且末公路車(chē)爾臣河1號(hào)大橋洪水分析

王正勇

(新疆巴音郭楞水文勘測(cè)局，新疆 巴州 841000)

0 引言

新疆巴州尉犁至且末公路全長(zhǎng)度333.186 km，其中車(chē)爾臣河1號(hào)大橋位于且末縣塔提讓鄉(xiāng)阿亞克塔提讓村以東2 km，且末水文站下游52 km處。車(chē)爾臣河1號(hào)大橋橋梁起點(diǎn)樁號(hào)k331+716.5，中心樁號(hào)k331+810，終點(diǎn)樁號(hào)k331+903.5，橋長(zhǎng)187 m，采用Ⅱ級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)，荷載等級(jí)為Ⅰ級(jí)公路，設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇，洪水校核標(biāo)準(zhǔn)300 a一遇。根據(jù)工程建設(shè)需求，需對(duì)橋梁處的洪水進(jìn)行分析。

1 歷史洪水分析

發(fā)源于昆侖山北坡的木孜塔格峰的車(chē)爾臣河，全長(zhǎng)813 km，流域面積26822 km2。流域?qū)倥瘻貛O端干旱大陸性荒漠氣候，光照充足，熱量豐沛，多年平均降水量24.4 mm，年蒸發(fā)能力為2500 mm。查閱《車(chē)爾臣河流域規(guī)劃報(bào)告》，2001年11月2日～4日，新疆巴州水文勘測(cè)局曾對(duì)車(chē)爾臣河洪水進(jìn)行過(guò)調(diào)查，洪水調(diào)查斷面位置在第一分水樞紐巴什克其克斷面下游0.75 km處，根據(jù)調(diào)查情況反映，1999年、2000年巴什克其克斷面年最大洪峰流量分別為820 m3/s、595 m3/s。另外，2006年12月，巴州水文勘測(cè)局對(duì)車(chē)爾臣河2005年發(fā)生的洪水進(jìn)行調(diào)查，洪水調(diào)查位置與2001年11月調(diào)查洪水的位置相同，根據(jù)調(diào)查情況，2005年巴什克其克斷面年最大洪峰流量為622 m3/s。

2 洪水特性分析

車(chē)爾臣河洪水類(lèi)型為三種。由于其成因及其發(fā)生時(shí)間不同，各自具有不同類(lèi)型特征，現(xiàn)以車(chē)爾臣河且末水文站實(shí)測(cè)洪水流量資料分析說(shuō)明各類(lèi)洪水的主要特征。

(1)融雪型洪水：洪水發(fā)生時(shí)間相對(duì)集中，一般出現(xiàn)在3月～4月。洪水過(guò)程歷時(shí)長(zhǎng)，峰并不高，而量則較大。

(2)暴雨型洪水：發(fā)生時(shí)間較融雪型洪水晚，多出現(xiàn)在7月～8月。洪水過(guò)程單一，洪峰過(guò)程陡漲陡落，總歷時(shí)較融水型洪水短，但通常情況下洪峰流量較融雪型洪水大。

(3)降雨、融雪混合型洪水：兼?zhèn)淝笆鰞深?lèi)洪水的大部分特征。在每年5月～8月都有可能發(fā)生。該種洪水由于峰高量大，且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)水利工程、河堤等造成的危害較大。

(4)洪水發(fā)生時(shí)間：根據(jù)收集到的車(chē)爾臣河且末水文站各年(1958年～1989年、1999年、2001年～2005年、2011年～2013年)實(shí)測(cè)各月最大(合成)流量，繪制且末水文站歷年各月最大流量分布圖，見(jiàn)圖1。

圖1 車(chē)爾臣河且末水文站歷年各月最大(合成)流量分布圖

由圖1可以看出，車(chē)爾臣河歷年年最大洪峰流量主要出現(xiàn)在4月～8月，其中7月～8月為主汛期，4月～6月為前汛期，9月～次年3月為比較穩(wěn)定的平水期、枯水期。根據(jù)本階段收集到的資料，在且末水文站(合成)43場(chǎng)年最大洪水中，7月發(fā)生年最大洪水的比例最高，為32.56%；其次為6月和8月，均為25.58%。

3 設(shè)計(jì)洪水分析

3.1 且末水文站設(shè)計(jì)洪水

且末水文站控制了車(chē)爾臣河全部山區(qū)的集水面積。水文站以上流域集水面積為26822 km2，海拔高程為1240 m。該站是車(chē)爾臣河上唯一的國(guó)家基本水文站，分設(shè)有兩個(gè)基本斷面，即車(chē)爾臣河河道斷面和且末大渠斷面。自建站以來(lái)，水文部門(mén)一直是將兩斷面的合成流量值作為且末站的流量資料。兩斷面有1958年～2016年的同步水文觀測(cè)資料，資料觀測(cè)年限長(zhǎng)，成果可靠性強(qiáng)。按照《水利水電工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范》(SL 44-2006)推薦的方法，以年最大值法選樣，使用矩法計(jì)算統(tǒng)計(jì)參數(shù)，采用皮爾遜-Ⅲ型曲線進(jìn)行適線，求得且末水文站設(shè)計(jì)洪水成果(表1)及洪峰流量頻率曲線(圖2)。

