錦州機場路小凌河特大橋水文計算分析

陳林(遼寧省交通規劃設計院)

錦州機場路小凌河特大橋水文計算分析

陳林
(遼寧省交通規劃設計院)

摘要:通過對橋位處小凌河流域組成的調查分析，對不同流域采用了不同的方法計算設計流量，最終計算出橋位處300年一遇的設計流量。通過得到的設計流量，對小凌河特大橋的橋長、橋面高程、沖刷進行計算分析，為設計方案提供基礎的設計資料。

關鍵詞:小凌河特大橋;流量計算;橋位計算

中圖分類號:U442

文獻標識碼:C

文章編號:1008－3383(2015)04－0136－02

1　工程概況

小凌河特大橋是錦州機場路的控制性工程，橋址位于小凌河流域下游，距離入海口約7．8 km。

小凌河是遼寧省西部較大河流之一，該河發源于朝陽縣的助安喀喇山，自西北向東南流經朝陽、連山、凌海、錦州等市、縣(區)，于凌海市娘娘官鄉南注入遼東灣，干流河長206 km，流域面積5 153 km2。

小凌河流域呈長方形，東西長90 km，南北寬60 km，地勢自西向東，由南北向中部傾斜。小凌河山河營子以上，河流穿行山谷之間，河道彎曲，兩岸植被較差，河床比降為1．27‰～1．52‰。自山河營子以下河道進入丘陵及沿海平原區，河床比降為1．13‰左右。

2　水文計算要點

由小凌河流域示意圖可以看出，橋位處設計流量可以分為四個區間:小凌河干流匯流處;女兒河匯流處;百股河匯流處;匯流處至橋位區間。對四區間根據流域情況按不同方法分別計算300年一遇的設計流量，然后對四部分設計流量進行疊加，最終確定橋位處的設計流量。

橋位上游約3．6 km處小凌河有分岔，根據現場調查，洪水時該岔分擔約20%左右的洪水流量。根據《錦州龍棲灣新區小凌河防洪方案論證報告》中建議封閉該支汊，洪峰流量全部由主河道承擔，計算橋位處水位及流速時，偏安全考慮，橋位處流量采用計算的洪峰流量，不進行折減。

橋孔長度及壅水、沖刷均采用現行規范公式計算。其中橋孔長度除采用公式計算確定外，還按照橋位處地形、并參考上下游橋梁情況，以及水利部門的意見綜合確定。

3　設計流量計算

3．1小凌河干流匯流處設計流量

錦州水文站位于小凌河干流匯流處上游約6公里處，可以根據錦州水文站的觀測資料數據按數理統計法推算其設計流量。由于水文站資料內大洪水較少，因此把洪水調查和水文站觀測的年最大流量資料按不連續系列進行處理。其中1930～1953年為調查期，1954～1998年為實測期，則在調查期N =68年內有特大洪水a =4項，其中有L =1項是發生在n =33年的實測系列之內的，則a = 4項特大洪水的經驗頻率按PM = M/(N +1)進行計算，實測系列中其余的(n－ L)項的經驗頻率按進行計算，經計算得到經驗頻率。

根據經驗頻率在海森機率格紙上經驗頻率點群分布，采用適線法繪制理論頻率曲線。首先確定統計參數，Cv和Cs:其中= 1 751．456 m3/s，Cv = 1．374，通過試選，稍微加大Cv值，取Cv =1．55，Cs =2．1Cv，

繪出相應的理論P－Ⅲ型頻率曲線，經過與經驗頻率點群分布比較發現，理論頻率曲線與點群總體分布配合較好。則最終統計參數= 1 751．456 m3/s，Cv = 1．55，Cs = 3．26。根據《橋位設計》則可計算出錦州水文站處300一遇的設計流量為Q0．33%=17 220．7 m3/s。

