某高速公路橋梁跨河道壅水及行洪能力計算

趙從容

（駐馬店市河道管理局，河南 駐馬店 463000）

1 基本概況

1.1 項目概況

該高速公路全長99 km，設計速度120 km/h，路基寬度27 m，雙向四車道。其中，跨越黃河段，設計速度120 km/h，路基寬度34.50 m，雙向六車道；黃河南岸至終點段，設計速度100 km/h，路基寬度26 m，雙向四車道，荷載等級為公路-I級。該高速公路項目跨河7 座橋梁。文章對幾個具有代表性的大橋進行壅水和行洪能力分析計算。

1.2 水文氣象

1.2.1 氣候特征

河道流域地處暖溫帶，屬北溫帶大陸性季風型氣候，四季分明，干濕季節明顯，冬季寒冷雨雪少，春季干旱風多，夏季炎熱雨量大，秋季晴和多涼爽，災害性天氣時有發生。全境日照年均為2 269 h，年平均氣溫為13.81 ℃，多年平均降雨量為553.50 mm，集中于6-9月份。

1.2.2 暴雨特征

該河流域的暴雨主要發生在6-9月，較大暴雨發生的時間多在7 月中旬至8 月下旬，暴雨中心主要集中在上游深山區。上游降雨特點一是歷時短，強度大，中心明顯，歷時一般均小于24 h，特點是先弱后強，集中在最后兩三個小時。其次是暴雨發生時間有比較固定的規律性，一般以7月、8月份出現機會較多。從該河“58·7”“76·8”“82·8”三次暴雨可以反映出較大暴雨均發生在這一時期。

1.2.3 洪水特征

流域內洪水由暴雨形成，其變化受暴雨和地形等因素影響，洪水的時空分布與暴雨一致，洪水具有陡漲陡落、峰型尖瘦的特點。洪水多發生在6-9月份，年最大洪峰一般出現在7月初至8月中旬，一次洪水過程歷時一般為3 d，由于降雨年際變幅大，加上地形的特點，以致洪水的年際幅度較大。

2 壅水和行洪能力計算

2.1 行洪能力分析計算

跨越處河道行洪能力采用明渠均勻流公式進行核算，公式如下：

式（1）中：Q—流量（m3/s）；A—過水斷面面積；C—謝才系數，C=R1/6/n；R—水力半徑（m），R＝A/X；i—渠道縱比降；n—河床糙率；X—過水斷面濕周（m）。

經復核，某河現狀河道橋位處防洪標準可滿足20 年一遇防洪標準，該河現狀河道橋位處防洪標準可滿足5年一遇排澇標準，原該河現狀河道橋位處防洪標準可滿足20 年一遇防洪標準，計算成果見表1。

表1 現狀河道行洪能力計算成果表

2.2 阻水分析

根據《某高速公路項目初步設計》大橋1 有4 根橋墩位于河道內，其中2 根位于主槽內，2 根位于左右二級平臺上，4 根橋墩占壓過水斷面，縮小河道過水斷面面積，300 年一遇洪水漫溢，概化計算洪水從橋下河道斷面過流，橋墩阻水進行阻水比分析計算。大橋2100 年一遇洪水漫溢，4 根橋墩位于河道內，占壓過水斷面，縮小河道過水斷面面積，概化計算洪水從橋下斷面過流，橋墩阻水進行阻水比分析計算。大橋3 根橋墩位于河道主槽內，100 年一遇洪水漫溢，有7 根橋墩位于過流斷面中，縮小河道過水斷面面積，從而在橋梁上游形成壅水區，概化計算洪水從橋下斷面過流，需橋墩阻水進行阻水比分析計算。

