跨河桥梁防洪风险分析研究.pdf

No.2202357上海么缘SHANGHATWAYS（桥隧工程）跨河桥梁防洪风险分析研究何明星（上海市建筑科学研究院有限公司，上海2 0 0 0 3 2）摘要：合肥市是全国3 1个、全省5 个的重点防洪城市之一。为做好城区南肥河河道超标洪水情况下的重点跨河桥梁防洪应急工作，确保跨河桥梁处于安全受控状态，首先对合肥市进行近7 0 年来的降雨特性分析及洪水规律分析；然后对跨河桥梁防护设施进行风险调查；最后进行3 座重点跨河桥桥址处的水文要素调查分析、防洪空间状态分析及洪水状态下的受力分析。最终确定桥梁是否满足防洪设计要求。研究结果可为类似的跨河桥梁防洪风险分析提供参考。关键词：跨河桥；防洪风险；降雨；水文调查；受力分析0引言自古以来，我国就是洪涝灾害频发的国家，且洪涝灾害至今仍是最常见、破坏力最大的自然灾害之一。2020年以来，洪水使河南、四川、江西、湖北、重庆、安徽等2 4个省（直辖市）遭受到严重破坏，2 0 0 0 万余万人受灾，冲毁了安徽黄山屯溪老大桥、江西婺源彩虹桥、河北易县易河庄大桥、山西晋中昌源河南同蒲铁路桥等多座桥梁。因此，为确保城市桥梁工程的安全通畅，减少洪涝带来的巨大威胁，对跨河桥梁进行了防洪风险的分析研究，并及时采取相应措施，有效降低桥梁结构的防洪风险。研究结果可为类似的跨河桥梁防洪风险分析提供参考。1主要研究内容为确保合肥市南肥河上的3 座重点跨河桥梁防洪风险分析准确可靠，对合肥市近7 0 年来的降雨要素进行调查分析，并根据调查资料，计算桥梁洪水状态下的受力特性。主要的调查研究内容如下1.1降雨特性分析及洪水规律分析根据合肥市近7 0 年来的降雨基础资料，对合肥市的降雨特性和历史大洪水进行调查，以综合分析合肥市发生大洪水的规律。1.2桥梁防洪设施风险调查分析主要对河道内的防洪堤、防洪圈、堤身、阻水和淤收稿日期：2 0 2 2-12-14基金项目：2 0 2 0 年上海市科委优秀技术带头人计划项目：基于辅助视觉的在役桥梁智能检测与评估关键技术研究及系统集成与示范（项目编号：2 0 XD1432400）积情况进行调查。1.3桥梁防洪风险分析根据水文资料及竣工图纸调查结果，确定桥址处流速、桥梁阻水面积、雍水高度和设计洪水水位，并对桥梁的防洪空间状态和受力进行分析，最终确定桥梁是否满足防洪设计要求。2降雨特性分析及洪水规律分析2.1降雨特性调查及分析合肥市市区具有梅雨期长、总量大、范围广、年内分配不均、强降雨比较集中的特点。2.1.1年降雨特性统计通过对近7 0 余年来的合肥市基础降雨的资料统计和分析可知，合肥市平均年降水天数110 d左右，年平均降雨量10 0 0 mm左右，年最大降雨量17 0 0 mm左右，年最小降雨量5 0 0 mm左右，日降雨量大于2 mm的降水天数为7 0 d。合肥雨量站10 0 年一遇的最大2 4h、3 d、7 d 降雨量分别为2 8 4.4mm、2 9 0.5 m m、3 8 1.9 m m。2.1.22季、月降雨统计 1经统计分析可知，合肥市近7 0 年的雨量季节性比较明显，降雨主要集中在4月至8 月份，降雨量均超过了8 0 0 mm。11月至次年2 月份的降雨量较少，未超过全年降雨量的2 0%。降雨最多的是7 月份，年平均降雨量接近2 0 0 mm。6 月至8 月份是常年降雨的高峰季节，占全年降雨量的45%左右。2.1.3降雨特性分析据上述调查资料，结合中国气象科学数据共享服No.2202358上海么缘桥隧工程SHANGHAI HIGHWAY务网的中国地面国际交换站气候资料数据集，对降雨特性进行综合分析，得出如下结论。(1)合肥市多年平均降雨量为10 0 0 mm左右，降雨主要集中在4月至8 月份。其中，7 月份为降雨量高峰期，最易出现洪涝灾害。(2)合肥市近7 0 年来的年降雨量变化趋势明显，共计出现5 次较明显的突变，年降雨量呈总体上升趋势。(3)合肥市近7 0 年来的春季降雨呈下降趋势，夏季和冬季则呈明显的上升趋势。2.2历史大洪水调查2.2.1历史大洪水调查如下表1所示，合肥地区出现过8 次大水灾（超过南肥河警戒水位12.0 m），分别在19 5 4年、19 8 0 年、1983年、19 8 4年、19 9 1年、2 0 0 3 年、2 0 16 年和2 0 2 0 年等，占统计年份（19 5 0 2 0 2 2 年）的11.1%。历史上，水位超过14.0 m的年份存在5 次。最高水位在19 5 4年达到16.19 m，为部分南河上大桥的设计最高水位。表1南肥河历史洪水水情统计表年份水位/m出现日期195416.197月11日196912.527月15 日198014.457月18 日198312.397月2 4日198415.046月14日199114.567月10 日199811.597月3 日200313.097月10 日201612.807月9 日202014.757月19 日2.2.2洪水规律分析合肥市降雨特性、历史大洪水统计和南肥河警戒线对比见图1。不难分析合肥市洪水的发生规律：基本上，每10 年就有一次大洪水，每2 0 年就有一次特大洪水。大洪水大概率发生在每年7 月份的上中旬。17一历年最高水位16南河水位警戒线15141312111950195519601965197019751980198519901995200020052010201520202025年众图1南河历史最高水位和水位警戒线对比图3桥梁防洪设施风险调查分析本次桥梁防洪设施的风险调查分析主要针对南河河道堤防防洪情况、防洪圈堤封闭情况、堤身质量安全隐患、堤防高程、跨河桥梁阻水情况、河道淤积情况等进行调查，并分析和识别可能出现洪水超标风险的桥梁。4桥梁桥址处水文调查分析4.1桥址处洪水流量及流速取值根据调研结果，参考合肥市城市防洪规划报告(2007407）相关内容，南肥河干流设计洪水洪峰流量成果表详见下表2。