倒灌河段橋梁水文分析與計算

馮英杰張澤洲

（1.西北民族大學(xué)土木工程學(xué)院 甘肅蘭州 730124 2.蘭州有色金屬設(shè)計研究院 甘肅蘭州 730000）

倒灌河段橋梁水文分析與計算

馮英杰1張澤洲2

（1.西北民族大學(xué)土木工程學(xué)院 甘肅蘭州 730124 2.蘭州有色金屬設(shè)計研究院 甘肅蘭州 730000）

橋梁跨越支流，距支流與大河交匯處較近，大河上游建有水庫。通過對河流交匯處的水文分析，確定了橋梁設(shè)計洪水位。計算時既考慮了水庫對大河洪水的滯洪影響又考慮了大河倒灌對支流的回水影響，推算出合理的橋面設(shè)計標高。

設(shè)計洪水位 倒灌 水庫 設(shè)計標高

1 前言

劉家溝橋位于劉家溝支流上，距甘肅禮縣城區(qū)燕子河與劉家溝河交匯口僅15m。燕子河系西漢水的一級支流，是禮縣境內(nèi)西漢水上第四大支流。劉家溝河水主要來源于大氣降水，其中以雨水補給為主，雪水補給為輔，在橋位處匯入燕子河，見圖1。因此，設(shè)計時既要考慮劉家溝河的設(shè)計洪水流量，又要考慮燕子河水漲引起倒灌對劉家河水位的影響。

圖1 劉家溝橋位置示意圖

2 燕子河設(shè)計洪水流量計算

2.1 天然洪水分析

燕子河位于禮縣西北部，發(fā)源于岷縣東南雙燕山，自西北向東南流入禮縣境內(nèi)。流域面積764.Km2，流域海拔2875～1400m，平均比降1.9%。禮縣境內(nèi)流域面積542Km2，海拔2060～1400m，比降1.23%。上游屬中切割石質(zhì)山區(qū)，植被較好，降雨量較多，徑流系數(shù)大。

燕子河上游羅壩鄉(xiāng)苗家村峽口處1976年修建了苗河水庫，對燕子河洪水有一定的滯洪作用，所以計算橋址處燕子河設(shè)計洪水必須考慮苗河水庫的影響。

2.2 設(shè)計洪水分析10

橋址處設(shè)計洪水組成可以有以下三種情況：

（1）上、下同頻，區(qū)間相應(yīng)。即苗河水庫發(fā)生設(shè)計頻率洪水遭遇了苗河水庫～橋址處區(qū)間相應(yīng)的洪水后組成橋址處燕子河設(shè)計頻率的洪水。

（2）區(qū)、下同頻，上游相應(yīng)。即苗河水庫～橋址處區(qū)間發(fā)生設(shè)計頻率洪水遭遇了苗河水庫相應(yīng)洪水后組成橋址處燕子河設(shè)計頻率的洪水。

（3）其他比例組成，下游同頻。即苗河水庫～橋址處發(fā)生較大洪水，但都沒有達到設(shè)計頻率，二者遭遇后在下游橋址處達到設(shè)計頻率洪水。

對比以上三種情況，第二種對橋梁影響為最不利，因此，選擇第二種情況進行計算。

2.3 設(shè)計洪水計算

橋址處的集水面積F=11.4km2,苗河水庫集水面積F=421km2，苗河水庫～橋址處區(qū)間集水面積F=409.6km2。

通過兩種方法計算燕子河橋址處設(shè)計洪水：

（1）根據(jù)《甘肅省暴雨洪水圖集》提供的地區(qū)綜合經(jīng)驗公式計算：F=764.7km2，計算得P=1%，Q=1106.4m3/s。

（2）苗河水庫集水面積F=421km2，2000年安全鑒定復(fù)核成果P=1%，Q=790m3/s，以面積指數(shù)公式計算，指數(shù)n=0.67,計算得橋址處設(shè)計頻率洪峰流量P=1%，Q=1178.4m3/s。

以上兩種方法計算結(jié)果差別不大，考慮到苗河水庫1980年加固工程設(shè)計與2000年安全鑒定采用了多種方法計算復(fù)核，成果都很接近，經(jīng)分析本次設(shè)計采用第二種方法計算結(jié)果，天然情況下P=1%，Q=1178.4m3/s。

表1 苗河水庫設(shè)計洪水計算成果

由面積指數(shù)n=0.67，計算得苗河水庫～橋址處區(qū)間（F區(qū)=409.6km2）設(shè)計洪水Q1%=775.6m3/s，與此相應(yīng)的苗河水庫洪水為QM1=402.8 m3/s。經(jīng)過調(diào)洪計算，苗河水庫的下泄洪量為：QM2=1022.0 m3/s。

3 劉家溝設(shè)計流量計算

劉家溝寬約13～25m，溝兩岸基本為企事業(yè)單位和村莊。溝道狹窄，縱坡較大，在洪峰期產(chǎn)生泥石流，河床淤積很快，經(jīng)常堵塞，并在溝口已形成洪積堆、扇型的堆積區(qū)，對橋梁低級物質(zhì)及總體布置有一定影響。鑒于上述泥石流的影響，禮縣縣政府加大泥石流的防護措施，在劉家溝上游山坡植樹造林，在上游溝口修建攔河壩，把泥石流攔于山腳下，基本消除了泥石流的影響，設(shè)計時未考慮其影響。

