杜水河長麟橋防洪影響評價分析

郭星火，劉戰(zhàn)勝，趙建波，杜哲斌

（陜西省寶雞水文水資源勘測局，陜西 寶雞 721006）

1 流域概況

杜水河發(fā)源于千山余脈老爺嶺北麓的招賢鎮(zhèn)永豐村寧里溝，在九成宮鎮(zhèn)納入北馬坊河、永安河與澄水河匯合，下游統(tǒng)稱為漆水河。杜水河干流長61.3 km，比降4.7‰～22‰，流域面積357.8 km2。多年平均徑流量0.3578×108m3，平均徑流深100 mm，年平均流量1.13 m3/s，最大流量90.5 m3/s，最小流量0.10 m3/s，歷史最大洪峰流量430 m3/s。多年平均降雨量為649.2 mm，最大降雨量987.0 mm（1964 年），最小降雨量355.8 mm（1997 年）。

擬建的長麟橋處的河道走向較為順直，兩岸已修建河堤，岸線固定。河谷呈“U”形，并且該段河道長期以來將會處于一種準(zhǔn)平衡狀態(tài)。多年來河床下切不明顯，沖淤變化較為穩(wěn)定。

2 工程概況

長麟橋位于麟游縣縣城東側(cè)，本段河道防洪工程屬于杜水河九成宮段防洪工程。該處設(shè)計河寬為40 m，左岸為加固護(hù)岸段，右岸設(shè)計為梯形斷面土堤，采用漿砌石砌筑擋墻防護(hù)。該橋設(shè)計洪水頻率為50 年一遇，即P=2%。

杜水河九成宮段防洪工程長4.68 km，工程起點為麟游縣1#橋（城關(guān)橋），終點為祁家河污水處理廠，工程級別為4 級，河堤防洪標(biāo)準(zhǔn)為20 年一遇洪水，設(shè)計洪峰流量520 m3/s，堤頂超高為1.0 m。

3 防洪評價計算

3.1 水文分析計算

杜水河為漆水河上游段。項目區(qū)附近無水文站。本次計算采用《寶雞市實用水文手冊》所列的推理公式法、經(jīng)驗公式法。根據(jù)相關(guān)工程資料進(jìn)行分析，合理選用。

3.1.1 推理公式法

根據(jù)《寶雞市水文實用手冊》暴雨區(qū)劃分，用推理公式推求流域各設(shè)計頻率洪水。

（1）設(shè)計暴雨面雨量計算

①設(shè)計點暴雨歷時

根據(jù)不同集水面積采用不同設(shè)計暴雨歷時，流域面積小于100 km2時，設(shè)計暴雨歷時采用6 h，流域面積大于或等于100 km2時，設(shè)計暴雨歷時采用24 h。

②設(shè)計點暴雨

根據(jù)《寶雞市水文實用手冊》分別查出重現(xiàn)期為5 年、10 年、20 年、30 年、50 年一遇5 種設(shè)計預(yù)警斷面1 h、3 h、6 h、12 h、24 h 點雨量均值Ht和變差系數(shù)CVt，取CS=3.5CV，從P－Ⅲ型曲線模比系數(shù)表上查得不同頻率相應(yīng)的KP值，按公式Htp=Kp，計算出各頻率不同歷時的點暴雨值HtP。

③設(shè)計面暴雨

由《寶雞市水文實用手冊》在相應(yīng)的暴雨相似區(qū)，查得各歷時點面系數(shù)的擬合參數(shù)at、bt，根據(jù)公式計算出各歷時得暴雨點面折算系數(shù)：at、bt擬合曲線參數(shù)與指數(shù)見表1。

表1 《寶雞水文實用手冊》設(shè)計暴雨點面參、指數(shù)成果表

點面系數(shù)βt的計算公式為：

式中：at、bt為參數(shù)；F 為流域面積，km2。

設(shè)計面暴雨計算公式：

式中：HtF 為某歷時t 的設(shè)計面暴雨量，mm；Ht為某歷時t 的設(shè)計點暴雨量，mm。

（2）設(shè)計面暴雨量的時程分配

根據(jù)《寶雞市水文實用手冊》規(guī)定，設(shè)計暴雨時程分配依據(jù)流域面積，采用標(biāo)準(zhǔn)雨型，并按百分?jǐn)?shù)固定分配，計算時按面積分析選用。各歷時設(shè)計暴雨雨型見表2～表3。