錦州站年最大洪峰流量PⅢ型曲線適線圖

由于錦州水文站處匯水面積為3 076 km2，小凌河干流匯流處匯水面積為3 150 km2，兩者相差極小，且全流域暴雨分布均勻，區間無分洪、滯洪，可采用流域面積比擬法，來推算匯流處P =0．33%的設計流量，即: Q0．33%= (3 150/3 076) ×0．75×17 220．7 =17 530．468 m3/s。

3．2女兒河匯流口處設計流量

根遼寧省洪水調查資料匯編，女兒河烏金塘站處歷史洪水排第一位為1930年，洪峰流量為3 960 m3/s，第二位為1949年，洪峰流量為2 990 m3/s。可以計算出1930年洪水頻率P1930=2/(2 014－1 849 +1) =1．205%，1949年洪水頻率P1949=3/(2 014－1 849 +1) =1．807%，

考慮錦州站與烏金塘站屬同一流域，故可以與錦州站采用相同統計系數Cv及Cs。根據《橋位設計》公式Q0．33%= QP1%×K0．33%/KP1%。其中KP= Cv×Φ+ 1。分別根據《橋位設計》查取各頻率的Φ值，即可根據1930年和1949年頻率下洪水流量分別計算出相應的設計洪水流量。兩者取大值，最終烏金塘站處Q0．33%=5 466．6 m3/s。

由于烏金塘站處匯水面積為925．2 km2，女兒河匯流處匯水面積為1 490 km2，流域區間暴雨分布均勻，區間無分洪、滯洪，可采用流域面積比擬法，來推算女兒河匯流處P = 0．33%的設計流量，即: Q0．33%= (1 490/925．2)×0．75×5 466．6 =7 814．692 m3/s。

3．3百股河匯流口處流量

根據調查，百股河有記載的洪水分別為1949和1994年，其中1994年洪水后百股河河道治理后與現行河道變化

較大，如采用形態斷面法得出的流量與1994年實際流量差別較大，故對百股河采用利用暴雨資料及全國水文分區等方法計算設計水位。

(1)采用遼寧省經驗公式: Q1%= 0．278×φ1%×F× S1%÷τn。其中河道參數匯水面積F =331．9 km2，主河道長度LZ=30．588 km，主河道平均縱坡IZ= 4．12%，其他參數分別根據遼寧省水文圖集可以得出，最終計算結果Q1%= 1 051．993 m3/s。

(2)采用全國水文分區經驗公式: Q1%=(K1%/K2%) K×Fn。其中匯水面積F =331．9 km2，查遼寧省洪峰流量Cv等值線圖得Cv =0．55，其中Cs/ Cv =2．5，根據橋位設計可計算出K1% = 2．79，K2% =2．48，最終計算結果Q1%=953．53 m3/s。

(3)采用楊則乙遼寧省公路小橋涵設計流量計算公式Q2%=0．278×ф×S2%×F/τn。其中S2%= H24×K2%×24n2－1，τ= K1×(L/J0．5)m，其中參數Cs/ Cv =3．5，Cv =0．55，歷年暴雨均值H24=90，其他參數根據相關圖表得出，最終Q1%=1．2×Q2%=1 100．328 m3/s。

根據以上三種方法比較，最終取Q1%=1 051．993 m3/s，則百股河匯流口處設計流量Q0．33%= Q1%×K0．33%/K1%= 1 162．168 m3/s。

3．4匯流口至橋位處處流量計算

匯流口至橋位處距離30．7 km，屬于沿海平原區，該流域面積為177 m2，洪水計算采用采用黃淮海平原洪峰流量公式及采用平原區排水模數法比較驗證。

(1)采用黃淮海平原洪峰流量公式: Q1%= 0．094 8× 2．530．813NM0．813F0．244N +0．571η0．813。其中M為暴雨量系數，即一般暴雨強度公式中的Sp值。根據橋位設計及遼寧省水文圖集中相關系數，最終結果Q1%=143．265 m3/s。

(2)采用平原區排水模數法: Q = MF。其中排水模數M = K×Rm×Fn，設計徑流深R = K1%×R均，根據公路工程水文勘測設計規范及水文手冊可以查得相關參數，最終得到Q1%=166．549 m3/s。