3.1 徑流形成法

徑流形成法適用于匯水面積小于30km2的河溝，計算公式為：

式中：

QP—頻率為P的洪峰流量，m3／s；

h—徑流深度，mm；

z—被植被或洼地滯留的徑流深度，mm；

F—流域面積，km2；

β—洪水傳播影響洪峰流量的折減系數(shù)；

γ—流域內(nèi)降水不均勻影響洪峰流量的折減系數(shù)；

ψ0—地貌系數(shù)。

δ—湖泊或小水庫調(diào)節(jié)作用影響洪峰流量的折減系數(shù)。

根據(jù)《公路涵洞設(shè)計細則》確定各參數(shù)如表2。

表2 徑流形成法各參數(shù)

代入公式經(jīng)計算的設(shè)計頻率洪水流量：

3.2 經(jīng)驗公式法

式中：PQ—頻率為P的洪峰流量，m3／s；

F—流域面積，km2；

C、n—隨地區(qū)及頻率而變化的參數(shù)和指數(shù)，山地，當P=1%時C=22.0,n=0.621mm；

經(jīng)計算得QP=155.75m3/s。

兩種計算結(jié)果相近，考慮到洪水對橋梁影響的最不利情況取QP=155.75m3/s。

4 確定橋梁設(shè)計洪水位

4.1 設(shè)計洪水位分析

跨越支流的橋梁，當受大河倒灌影響時，根據(jù)大河和支流洪峰出現(xiàn)時間的不同，可以有三種不同情況：

（1）大河無倒灌，支流出現(xiàn)設(shè)計流量。

（2）支流為常水位時，大河出現(xiàn)設(shè)計洪水，向支流倒灌。

（3）大河倒灌后開始退水，支流發(fā)生設(shè)計洪水。

顯然第三種情況為最不利情況，根據(jù)調(diào)查和觀測資料證實，燕子河和劉家溝河同時出現(xiàn)洪峰的可能性很大，因此按第三種情況確定設(shè)計洪水位。

4.2 設(shè)計洪水位計算

考慮到劉家溝橋布設(shè)不應(yīng)改動既有防堤，橋址處已有高邊坡漿砌片石護堤，臨水面邊坡1：0.3，背水坡1：1.25。

實測劉家溝河橋址處河床標高1409.764m，河床比降Ic=0.025，穩(wěn)定河寬25m，河床糙率n=0.04。由天然狀態(tài)下Q1%=155.75m3/s，平均水深h=1.29，經(jīng)計算天然狀態(tài)下百年一遇設(shè)計洪水位H1%=1411.054m。

橋址距劉家溝河匯入燕子河匯合口15m，燕子河在劉家溝段Q1%=1022.0m3/s，護堤臨水面邊坡1：0.3，背水坡1：0.5，穩(wěn)定河寬90m，河床比降Ic=0.012，河床糙率n=0.04計算得，H1%=1412.004m。河流交匯口處流量在155.75m3/s時H=1410.524m。

根據(jù)鐵道部第三勘察設(shè)計院編著的《橋渡水文》，確定梁底和路肩標高采用受大河倒灌影響的回水水位，支流河口交匯處壅水高度

橋址處受到大河倒灌影響的回水水位為：H=1411.054+1.148=1412.202m。

5 橋梁縱斷面設(shè)計

5.1 橋梁總跨徑確定

劉家溝橋以上左右岸0+000-0+783及橋以下右岸0+783-1+252有漿砌片石護岸，且在樁號0+260-0+360段已有的高邊坡護堤，劉家溝現(xiàn)有的防洪堤高度已能滿足防洪設(shè)計要求，因此，考慮到劉家溝橋布設(shè)不應(yīng)改動既有防堤，設(shè)計為2 ×20m預(yù)應(yīng)力空心板簡支梁橋。

5.2 橋面標高確定

由于該橋位河段為不通航河流，且不考慮流冰，故只需計算設(shè)計水位控制的橋面最低高程。梁高取1.25m。

按設(shè)計水位計算橋面最低高程：

Hmin=1412.206+1.25+0.5=1413.956m

6 結(jié)語

受線路影響，橋位跨越支流，處于河流交匯口。支流和主河道均已修建防洪堤，主河道上游建有水庫，在不改變既有防洪設(shè)施的條件下對橋位處水文情況進行分析計算，計算過程中采用簡單計算、經(jīng)驗公式等多種方法相互校核，得出相對準確的計算結(jié)果，最后對橋梁的縱斷面進行了設(shè)計。與實際情況符合較好。

1. 李良杰.橋梁洪水設(shè)計流量分析及計算.公路工程[J]，2010，3.

2. 王小燕.黃河汛期倒灌渭河規(guī)律的分析.西北水資源與水工程[J]，1994，1.

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5. 黃新，金菊良，李帆.橋涵水文[M] .人民交通出版社,2006.

6. 鐵道部第三勘察設(shè)計院.橋渡水文[M]，中國鐵道出版社.1993.

7. 許念曾.橋涵水文學(xué)[M]，中國鐵道出版社.1989.

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.08.010

U442.3

A

1672-2469（2014）08-0028-03

10作者簡介：馮英杰(1978年—)，女，講師。