表2 12 小時設(shè)計暴雨雨型

表3 24 小時設(shè)計暴雨雨型

續(xù)表3

（3）產(chǎn)流過程計算

根據(jù)《寶雞市水文實用手冊》，綜合分析方法及蓄滿產(chǎn)流原理，其凈雨分析步驟如下：

①土壤最大蓄水量Im 的確定

按照《寶雞市水文實用手冊》綜合分析，渭河以北地區(qū)：Im=100 mm；秦嶺北麓、西部山區(qū)：Im=70 mm。長江流域地區(qū):Im=80 mm。

②設(shè)計情況下的前期影響雨量確定Pa

按照《寶雞市水文實用手冊》綜合分析，就全市而言，前期土壤含水量值約1/2～2/3 的流域最大蓄水量Im 之間。即：

渭河以北地區(qū)：Pa=1/2Im=50.0 mm；

秦嶺北麓、西部山區(qū)：Pa=1/2Im1/2=47.0 mm；

長江流域地區(qū)：Pa=2/3Im=53.3 mm。

③流域最大蓄水量初損的扣除I0

《寶雞市水文實用手冊》采用初損一次扣除，即蓄滿產(chǎn)流的概念，就是當(dāng)次降雨加上設(shè)計情況下的Pa 達(dá)到Im 時，全部為損失，其余所有雨量則全部產(chǎn)生徑流，即：

渭河以北地區(qū)以超滲產(chǎn)流為主，采用下滲曲線法計算初損量。

秦嶺北麓、西部山區(qū)、長江流域地區(qū)產(chǎn)流方式以蓄滿產(chǎn)流為主。

④潛流扣除計算

根據(jù)《寶雞市水文實用手冊》在計算徑流量時，只扣除了深層地下水，沒有扣除潛流部分，計算時，必須扣除。潛流量按產(chǎn)流總量的20%扣除，以時段平均法扣除，各時段扣損后的凈雨量即為凈雨過程。

（4）匯流計算

①計算Qm～τ 曲線

依據(jù)《寶雞市水文實用手冊》推薦公式：

m 為匯流參數(shù)，用下式計算：

由確定的Qm和參數(shù)m、L、J，由公式：

可推求出洪水匯流歷時τ 值，進(jìn)而可確定出河道洪水洪峰流量與匯流歷時（Qm-τ）曲線。

②計算Qm-t 曲線

將Qm-τ 及Qm-t 兩曲線繪于同一坐標(biāo)系中，兩曲線交點的縱橫坐標(biāo)數(shù)值即為所求的洪峰流量和匯流歷時，即為所求的設(shè)計洪峰流量Q 和匯流歷時τ 值。

采用推理公式法計算設(shè)計洪水成果見表4。

表4 推理公式計算設(shè)計洪水成果表

3.1.2 經(jīng)驗公式法

根據(jù)《寶雞市水文實用手冊》綜合的經(jīng)驗公式計算洪水，公式如下：

式中：Qp為設(shè)計頻率P 的洪峰流量，m3/s；F 為設(shè)計流域面積，km2；J 為主河道平均比降，‰；H6P為設(shè)計頻率為6 小時的暴雨量，mm，K、n、α、β 為經(jīng)驗參數(shù)、指數(shù)。

洪水計算經(jīng)驗公式分為三個計算分區(qū)，其中渭河以北地區(qū)，秦嶺北麓、西部山區(qū)，經(jīng)驗公式分區(qū)參數(shù)、指數(shù)見表5。

表5 經(jīng)驗公式分區(qū)參數(shù)、指數(shù)表

本次分析計算按照《寶雞市實用水文手冊》總結(jié)的經(jīng)驗公式：

計算本工程的設(shè)計洪峰流量見表6。

表6 經(jīng)驗公式法計算設(shè)計洪峰流量成果表 單位：m3/s

3.1.3 成果合理性分析

依據(jù)該河段2009 年陜西水環(huán)境工程勘測設(shè)計研究院編制的《陜西省麟游縣杜水河防洪工程初步設(shè)計報告》及西北農(nóng)林大學(xué)農(nóng)田水利工程與建筑設(shè)計室1998 年12 月編寫的《麟游縣縣城防洪工程可研報告》、陜西省水利水電工程咨詢中心2007 年5 月編寫的《麟游縣杜水河中段防洪整治工程初設(shè)》成果所計算的50 年一遇洪水流量分別為595 m3/s、652 m3/s、672 m3/s，為安全起見，本次采用重現(xiàn)期50 年一遇洪水流量672 m3/s 較為安全。

3.1.4 設(shè)計洪水位

（1）橋位處水位計算—曼寧公式法

長麟橋設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)50 年一遇，相應(yīng)流量為672 m3/s。橋址河段防洪工程設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為20 年一遇，相應(yīng)的洪峰流量為510 m3/s。

