新的桥梁，需要合理规划桥梁位置。

4结论

本文通过建立湘江长株潭河段二维平面数学模型，根据实测资料对模型进行验证的基础上，开展桥梁兴建对湘江干流河段行洪能力影响研究。研究表明，湘江长株潭段兴建过河桥梁后，河道水位提升较为明显，在200年一遇来流条件下，水位最大雍高0.238m，影响湘江下游河道防洪安全。同时，研究表明，流量越大，水位雍高越大；而在相同来流条件下，下游出口水位越高，雍高也越大。此外，由于桥梁的累积效应，会使得水位雍高逐步加大，雍水范围逐步加大。因此，如何在已有桥梁上，合理规划桥梁位置，尽量使累积效应减少到最小，需要进一步开展相关研究。参考文献：

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编辑：张绍付

Studyontheinfluenceofbridgeconstructiononflooddischargecapacityof

Changsha-Zhuzhou-XiangtansectionoftheXiangjiangriver

LIUWenbo，SONGWenjie，SHILin，ZHAOLizi

（HunanInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch，Changsha410007，China）

Abstract：TherearemanybridgesovertheChangsha-Zhuzhou-XiangtansectionoftheXiangjiangriver.Inthepast，whenanalyzingtheinfluenceofbridgeconstructiononflooddischargecapacityoftheriver，theinfluenceofsinglebridgeismostlyconsidered，whilemanyriver-crossingbridgeswillhaveacumulativeeffectonflooddischargecapacityoftheriver.Basedonthemeasuredrivertopographyandhydrologicaldata，atwo-dimensionalhydrodynamic

modelofChangsha-Zhuzhou-XiangtansectionoftheXiangjiangriverisestablished.Basedonthevalidationofthebridgehasacertaininfluencerangeontheincreasementofwaterlevel.Inordertobuildnewbridgesovertheriverwhichalreadyhasmanybridges，itisnecessarytoplanthelocationofbridgesreasonably.Keywords：XiangjiangRiver；Eyot；Flow-sedimentvariation；Scouring；Criticaldischarge

翻译：刘文博

model，theinfluenceoffourgroupsofdifferentinflowconditionsonwaterlevelbeforeandafterbridgeconstructionis

comparedandanalyzed.Theresultsshowthatthelargertheflooddischarge，thehigherthewaterlevelis；single