表2 南肥河干流设计洪水洪峰流量成果表（单位：m%s)洪水重现期寿春路桥宋斗湾桥屯溪路桥100年800920920根据上述调研结果，考虑各桥桥址处最大洪水流量计算值，并通过图纸查阅，计算桥址处河床断面，进一步得到桥址处洪水重现期为10 0 年时的洪水流速计算值，具体见下表3。2023No.259上么缘SHANGHATHWAYS桥隧工程表3 洪水重现期各桥洪水计算流速结果表序号桥梁名称洪水流量计算值/（ms）河床断面计算值/m洪水流速计算值/（ms）1寿春路桥8004801.672宋斗湾桥9205521.673屯溪路桥9203722.48分析表3 可知，本次研究的南肥河3 座重点跨河桥梁桥址处的洪水流速计算值范围为1.6 7 2.48 m/s。为偏于安全考虑，3 座桥梁进行防洪分析计算时，计算流速统一按照上述的最大计算流速2.48 m/s乘以2 倍安全系数，即5.0 m/s。4.2桥址处设计洪水位取值为保证合肥市市区的防洪安全，加强全局防洪的统一调度，当南肥河遭遇百年一遇大洪水时(如出现南肥河上游的当涂路大桥下水位接近13.7 1m），若下游泄洪不畅而对上游出现明显的顶托现象，同时，天气预报合肥后续还有较大降雨，合肥防洪指挥部将有计划地在下游圩区进行泄洪，以控制上游当涂路大桥桥址处的水位在13.7 1m左右，从而保证合肥市市区的防洪安全。通过当涂路大桥桥址处的控制水位、前期调查的水文资料，以及桥梁竣工图纸，计算可得合肥市南肥河上的3 座重点跨河桥桥址处的百年一遇洪水位，如下表4所示。表4南肥河3 座重点跨河桥百年一遇设计洪水位序号桥梁名称百年一遇设计洪水位/m1寿春路桥14.072宋斗湾桥14.123屯溪路桥15.114.3木桥梁阻水面积和雍水高度计算桥梁防洪评价计算的主要内容包括雍水计算、冲刷与淤泥分析、河势影响分析、提防渗流和边坡稳定分析等。桥梁阻水面积及雍水高度均按百年一遇洪水位进行计算。其中，桥梁阻水面积考虑下部结构桥墩以及部分桥梁上部结构的阻水情况，雍水高度按Henderson公式进行计算，计算公式如下Z=(1+n)V2g2g(1)各系数含义如下：n一与桥墩形状相关的系数，矩形0.3 5,圆形0.18；V1、V 一桥位和河道断面的平均流速(m/s)。桥梁对河道泄洪能力的影响主要是从两方面来进行分析控制。一是阻水面积百分比，二是雍水高度计算。根据海委审批权限范围内涉河建设项目技术审查规定（试行）（海建管【2 0 13 3 3 号），新建、改建、扩建桥梁时，桥墩阻水比应不大于5%；跨越1、2 级堤防的,最大雍水高度控制在5 cm以内；跨越3 级及以下堤防的，最大雍水高度控制在7 cm以内；无堤防河段控制在10 cm以内。在百年一遇的洪水位下，宋斗湾桥桥址处的雍水高度为3.7 4cm；其余2 座桥梁由于无桥墩，且跨径较大，汛期洪水不会对其产生安全性及正常使用性能上的影响，故未对其进行防洪评价。5桥梁防洪空间状态分析根据收集的桥梁竣工图纸及复测资料，得出南河上3 座桥梁的上部结构最低点的绝对高程。如下表5所示。通过上部结构最低点高程、桥址处百年一遇设计洪水位，以及桥址处雍水高度等数据，对桥梁防洪状态进行分析，可知：南河上的3 座跨河桥均满足百年一遇防洪设计要求。具体对比分析详见下表5。表5 南肥河上3 座跨河桥防洪状态对比分析表序号桥梁名称上部结构最低点高程/m百年一遇设计洪水位/m桥址处水高度/m是否满足百年一遇防洪设计要求1寿春路桥15.2415.11是2宋斗湾桥14.6014.070.0374是3屯溪路桥14.4014.12/是60上海么路No.22023（桥隧工程）SHANGHAI HIGHWAY6桥梁洪水状态下受力特性分析6.1法洪水流速对桥梁作用力不确定性分析水流对桥梁的水平和竖直作用力不是固定值，和水流速度成正比，随水流速度的改变而改变。因河岸形状、河底糙度、河面风力等级、水流黏滞性和水流脉动、桥梁横断面外形等多种不确定因素，洪水的流速对桥梁结构产生的作用力有很明显的空间变异特性。当桥梁被洪水淹没时，由于桥梁截面高度远小于洪水水深，可认为桥梁处的流速在竖直方向均匀分布，并近似地用桥梁迎水截面高度中点处的流速代替实际竖直方向的流速。6.2桥梁上部结构洪水状态下受力分析Malavasi等 2-3 研究桥梁上部结构被淹没后，水流对桥梁的作用力，将作用于桥梁上的分布力用竖向升力、水平阻力和合力弯矩等集中力和力矩的形式来表达。KornelKerenyi等 4 通过模型试验，与FLUENT相结合，分析了桥梁在不同淹没深度下的竖向升力、水平阻力及合力矩，并给出了三个力系数与无量纲的相对没深度h的函数关系。本次研究采用这种方法来分析洪水对桥梁上部结构的作用力，其受力图如下图2、图3 所示。自重荷载水流方向洪水水平荷载洪水竖向荷载图2 桥梁上部结构受洪水荷载示意图水面流向水平作用力合力，合力矩！流速竖向升力合力图3 上部结构截面洪水作用力示意图根据文献 5 可知,洪水对桥梁上部结构的作用力以力系数的形式表达如下。Fp=CppAju()(2)Fi=CLpAzu()(3)M=1CmplW2u(a)(4)其中：Cp=2.7e-2-2.7e-0.75()+2.5(5)-0.65(h):7e(6)Cm=0.8(h)el-hp _ 0.07(7)各系数含义如下：Cp一桥梁阻力系数；CL一桥梁升力系数；CM一桥梁力矩系数；一水流密度；W一桥梁顶部宽度，l一单跨桥梁长度；（）一洪水流速；A1,A一垂直水流方向或平行水流方向的面积。计算分析可知，南河上的3 座重点跨河桥在百年一遇的设计洪水水位下，上部结构不会出现漂浮滑移及横移倾覆等风险。6.3桥梁下部结构洪水状态下受力分析桥梁下部结构破坏形式主要为桥墩损坏。桥墩破坏主要是自身承受洪水的冲击力、桥梁上部结构及活载的偏心力、漂流物撞击等外力共同作用的结果。对于墩梁固结的结构，还需考虑上端构造传递下来的洪水水平作用力和水平弯矩。