淺析韓城市盤河水庫下游段交通橋洪水分析計算

王海強

（咸陽水文水資源勘測中心,陜西 咸陽 712000）

盤河水庫下游段交通橋洪水過程計算,是現有河道實際情況洪水計算的要求,做好水庫下游設計洪水計算工作,為水庫下游交通橋水文設計方案提供依據。根據《河道管理范圍內建設項目管理的有關規定》,水庫下游河段河道的演變、防洪及行洪能力帶來的影響,出具防洪評價意見和結論,其中最重要是準確計算設計洪水,因此本文對盤河水庫下游段交通橋洪水計算進行探討。

1 概況

盤河系黃河一級支流,發源于陜北黃龍山區東麓黃龍、韓城交界處的西子峙山,由韓城市的西莊鎮楊村寨出山,在昝村南匯入汶水入黃河,全長46.6 km,流域面積194.8 km2,河長平均比降 21‰,屬渭北土石山區。

在盤河流域內建有盤河水庫,其位于防洪工程段上游。盤河水庫壩址以上控制流域面積144.4 km2,主河道長35.1 km,樞紐工程主要由大壩、放水洞和溢洪道三部分組成。除險加固后確定防洪標準為50 年一遇設計,500 年一遇洪水校核。相應洪峰流量分別443 m3/s、754 m3/s,50 年一遇洪峰下泄流量為303 m3/s、500 年一遇洪峰下泄流量為555 m3/s。水庫總庫容795.5萬m2,其中死庫容73萬m2,興利庫容578.2萬m2,調洪庫容144.3萬m2。

交通橋位于盤河水庫下游10 km處,橋梁全長22.4 m, 橋墩為2個,橋墩尺寸1.3 m～2.2 m,橋梁主流夾角為90 °。上部結構采用預應力混凝土預制空心板,下部結構采用樁接蓋梁,計算行車速度為20 km/h,汽車荷載等級標準為公路-2 級,抗震設防烈度為6度,水平向設計基本地震動峰值加速度0.05 g。

橋位處至盤河水庫壩址區間流域面積為21.1 km2,河道長度為10.0 km,比降為38‰。

2 設計洪水分析計算

2.1 設計洪水標準

交通橋為202 縣道主干路Ⅱ級橋梁,總跨長約22.4 m,汽車荷載等級為Ⅱ級,按照《公路橋涵設計通用規范》（CJGD 60-2015）表1.0.5 劃分為中橋,依據《防洪標準》（GB50201-2014）其相應的設計防洪標準確定為50年一遇。

表1 匯水面積相關法洪峰流量成果表

2.2 計算方法

水庫下游區間設計洪水計算分為兩步,第一步計算水庫壩址以下至交通橋橋墩以上區間洪水計算；第二部計算水庫下泄的洪水過程線。洪水演進與區間過程錯峰疊加,得到項目區河道設計洪水過程線。

設計洪水計算方法：盤河流域無實測資料和歷史調查洪水資料,能夠精確可靠的計算洪水,對洪水計算采用“多種途徑,多種方法,綜合比較,合理選定”的原則,本次盤河水庫設計洪水,采用經驗公式法、推理公式法、瞬時單位線法三種方法計算,綜合分析后,確定采用洪水成果。

2.3 水庫壩址至橋位處（區間河段）洪水分析計算

（1）經驗公式法

參照《渭南地區暨銅川市實用水文手冊》提供的經驗公式——匯水面積相關法,以及經驗參、指數進行計算。計算公式為：

式中：QN為重現期為N的設計洪峰流量,m3/s；KN為重現期為N的經驗參數；n為經驗指數,丘陵北溝壑區為0.68；F為設計流域面積（21.1 km2）。

（2）推理公式法

1）設計暴雨的計算

①設計點雨量的計算

查《渭南地區暨銅川市實用水文手冊》,年最大點雨量等值線圖,得設計1、3、6小時點暴雨量值見表2。

表2 50年一遇設計點雨量計算表

②設計面雨量計算

計算公式：

式中：Ht面為設計歷時為t的流域面平均雨量,mm；Ht為設計歷時為t的暴雨點面系數； at為設計歷時為t的點雨量,mm,at=1/（1+ atF）bt；F 為設計流域面積（21.1 km2）； at、bt為線性擬合參數。

計算結果見表3。

表3 50年一遇設計面雨量計算成果表

2）設計洪水計算

①產流計算

渭河北區域的產流方式以蓄滿產流為主,按《渭南地區暨銅川市實用水文手冊》規定,流域最大土壤蓄水量Im為100 mm,設計情況下的前期影響雨量Pa=1/2Im=50 mm。按照蓄滿產流的計算方法,由設計暴雨的時程分配,即可進行產流計算,見表4。

