山區高速公路大橋水文計算分析

秦曉燕，王艷軍，王雪松

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津市 300074）

1 工程概況

廣西荔浦至玉林的高速公路是桂林、梧州、貴港、玉林通往北海、湛江等沿海城市最便捷的高速公路通道。起自廣西荔浦縣城東北蒙村，接在建的汕頭至昆明的國家高速公路陽朔至鹿寨段，經新圩、文圩、官成、馬皮、社步、大洋、仁厚，止于廣西玉林市福綿區新橋鎮，接已建的呼和浩特至北海的國家高速公路玉林至鐵山港段，全長約263 km。

本文采用廣西荔浦至玉林的高速公路第四合同段福綿南流江大橋進行水文計算分析。

2 橋位概況

（1）里程樁號：K257+669（推薦線）。

（2）河道類型：徑流河道。

（3）河道形狀：平面較順直，平均縱坡較大。

（4）河床組成：河槽為粗砂，橋址岸邊有卵石。

（5）植被情況：河槽內有少量水生雜草，河堤外為水稻田，橋址處一面靠山。

3 初擬結構物形式

8-30預應力箱梁橋，柱式墩，肋板臺，鉆孔灌注樁。

4 設計流量計算分析

4.1 水文基本數據

玉林市福綿區南流江大橋下游的南流江干流上有橫江水文站。橫江水文站為國家布點觀測站，控制集雨面積為1 550 km2。該觀測站觀測儀器設備精良，其各項測驗項目均按國家規范[1]規定進行觀測，數據采集和整編符合國家規范要求，數據整編完整可靠、精度高。該站觀測有水位、流量、降雨等數據，數據系列長，且該水文站距離本橋最近，其數據代表性較好，故本次設計直接采用橫江水文站實測水文數據作為本工程設計的主要依據。

4.2 歷史洪水調查

據橫江水文站記載，1971年6月1日洪水水位最大，實測洪水水位為68.85 m（珠江基面）。另據村民介紹，1914年最高洪水水位曾達到68.67 m。

4.3 設計洪水計算

利用理論頻率曲線（皮爾遜-Ⅲ型曲線）求設計頻率流量。此法是利用橋位上游或下游已有水文站歷年實測系列流量計算求得。該計算方法符合中國國情，早已被水利、交通、鐵路等部門廣泛應用，其計算值最為準確。

位于南流江大橋下游1.5 km處的南流江干流上的橫江水文觀測站有1959年以來的洪峰流量資料。橫江水文站為國家布點測站，控制集雨面積1 550 km2，本次設計收集了1959年~2007年的實測洪峰流量，部分年份數據如表1所示。表1中，年最大流量系列的年平均流量均值Q為690 m3/s；變差系數Cv為0.52，它是系列中各隨機變量的均方差σ與均值Q的比值，反映各個隨機變量對均值 Q 的離均程度，如式（1）、式（2）所示。

表1 橫江水文站部分洪峰流量統計表

根據文獻[2]，橫江水文站部分洪峰流量與頻率的皮爾遜-III型曲線如圖1所示。圖1中，Cs為偏差系數，反映系列中隨機變量大小對其均值的對稱性，其表達式如式（3）所示：

根據適線法反復調整統計參數的數值，最終確定Q=690 m3/s,Cv=0.58,Cs=3.5Cv。

由圖1可讀出橫江水文站百年一遇洪水流量 Q1%為 2 139 m3/s，5年一遇洪水流量 Q20%為932 m3/s。

圖1 橫江水文站部分洪峰流量與頻率的皮爾遜-III型曲線

玉林市福綿區南流江大橋位于橫江水文站上游1.5 km處，且之間無較大支流匯入，橋位處匯水面積與水文站處匯入面積的面積差為10 km2，10/1 550小于5%，因此本橋設計流量采用橫江水文站百年一遇和5年一遇流量。

5 設計水位計算

5.1 水位流量關系曲線

結合橫江水文站水位-流量關系曲線和水文站上游的實測斷面，推求得本次實測斷面的水位-流量關系見表2（表中的水位為黃海高程），其曲線圖見圖2。上游其余斷面的水位-流量關系曲線可參考此斷面反推的河床比降和河道糙率，根據實測橫斷面推求得到。