根據以上兩種方法比較，最終取Q1%=166．549 m3/s，則百股河匯流口處設計流量Q0．33%= Q1%×K0．33%/K1%= 183．992 m3/s。

3．5橋位處流量計算分析

最終橋位處設計流量由以上四部分組成Q0．33%= 17 530．5 +7 814．9 +1 162．2 +184．0 =26 691．6 m3/s。

橋位處洪水流量分析:橋位處設計流量采用四區間分別計算300年一遇洪峰流量，然后四部分洪峰流量疊加。未考慮洪峰在匯流口的遭遇關系，實際洪峰存在錯峰時間差。與水利部門計算匯流口流量Q0．33%= 17 200 m3/s相比，結果偏大。偏于安全考慮，采用四區間匯合后的流量: 26 691．59 m3/s。

4　設計水位、流速確定

以橋址斷面為準，計算不同水位時對應得設計流量，并繪制水位與流量、過水面積、流速關系曲線。查關系曲線，由設計流量Q0．33%= 26 691．59 m3/s，查得設計洪水位Hs = 9．105 m，根據設計水位反算流量與設計流量差值小于5%，滿足要求。所以最終設計水位Hs =9．105 m，設計流速Vs = 4．05 m/s。

5　橋長及橋面高程計算

采用《公路橋位勘測設計規范》中河槽寬度公式Lj = Kq (Qp/Qc)n3Bc計算最小橋孔凈長Lj=707．4 m。當采用單寬流量公式Lj= Qs/(β×qc)計算最小橋孔凈長Lj= 571 m，取兩者大值橋孔凈長Lj=707．4 m。由于路線與河流夾角為120度，故計算最小橋長L = Lj/cos(a) = 816．8 m。通過對上下游橋梁孔徑的調查及根據小凌河在橋位處的河壩規劃位置，最終按遼寧省凌河保護區管理局對小凌河大橋的防洪批復意見，橋孔采用46－30 m，橋長為1 380 m。

按設計洪水位計算高程Hmin= Hs +∑△h +△hj+ △h0，其中Hs為設計水位。計算得壅水高度△z = 0．44 m，浪高△h =0．887 m，橋面高程計算壅水高計入1/2，浪高計入2/3，本橋不考慮通航要求，安全值△hj= 0．5 m，考慮梁高，橋面橫坡及漂浮物0．2 m，最終橋面高程Hmin=13．04 m。

6　沖刷計算

一般沖刷深度采用《公路橋位勘測設計規范》中64－1修正公式計算得hp=14．486 m，采用64－2簡化公式進行計算得hp= 14．640，最終一般沖刷線為9．105－14．640 =－5．535 m。

局部沖刷深度采用《公路橋位勘測設計規范》中65－1修正公式計算得hb=2．672 m，采用65－2公式進行計算得hb=2．775，最終橋墩局部沖刷線標高為－5．535－2．775 = －8．31 m。其中河床泥沙平均粒徑取3 mm。

7　結語

從小凌河大橋的水文計算分析中可以看出，對于大型的橋梁工程，水文計算既要考慮各方面資料的準確性，又要考慮到各種計算方法不同的適應性。只有通過對水文資料充分而細致的調查與研究，運用正確合理的計算方法，綜合考慮各方面的影響，才能做出合理的方案設計，同時保證橋梁的安全、適用及經濟合理。

參考文獻:

［1］公路工程水文勘測設計規范(JTJC30－2002)［S］.

［2］高冬光．公路橋涵設計手冊(橋位設計)［M］．人民交通出版社，2011．

［3］顧克明，等．公路橋涵設計手冊(涵洞)［M］．人民交通出版社，2001．

［4］楊則乙．遼寧省小橋涵設計流量的計算［M］．1990．

作者簡介:陳林(1982－)，男，湖北石首人，工程師，研究方向:道橋設計。

收稿日期:2015－02－28