表1 且末水文站設(shè)計(jì)洪水成果分析

圖2 且末水文站最大洪水頻率曲線圖

3.2 大石門(mén)水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水

由于大石門(mén)水庫(kù)電站是筑壩攔水發(fā)電，會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)洪水造成一定影響。大石門(mén)水利樞紐工程位于新疆巴州且末縣境內(nèi)的車(chē)爾臣河干流上，壩址位于車(chē)爾臣河出山口與支流托其里薩依交匯口下游約300 m處，壩址以上流域面積達(dá)24692 km2。通過(guò)查閱《新疆車(chē)爾臣河大石門(mén)水利樞紐工程項(xiàng)目建議書(shū)報(bào)告》可知：大石門(mén)水利樞紐設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇。在設(shè)計(jì)洪水來(lái)臨時(shí)，表孔加底孔共同泄洪，最大下泄流量為1256 m3/s。

3.3 擬建車(chē)爾臣河1號(hào)大橋設(shè)計(jì)洪水分析

車(chē)爾臣河1號(hào)大橋上游有大石門(mén)水庫(kù)、第一分水樞紐、且末水文站、第二分水樞紐和第三分水樞紐等水利工程。大石門(mén)水庫(kù)下距且末水文站83 km，下距第一分水樞紐33 km。且末水文站下距擬建車(chē)爾臣河1號(hào)大橋工程53.6 km，是距離橋位斷面最近的水文站，中間無(wú)支流匯入，區(qū)間不產(chǎn)流且存在沿程洪峰削減。根據(jù)《車(chē)爾臣河流域規(guī)劃》，且末水文站到水文站上游的各節(jié)點(diǎn)損失率按照式(1)計(jì)算。末水文站到下游節(jié)點(diǎn)的損失率按照式(2)計(jì)算，相關(guān)參數(shù)取值及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 各節(jié)點(diǎn)至且末水文站利用歷史洪水調(diào)查值計(jì)算的每公里洪水損失率

S損=[(Q調(diào)-Q且)/Q調(diào)]/L1

(1)

S損=[(Q且-Q調(diào))/Q且]/L1

(2)

式中：S損為且末水文站至計(jì)算節(jié)點(diǎn)損失率；Q調(diào)為計(jì)算節(jié)點(diǎn)調(diào)查洪峰流量；Q且為且末水文站相應(yīng)年份洪峰流量；L1為計(jì)算節(jié)點(diǎn)至且末水文站距離。

由表2可得，在調(diào)查年份，大石門(mén)水庫(kù)和且末水文站在調(diào)查年份洪峰流量較大，特別是1999年接近100 a一遇設(shè)計(jì)洪峰流量，因此利用該損失率來(lái)推求橋位斷面的設(shè)計(jì)洪水成果合理。根據(jù)以上分析可確定各節(jié)點(diǎn)至且末水文站的損失率采用幾次同期洪水計(jì)算的洪水損失率的算術(shù)平均值，即大石門(mén)水庫(kù)至第一分水樞紐每公里損失率為0.58%，第一分水樞紐至水文站每公里損失率為0.64%，水文站至第二分水樞紐每公里損失率為0.46%，水文站至塔提讓每公里損失率為0.48%。劃分新老河道的第三分水樞紐處于第二分水樞紐與塔提讓大橋之間，距第二分水樞紐11.5 km，距塔提讓大橋18.1 km。第三分水樞紐與水文站之間每公里損失率按照0.46%計(jì)算；擬建車(chē)爾臣河1號(hào)大橋距第三分水樞紐20.1 km，1號(hào)大橋與分水樞紐之間每公里損失率按照0.48%計(jì)算。且末水文站到水文站上游的各節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)洪水按照式(3)、水文站下游的節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)洪水按照式(4)計(jì)算。

Q節(jié)=Q且/(1-S損×L2)

(3)

Q節(jié)=Q且×(1-S損×L2)

(4)

式中：Q節(jié)為計(jì)算節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)洪水；S損為且末水文站至計(jì)算節(jié)點(diǎn)損失率；Q且為且末水文站設(shè)計(jì)年最大洪峰流量；L2為計(jì)算節(jié)點(diǎn)至且末水文站距離。

經(jīng)計(jì)算采用大石門(mén)水庫(kù)～第一分水樞紐～且末水文站河段洪水損失率計(jì)算得到且末水文站處的100 a一遇設(shè)計(jì)洪水為597 m3/s。與實(shí)測(cè)資料推出的且末水文站100 a一遇設(shè)計(jì)洪水相差很小。考慮到計(jì)算結(jié)果的合理性和嚴(yán)密性仍然采用實(shí)測(cè)資料推求的設(shè)計(jì)洪水，即且末水文站發(fā)生100 a一遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)最大洪峰流量為589 m3/s。