根据文献 6 可知，桥墩自身受到的洪水水流作用可分为水平推力FL及竖向作用力FFi,=20gH(AH+2h-2(8)8Fu=pgV排(9)各系数含义如下：h一水位高度；H一河道雍水高度。通过计算可得：宋斗湾桥的桥墩高度较低，可推断出汛期时的洪水对桥梁下部结构的作用较小，不会出现桥墩墩顶横向位移量超过规范允许值的情况，桥墩被洪水冲毁的风险极低。寿春路桥和屯溪路桥为拱桥，无桥墩。No.2202361上海么缘上接第5 2 页）SHANGHTHWAYS桥隧工程7结语本项目以合肥市南河上的3 座重点跨河桥梁为依托，开展桥梁防洪风险分析，最终得出桥梁的防洪状态。主要的结论如下：（1)南肥河上的3 座重点跨河桥均满足百年一遇的防洪设计标准。(2)对城市桥梁防洪而言，防洪风险的分析必须综合考虑当地的降雨特性及大洪水的发生规律。需进行必要的防洪设施风险调查，并对桥梁结构的防洪空间状态及洪水状态下的受力特性进行分析，从而判断桥梁是否满足五十年、甚至百年一遇的防洪设计要求。今后，需进一步采用更多的洪水期实测数据来进行桥梁水文及受力的验证研究，以期为类似跨河桥梁的防洪风险分析提供参考。参考文献：1黄明,朱正南.近6 0 年合肥市降雨特性分析 J.安徽农业科学,2 0 15,43(14):2 2 8-2 3 0.2 Okajima A,Yi D,Sakuda A,et al.Numerical study of blockageeffects on aerodynamic characteristics of an oscillating rectan-gular cylinder J.Journal of Wind Engineering and IndustrialAerodynamics,1997,s67-68(4):91-102.3 Stefanou G.The stochastic finite element method:Past,presentand future J.Computer Methods in Applied Mechanics andEngineering,2009,198(9-12):1031-1051.4 Kerenyi K,Sofu T,Guo J.Hydrodynamic Forces on InundatedBridge DecksJ.Design Charts,2009.5谢建明.考虑流速空间相关性的简支梁桥洪水作用可靠度分析 D.重庆：重庆大学,2 0 16.6张林江.洪水作用下简支梁桥安全性分析研究 D.阜新辽宁工程技术大学,2 0 17.现状高压线高高压线大于8 米一水平距高大于15 米梁顶距高高压线约11米水平距高大于15 米一地面距高高压线19.116约2 2 米100000r限高杆爱柱顶标高人限高杆16.236/8.0597图15 高高压线下施工防护措施施工图参考文献：1王波,张立军,朱苟.浅谈超高压线下城市轨道交通现浇梁施工工艺研究 J.中小企业管理与科技(下旬刊),2 0 17(12):190-192+196.2李思明,文宇.短距离临近2 2 0 kV高压线钢箱梁吊装施工技术 J.交通建设与管理,2 0 2 2(0 2):9 2-9 3.3刘鹏举.铁路大型箱梁下穿5 0 0 kV超高压线运架梁施工技术 J.工程技术研究,2 0 2 1,6(0 4):10 6-10 7.4中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑结构荷载规范：GB50009-2012S.北京：中国建筑工业出版社,2 0 12.5周水兴,何兆益,邹毅松.路桥施工计算手册 M;北京：人民交通出版社,2 0 0 1.6中华人民共和国交通运输部.公路桥涵施工技术规范：JTG/TF50-2011S.北京：人民交通出版社,2 0 11.7中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑地基检测技术规范：JGJ340-2015S.北京：中国建筑工业出版社,2 0 15.8，中华人民共和国住房和城乡建设部.钢管满堂支架预压技术规程：JGJ/T194-2009S.北京：中国建筑工业出版社，2009.9柯利英,韦权,梁欢.高速公路现浇跨线桥有限净空门洞支架设计及施工技术 J.西部交通科技,2 0 2 2(0 4):10 8-111.the expressway 220 kV high voltage line large volume curve cast-in-place continuous beam,cast-in-place continuous beam above theexisting 220 kV Qingli,Qingjiu line,crossing Angle is 67 and 48.The power line in two places respectively from the originalground minimum height of 23.5 m and 23.92 m.In this paper,a complete construction scheme and process are proposed for the largevolume curve cast-in-place continuous beam under 220 kV high voltage line,and the structural design and calculation are carried outfor the structure system of the cast-in-place beam steel pipe Beret support.Ensure that the ZXH146-149 large volume curvecast-in-place continuous