橋墩在洪水行洪斷面中阻水，在橋梁上游形成壅水區，壅水高度不僅決定橋梁高度，而且可能涉及兩岸工程的高度和安全，需橋墩阻水進行阻水比分析計算。

2.3 阻水比計算

阻水面積百分比，就是設計水位條件下，工程阻水結構在垂直水流方向上投影面積與河道過水斷面面積之比。即表示阻水面積與整個河道過水面積的比值，該指標主要直觀反映混凝土橋墩對河道過流能力的影響，阻水比越大混凝土橋墩對河道過流能力影響越大，反之則影響越小。得出整個河道斷面的阻流占比。經計算，大橋1，遇20 年一遇洪水時，主槽過水，橋墩阻水，阻水比7.04%；遇300年一遇洪水時，主槽過水，橋墩阻水，阻水比9.77%；大橋2，遇5 年一遇洪水時，主槽過水，橋墩阻水，阻水比6.86%；遇100 年一遇洪水時，主槽過水，橋墩阻水，阻水比7.75%；大橋3，遇20年一遇洪水時，主槽過水，一跨跨越主槽，主槽內無橋墩；遇100 年一遇洪水時，主槽灘地過水，橋墩阻水，阻水比2.53%。

2.4 最大壅水高度計算

壅水高度計算采用《公路工程水文勘測設計規范》橋前最大壅水高度計算公式，公式如下：

式（2）中：ΔZ—橋前最大壅水高度（m）；n—系數，橋墩的阻水面積和過水斷面的比值小于10%時，ν取0.05；V—橋下平均流速，V=Q/W凈；V0—橋前全斷面平均流速，V0=Q/W。

2.5 回水影響長度

回水長度計算公式如下：

式（3）中：L—回水曲線全長（m）；ΔZ—橋前最大壅水高度（m）；I—水面坡降（采用河道縱比降）。

根據分析，大橋1以20年一遇防洪標準作為計算工況，壅水高度為4.50×10-2m，回水長度為161 m，300年一遇防洪標準作為計算工況，壅水高度為0.25 m，回水長度為884 m；大橋2以5年一遇防洪標準作為計算工況，壅水高度為7×10-3m，回水長度為88 m；100 年一遇防洪標準作為計算工況，壅水高度為7×10-3m，回水長度為87 m；大橋3 以20 年一遇防洪標準作為計算工況，壅水高度為0 m，回水長度為80 m，100 年一遇防洪標準作為計算工況，壅水高度為2×10-3m，回水長度為6.50 m。

2.6 臨時建筑物壅水

大橋1修建時主槽內26#、27#、28#、29#橋墩施工時修筑施工圍堰，堰頂高程108.24 m，施工期洪水施工圍堰采用土石圍堰。圍堰占用河道底寬10 m，施工期洪水可從圍堰外側過流，河道水位107.24 m，施工期洪水流量為5 m3/s，由于施工期洪水流量較小，土石圍堰不會對水流形成壅高。

大橋2修建時主槽內2#、3#橋墩施工時修筑施工圍堰，堰頂高程109.47 m，施工期洪水施工圍堰采用土石圍堰。圍堰占用河道底寬8 m，施工期洪水可從圍堰外側過流，河道水位108.47 m，施工期洪水流量為5 m3/s，由于施工期洪水流量較小，土石圍堰不會對水流形成壅高。

2.7 相鄰建筑物的影響

河道1上游260 m為國道G207公路橋，大橋120年一遇來水產生的壅水回水長度161 m，壅水高度為4.50×10-2m，回水長度距離G207公路橋約100 m，壅水高度較小，影響較小。大橋2上游160 m為農村生產橋，該河大橋產生的壅水回水長度88 m，壅水高度為7×10-3m，壅水高度較小，影響較小。

2.8 洪水位計算

橋梁處設計河底高程106.58 m，左右岸岸頂寬6 m，右岸堤頂高程為112.78 m，左岸堤頂高程為112.73 m，經計算，20年一遇洪水位為111.73 m。300年一遇洪水位為115.66 m。橋梁位處設計河底高程105.69 m，左岸頂高程為110.27 m，右岸頂高程為110.95 m。經計算，5 年一遇洪水位為水位119.99 m，100年一遇洪水位為110.81 m。干渠大橋跨越原該河位于賈營斷面上游2 400 m，斷面河道20年一遇設計洪峰流量為109 m3/s。經計算，橋位處20 年一遇洪水位為109.31 m，100 年一遇洪水位為109.94 m。

3 結語

橋梁建成以后，橋墩位于河道過水斷面中，縮小了河道行洪斷面，引起斷面處水流流速增大，發生壅水，經計算，大橋1遭遇300年一遇設計流量時河道行洪，橋底板高程能夠滿足要求；大橋2、大橋3 遭遇100 年一遇洪水時，橋底板高程能夠滿足要求。