采用曼寧公式進(jìn)行計算：

式中：Q 為流量m3/s；N 為糙率；n 取0.025；R 為水力半徑m；i為比降，i=0.0076；A 為過水?dāng)嗝婷娣em2。

采用曼寧公式計算的橋位處水位計算成果表見表7。

表7 橋位處水位計算成果表（曼寧公式）

（2）橋位處水位計算—河段水面線法

本次根據(jù)實測的河道橫斷面，推求長麟橋上下游河段的水面線，用來確定橋位處的洪水位。河段長度為200 m，共實測橫斷面5 條。長麟橋橋位處河道橫斷面，依據(jù)能量守恒方程計算水面線成果見表8～表9。

表8 20 年一遇洪水水面線計算成果表

（3）橋位洪水位水面線

根據(jù)水面線計算成果，查得橋位洪水位水面線見表10。

表10 橋位處水位計算成果表（水面線）

（4）長麟橋位處設(shè)計洪水位的確定

根據(jù)曼寧公式法和推求該河段水面線兩種方法計算的成果，橋位處洪水位有略微的差別，水面線計算成果稍微偏大。水面線計算時考慮了上下游河道斷面對水流的影響，應(yīng)更符合實際，本次采用水面線計算的水位1012.79 m 成果。

3.2 壅水分析計算

3.2.1 建橋前后橋位處水利因子變化分析

長麟橋設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 年一遇，河堤防洪標(biāo)準(zhǔn)20 年一遇,本次評價對2%、5%頻率洪水進(jìn)行壅水分析計算，現(xiàn)狀及設(shè)計情況下橋位處斷面過水面積和水面寬度變化見表11。

3.2.2 橋梁壅水計算

按《公路橋位勘測設(shè)計規(guī)范》（JTJ 062—91），橋前最大壅水高度計算成果見表12。

3.2.3 橋梁底部高程復(fù)核

根據(jù)《鐵路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》（GB 10017—99）、《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》（JTG C30—2002）、《公路橋位勘測設(shè)計規(guī)范》（JTJ 062—91）的規(guī)定，按設(shè)計洪水位確定橋梁底部高程時按公式橋梁底部高程（H）=設(shè)計洪水位（HS）+壅水高度（ΔZ）+波浪高度H波+橋下凈空安全值（Δhj）計算。

杜水河為不通航河流，橋下凈空安全值（Δhj）根據(jù)各橋梁規(guī)范要求，不通航河流橋下安全凈空不應(yīng)小于0.50 m。復(fù)核成果見表13。

3.3 橋下河床沖刷分析計算

根據(jù)《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》（JTL C30-2015），按照一般絕對沖刷、局部沖刷疊加得出本次推薦數(shù)值，見表14。

經(jīng)計算，長麟橋50 年一遇設(shè)計洪水位為1012.79 m，河槽最大水深為3.59 m，橋梁最低沖刷線高程為1005.90 m。

3.4 河岸沖刷計算

依據(jù)《堤防工程設(shè)計》（GB 50286-2013）D.2，護(hù)岸沖涮深度可按照以下公式計算沖刷計算成果見表15。

表11 建橋前后橋位斷面過水面積、水面寬度變化表

表12 公路規(guī)范公式大橋壅水高度計算成果表

表13 橋梁底部高程復(fù)核成果表

表14 總沖刷深度計算成果表

表15 斷面水力特征值及沖刷深度表（20 年洪水）

由表15 可知，護(hù)岸基礎(chǔ)埋深均大于計算沖刷深度，即護(hù)岸埋深滿足要求，可以正常運行。

4 防洪綜合評價

（1）依據(jù)《陜西省麟游縣長麟橋工程施工圖設(shè)計》，長麟橋總長度為53.04 m，橋位處河道寬度為42.2 m，兩岸橋臺之間凈寬為48 m，防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 年一遇洪設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)是合理的，工程設(shè)計與現(xiàn)有水利規(guī)劃沒有矛盾。

（2）該項目段河道設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)為20 年一遇，相應(yīng)的洪水位為1012.33 m，橋前最大壅水高度0.24 m。本處河堤左岸高程1014.00 m，右岸高程1013.80 m。橋底設(shè)計高程為1012.90 m，高于20 年一遇洪水位0.57 m，橋前水位最大壅高0.24 m，對堤防防洪安全不會產(chǎn)生影響。工程建設(shè)對河道行洪安全不會影響。

（3）項目建設(shè)期間對河道正常的行洪會造成一定的影響。但如果按照水利防汛部門有關(guān)要求嚴(yán)格執(zhí)行，并選擇在枯水期施工，將會使行洪影響較小。