beam meets the construction safety,and provide reference for the subsequent construction of similarcast-in-place beam under high pressure line.Key words:high voltage line;large volume;curved cast-in-place beam;support designComparative Analysis of Anti-floating Engineering Measures for Vehicle Underpass Structures in Different GeologicalEnvironmentsAbstract:Due to the large size of the vehicle underpass,the anti-floating pile with stronger anti floating capacity is often selected asthe anti-floating engineering measures.However,for areas with good engineering geology,the economic effect of anti-floating anchor isbetter,and the construction is more convenient.In this paper,the anti-floating design of the vehicle underpass on both sides of a riverin Lvan City is carried out.Due to the different geological conditions on both sides of the river,the anti-floating engineering measuresfor different geological conditions are compared and analyzed,and the economic and reasonable anti-floating engineering measures areselected.Through calculation and analysis,it is concluded that in the vehicle underpass on the North Bank of the river with rock geo-logical conditions,the anti-floating anchor is more economical and reasonable;In the vehicle underpass on the South Bank of the riverwith soil geological conditions,the anti-floating pile is more economical and reasonable.Key words:anti-floating anchor;anti-floating pile;anti-floating safety factor;vehicle underpassResearch on Flood Control Risk Analysis of Cross River Bridges.Abstract:Hefei is one of the 31 key flood control cities in China and 5 in the province.In order to carry out emergency flood controlwork for key river crossing bridges in the case of excessive floods in the Nanfei River channel of the urban area,and ensure that the riv-er crossing bridges are in a safe and controllable state,the first step is to analyze the rainfall characteristics and flood patterns of HefeiCity in the past 70 years.Afterwards a risk investigation on the protective facilities of the river crossing bridge will be conducted.Hy-drological element investigation and analysis,flood control spatial state analysis,and stress analysis under flood conditions at the threekey river crossing bridge sites will be carried out in the final stage.Whether the bridge meets the flood control design requirements willthe ultimate objective.The research results can provide reference for flood control risk analysis of similar river crossing