表4 50年一遇設計產流計算表

②設計洪峰流量計算

匯流參數m的確定。計算公式為：

式中：m為匯流參數,無量綱； 為特征參數,=L/（FJ）1/3；F為設計流域面積,21.1 km2；J為主河道平均比降,38‰。

經計算,50 年、30 年一遇的m值分0.74、0.79。

τ用試算法求出,計算公式為：

式中：m為匯流參數,無量綱；L為河長,10 km；F為設計流域面積,21.1 km2；J為主河道平均比降,無量綱,38‰；Qm為設計的洪峰流量,m3/s。

用此公式進行試算見表5。

表5 50年一遇Qm-τ曲線計算表

將表5中重現期凈雨過程由大到小進行累計,并按公式Qm=0.278ΣhtF/t計算相應的Qm-t曲線,見表6。

表6 50年一遇Qm-t曲線計算表

用表5至表6中Qm為縱坐標,τ（t）為橫坐標繪制關系線,兩曲線的交點即為所求,見圖1。從圖中可知,50年一遇設計洪峰流量為120 m3/s,匯流時間為3.05 h,見表7。

圖1 50 年一遇Qm-τ與Qm-t關系曲線圖

表7 重現期50年洪水流量及匯流時間表

（3）瞬時單位線法

1）設計暴雨的計算

設計面雨量、面降雨過程、產流過程及凈雨過程計算同推理公式法,據韓城雨量、下墊面等資料分析盤河流域的潛流總量約為產流總量的15%,計算得到P=2%的凈雨過程見表8。

表8 區間流域重現期50年（P=2%）凈雨過程計算表

2）設計洪水計算

①瞬時單位線參數n、k的查算

根據《渭南地區暨銅川市實用水文手冊》由“各分區瞬時單位線參數（mli=1Q）綜合圖”查算盤河凈雨強度為10 mm的參數mli=10；再由“各分區瞬單位線非線性改正指數（b）綜合圖”查算非線性改正指數b；然后計算造峰歷時tp和平均雨強i、臨界雨強ik。

根據求得的參數按公式m1=m1i=10（10/i）b計算參數m1,當i＞ik時取i = ik；再由“各分區瞬時單位線參數（m2）綜合圖”查算m2值。然后根據公式m1=nk和 m2=1/n計算參數n、k。計算結果見表9。

表9 不同重現期的瞬時單位線參數n、k值

②設計洪水過程線

以n和t/k查“瞬時單位線表”可得時段單位線,用各時段的凈雨分別乘“時段單位線”,并依時序各錯后一個時段疊加,即得地面徑流過程線,再加潛流和基流過程得設計洪水過程線。

經計算,區間不同設計頻率的洪峰量見表10。

表10 區間不同設計頻率的洪峰流量表 單位：m3/s

（4）計算成果的采用

以上三種方法計算盤河水庫壩址至交通橋區間50年一遇設計洪水成果比較,見表11。

表11 設計洪水計算方法及成果比較表

從表11及以上計算結果可以看出,匯水面積相關法和綜合參數法參數均采用《渭南地區暨銅川市實用水文手冊》,而該手冊編制于1987年,所采用的資料系列比現有系列資料短,經驗公式考慮條件較少、精度較差,其計算結果合理性較差。瞬時單位線法使用300 km2～1000 km2,供參考使用,推理公式法,使用于流域面積在50 km2～300 km2。經比較分析,確定項目區50年一遇設計洪峰流量采用推理公式法值為120 m3/s。

2.4 盤河水庫調洪演算成果

（1）盤河水庫設計洪水過程線

根據《渭南地區暨銅川市實用水文手冊》《韓城市盤河水庫出險加固工程初步設計報告》中介紹的方法,進行盤河水庫壩址設計洪水計算,得出洪水過程線成果見表12。

表12 設計洪水過程線成果表

（2）盤河水庫下泄洪水

依據《韓城市盤河水庫除險加固工程初步設計報告》（通過評審并實施）,50 年一遇的下泄洪峰流量為303 m3/s,入庫洪峰流量為443 m3/s,該水庫除險加固后,堰頂凈寬為25 m,堰頂高程為601.60 m,庫容曲線、泄流曲線見表13。

表13 盤河水庫水位-庫容曲線、下泄流量曲線表

從表13可以計算出盤河水庫50年一遇的演算成果見表14。

表14 盤河水庫50年一遇洪水調洪演算成果表

3 洪水計算成果

當50 年一遇盤河水庫下泄洪水時,河道最大平均流速為2.9 m/s,根據水庫下泄的洪水過程線,考慮洪水演進,與區間過程錯峰疊加,得到項目區河道設計洪水過程線,見圖2。

圖2 50年一遇洪水過程線圖

根據盤河水庫壩址至交通橋處50年一遇洪水過程線分析,水庫壩址至交通橋處（區間河道）50年一遇洪水位323 m3/s,出現的時間為6.8 h。

4 結語

韓城市盤河水庫下游段交通橋洪水計算,是對河道上建有水庫設施,壩址以下河道區間洪水計算的一個淺析,本文結合《河道管理范圍內建設項目管理的有關規定》要求,分析水庫下泄洪水演進過程,并與河道區間過程錯峰疊加,從而得到符合現有河道的洪水計算的要求,為水庫下游防洪和涉水建筑物提供科學依據。