（4）長麟橋橋位所在河段，已經(jīng)過防洪治理，河堤兩岸已經(jīng)固定，坡腳已經(jīng)做了防沖刷措施。雖然在發(fā)生設(shè)計洪水時，工程將使局部河段水位抬高，對局部岸坡穩(wěn)定有一定的影響，橋位附近河道兩岸堤腳基礎(chǔ)埋深為2.5 m。通過河岸沖刷計算，橋梁修建后，沖刷深度為2.09 m。因此，工程建設(shè)后，現(xiàn)有堤防護(hù)岸埋深能滿足要求。但由于壅水影響范圍有限，水流流速增加值也較小，而且橋梁軸線垂直于主河道流向布置，橋墩對水流有一定的導(dǎo)流作用，因此工程建成后，不會改變堤防、護(hù)岸，主流線方向，水流流勢、形態(tài)，對河道整體河勢的穩(wěn)定影響較小。

（5）工程建成后橋位上游附近水位有所抬高，但是變化不大，影響范圍也不大，同時附近無相關(guān)的水利工程設(shè)施，無取水工程，因此工程的建設(shè)對上下游相關(guān)工程及對第三人合法水事權(quán)益不會產(chǎn)生影響。

（6）該橋設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 年一遇，相應(yīng)洪水位為1012.79 m，最低橋底高程為1013.57 m。但長麟橋施工圖設(shè)計橋底高程為1012.90 m，不滿足凈空安全要求，即橋梁防洪標(biāo)準(zhǔn)沒有達(dá)到50 年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

根據(jù)現(xiàn)場實地勘測、測量及河床演變分析，經(jīng)過水文分析計算對工程建成后河道的行洪、防洪、河勢流態(tài)及河岸穩(wěn)定等方面的定性和定量分析，得出如下結(jié)論：

（1）擬建長麟橋位于杜水河九成宮段，與現(xiàn)有水利規(guī)劃沒有矛盾。防洪標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計為50 年一遇洪水是合理的。大橋建成后不影響河道行洪安全，沒有降低河道的防洪標(biāo)準(zhǔn)，也不會改變主流線方向，水流流勢、形態(tài)，對河道整體河勢的穩(wěn)定影響較小。

（2）橋梁修建后，遇20 年一遇洪水時，對堤防防洪安全不會產(chǎn)生影響，現(xiàn)有堤防護(hù)岸埋深能滿足要求。左岸橋臺的橋墩樁基在施工時應(yīng)采取相關(guān)的保護(hù)措施，防止對護(hù)岸結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。右岸橋臺的橋墩及主塔的橋墩布置與規(guī)范要求有矛盾，應(yīng)采取相應(yīng)的補救措施。

（3）后續(xù)在右岸堤頂處規(guī)劃修建的咸亨路，可在汛期作為防汛道路使用，工程的修建不會對防汛搶險造成較大的影響。

（4）附近無相關(guān)的水利工程設(shè)施，無取水工程。工程的建設(shè)對上下游相關(guān)工程不會產(chǎn)生影響。

（5）長麟橋設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 年一遇，施工圖設(shè)計橋底高程不滿足凈空安全要求，即橋梁防洪標(biāo)準(zhǔn)沒有達(dá)到50 年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計橋墩樁基基底高程滿足埋深要求。

5.2 建議

（1）建議橋梁設(shè)計單位，復(fù)核防洪標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計洪水、設(shè)計洪水位，復(fù)核橋梁設(shè)計高程，使橋梁設(shè)計滿足相關(guān)規(guī)范要求。

（2）左岸樁基施工時，應(yīng)嚴(yán)密監(jiān)測護(hù)岸結(jié)構(gòu)變形情況，如果對護(hù)岸造成影響，則應(yīng)進(jìn)行原狀恢復(fù)或加固處理。

（3）右岸橋墩樁基施工完成后，應(yīng)對堤身進(jìn)行原狀恢復(fù)，構(gòu)筑物周圍的回填土干密度不應(yīng)低于堤防工程設(shè)計的要求。恢復(fù)堤防施工時，要做好新老堤防的銜接處理。

（4）工程施工過程中，所用的機械設(shè)備及水泥、石料、鋼材等物料，不能堆放在河道內(nèi)，擠占行洪通道。產(chǎn)生的棄土棄渣，要定點堆放，并做好水土保持，以防水土流失。對由于施工所產(chǎn)生的廢污水應(yīng)進(jìn)行有效處理、達(dá)標(biāo)排放。

（5）施工期間，施工單位應(yīng)接受河道主管部門的監(jiān)督、檢查，如實提供有關(guān)情況，如有出現(xiàn)涉及河道防洪及建設(shè)項目安全方面的問題時，應(yīng)及時向河道主管部門匯報。

（6）文明施工，降低行洪隱患。工程結(jié)束后必須及時清除圍堰等臨時建筑物，減小對行洪的影響。