bridges.Key words:river crossing bridge;flood control risks;rainfall;hydrological survey;force analysisComparative Study on Iterative Calculation Method and Tensioning Scheme of Suspender Tension of Rigid TiedArchBridgeAbstract:In order to study the efficient calculation method for determining the tension of suspenders,a rigid tied arch bridge with amain span of 106 m is taken as an engineering case.Based on the numerical iteration theory,the nonlinear problem is transformed intoa series of linear problems,and an iterative calculation method controlled by a single index is proposed.By comparing the iterationtimes of five different tensioning schemes and the boom tensioning safety reserve,the best tensioning scheme is proposed and comparedwith the measured boom force data to verify the feasibility of the algorithm.The results show that different tensioning schemes can ob-tain the bridge completion Suspender Force that meets the requirements of engineering accuracy,but the safety reserve of suspendertensioning varies greatly.The best tensioning scheme is to select less iterations and higher safety reserve of tensioning;The iterativecalculation method has a wide range of application and simple algorithm principle,which is convenient for construction technicians tosolve the specific operation.It can be used as one of the tension optimization methods of arch bridge suspenders;Combined with themeasured data,the maximum deviation between the measured Suspender Force and the designed Suspender Force of the completedbridge is 7%,which meets the specification control requirements,and proves that the algorithm can be used for on-site constructionguidance.Key words:rigid tied arch bridge;boom tension;iterative calculation;tensioning schemeInfluence of Beam Transport Form on Stress Characteristics of Large Span Composite BeamAbstract:Limited by transportation and construction conditions,the construction of bridges in mountainous areas can adopt the con-struction method of integral prefabrication-beam transportation-hole erection.In order to clarify the influence of the form of transport-ing beam on the mechanical performance of composite beams,this paper takes the 60 m long-span steel-concrete composite beam ofthe main span of Qiwu Expressway in Jiangxi Province as the background,establishes the finite element model of the plate and shellWANG Guannan,CUI Yibin(53)HEMingxing（5 7)DINGXiangwen(62).GUO Jianchun,CHEN Zhiquan,ZHU Wen,ZHAI Yan,WU Penghui,SU Qingtian(68)