根據(jù)車(chē)爾臣河各個(gè)時(shí)期的衛(wèi)星影像圖可知，在2011年以前，在車(chē)爾臣河第三分水閘之后，河水主要流經(jīng)老河道，新河道水量少；2011年以后河水主要流經(jīng)新河道，老河道流量少。基于工程偏安全考慮，利用洪水沿程損失率計(jì)算橋位斷面設(shè)計(jì)洪峰流量時(shí)，起算設(shè)計(jì)洪水均按照且末水文站的設(shè)計(jì)洪水。根據(jù)且末水文站設(shè)計(jì)洪水，采用且末水文站～第三分水樞紐～橋位斷面河段洪水損失率計(jì)算橋位斷面的設(shè)計(jì)洪水，計(jì)算結(jié)果為：車(chē)爾臣河1號(hào)大橋100 a一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為443 m3/s，300 a一遇校核洪峰流量為522 m3/s。項(xiàng)目直接采用大石門(mén)水庫(kù)100 a一遇的設(shè)計(jì)下泄流量1250 m3/s，未考慮沿程消減，對(duì)該斷面的計(jì)算精度較低，計(jì)算值偏大。

4 設(shè)計(jì)洪水位推求

4.1 計(jì)算方法

在工程斷面處，用設(shè)計(jì)洪峰流量推求相應(yīng)設(shè)計(jì)水位時(shí)，應(yīng)首先對(duì)斷面處的水位流量關(guān)系進(jìn)行推求，在計(jì)算斷面缺少可靠的水位流量關(guān)系時(shí)，可采用水力學(xué)公式(如曼寧公式)間接推求設(shè)計(jì)流量下相應(yīng)水位。本次評(píng)價(jià)采用曼寧公式法推求設(shè)計(jì)流量下相應(yīng)水位。水力學(xué)謝才公式和曼寧公式如下：

(5)

(6)

(7)

式中：v為斷面平均流速，1.51 m/s；C為謝才系數(shù)，m0.5/s；R為斷面水力半徑，1.21 m；i為河段水面比降，1.44；Q為斷面過(guò)流流量，m3/s；A為斷面過(guò)流面積，49 m2；n為糙率，0.029。

經(jīng)計(jì)算，車(chē)爾臣河擬建1號(hào)橋斷面過(guò)流流量74.0 m3/s。在已知過(guò)流斷面、河槽粗糙系數(shù)、河床比降、設(shè)計(jì)流量的條件下計(jì)算相應(yīng)設(shè)計(jì)流量下的水位。由水位、斷面形狀即可確定相應(yīng)流量下的斷面平均流速等水力學(xué)要素，然后依據(jù)曼寧公式推求各級(jí)水位下的相應(yīng)流量，建立計(jì)算斷面處的水位～流量關(guān)系曲線，最終根據(jù)設(shè)計(jì)流量確定相應(yīng)水位。

為使參數(shù)的取值更具合理性，本次防洪評(píng)價(jià)對(duì)水面比降、橋位斷面處的河道流量，橋址斷面等資料都進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。經(jīng)整理計(jì)算，實(shí)測(cè)斷面形狀見(jiàn)圖3。

圖3 擬建車(chē)爾臣河1號(hào)大橋?qū)崪y(cè)斷面及測(cè)時(shí)水位

4.2 設(shè)計(jì)水位計(jì)算結(jié)果

已知車(chē)爾臣河河段綜合糙率、河段比降、斷面形狀，根據(jù)曼寧公式及謝才公式推求工程斷面水位流量關(guān)系。擬建車(chē)爾臣河1號(hào)大橋橋位斷面水位流量關(guān)系計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，水位流量關(guān)系曲線見(jiàn)圖4。

表3 擬建車(chē)爾臣河1號(hào)大橋斷面水位流量關(guān)系

圖4 擬建車(chē)爾臣河1號(hào)大橋斷面水位流量關(guān)系

通過(guò)以上分析計(jì)算和查圖得，擬建車(chē)爾臣河1號(hào)大橋100 a一遇的設(shè)計(jì)流量為443 m3/s，相應(yīng)水位1131.86 m；300 a一遇的設(shè)計(jì)流量為528 m3/s，相應(yīng)水位1132 m。

5 結(jié)語(yǔ)

車(chē)爾臣河1號(hào)大橋上游有大石門(mén)水庫(kù)、第一分水樞紐、第二分水樞紐以及塔提讓大橋等水利設(shè)施，增加了大橋斷面處的洪水計(jì)算難度。通過(guò)分析洪水特性，以且末水文站為參證站，計(jì)算洪水損失率和合成流量，最終計(jì)算出車(chē)爾臣河1號(hào)大橋100 a一遇的設(shè)計(jì)流量為443 m3/s，相應(yīng)水位1131.86 m；300 a一遇的設(shè)計(jì)流量為528 m3/s，相應(yīng)水位1132 m，可為工程建設(shè)提供技術(shù)參考。