表2 橫江水文站附近水位-流量關系

圖2 橫江上游水位-流量關系曲線

本橋位于橫江水文站的上游1.5 km處，該區間無明顯水頭跌落和擋水陂壩，其洪水水位采用橫江水文站資料查表并按照洪水比降推求，本河段處洪水比降0.000 66。推求結果為：

百年一遇洪水水位Hs=68.53 m。

5.2 橋面最低設計高程H min

本河段無流冰、流木及較大漂浮物，計算考慮橋下凈空安全值Δhj為0.5 m，壅水ΔZ1及浪高ΔZ2之和ΣΔh為0.7 m，橋梁建筑高度（梁高）為1.6 m、橋面鋪裝厚度為0.2 m、橋面橫坡為0.25 m及這三者之和ΔhD等因素后，確定橋面最低設計高程Hmin如下：

將各相關數據代入式（4），得出橋面最低高程，見表3。

表3 橋面最低高程計算表 m

另外，由于南流江規劃為Ⅶ級航道，根據《內河通航標準》（GB 50139—2014），考慮通航要求，采用5年一遇洪水水位進行計算：

式中：Htn為設計最高通航水位；Hm為通航安全凈空高度。

將各相關數據代入式（5），得出通航橋面最低高程，見表4。

表4 通航橋面最低高程計算表 m

綜上所述，按百年一遇洪水水位（頻率P=1%）計算，Hmin=71.85 m；按5年一遇洪水水位（頻率P=20%）（Ⅶ級通航）計算，Hmin=72.68 m。

因此，本橋橋面最低設計高程采用通航標準控制，Hmin=72.68 m。

6 最小凈跨徑驗算

該橋所跨越的河流河道穩定，根據文獻[1]中6.2.1-1式：

式中：Lj為橋孔最小長度，m；K、n為系數和指數，查文獻[1]中表 6.2.1；Qp為設計流量，m3/s；Qc為河槽流量，m3/s；Bc為河槽寬度，m 。

將各相關數據代入式（6），得到橋梁凈跨徑值，見表5。

表5 橋梁凈跨徑計算

擬定橋梁凈跨徑大于Lj，滿足要求。

7 沖刷計算

7.1 一般沖刷計算

根據文獻[1]中7.3.1-1式：

式中：hp為橋下一般沖刷后的最大水深，m；Q2為橋下河槽部分通過的設計流量，m3/s，當河槽能擴寬至全橋時取用Qp；B2為橋長范圍內的河槽寬度，m；Bc為計算斷面天然河槽寬度，m；hmc為橋下河槽最大水深，m；A為單寬流量計算系數；λ為設計水位下，橋墩阻水總面積與橋下過水面積的比值；μ為橋臺前緣和橋墩兩側的旋渦區寬度與橋孔長度之比。

將相關數據代入式（7），得到河槽一般沖刷計算結果，見表6。

表6 河槽一般沖刷計算表

7.2 局部沖刷計算

根據文獻[1]中7.4.1式：

式中：V0為河床泥沙啟動流速，m/s；hb為橋墩局部沖刷深度，m；Kη為河床顆粒的影響系數；Kξ為墩形系數；V'0為墩前泥沙始沖流速，m/s；V為一般沖刷后墩前行進流速，m/s；B1為橋墩計算寬度，m。

其余參數同前。

將相關數據代入式（8），得到的河槽局部沖刷計算結果見表7，其中d為泥沙平均粒徑，mm。

表7 河槽局部沖刷計算表

7.3 墩臺最低沖刷線標高

經調查未發現其他引起沖刷的因素，而且式（7）計算結果中已經包括一部分自然沖刷，因此可令Δh=0，則總沖刷深度hs為：

最低沖刷線標高Hm為

8 結語

（1）在進行水文計算時應認真詳細地搜集資料，認真進行分析，去粗取精，去偽存真，相互核對比較，選擇合理的成果作為設計依據。

（2）山區地形復雜、地質復雜、山勢險峻、溝壑縱橫，大橋的設計是山區高速公路設計中的重點及難點，水文計算更是重中之重，水文計算的正確性對大橋整體規模及其后期運營有重大的影響，

（3）積極地進行水文計算優化設計，并且在不斷建設實踐中研究新的思路和方法，使水文計算工作更準確、快速、合理和簡便。