新疆地區公路橋梁水文計算分析與研究

摘" 要：該文針對新疆地區公路橋梁工程概況，結合現場水文地質、工程地質調查，查閱相關水文資料及研究成果，對橋梁水文參數進行對比計算，計算得出該地區橋梁年最大流量的平均值及設計流量值，可為今后該地區類似工程勘察設計提供技術參考。

關鍵詞：橋梁;水文計算;設計流量;匯水面積;計算參數

中圖分類號：TV12" " " "文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）09-0085-04

Abstract： In this paper， according to the general situation of highway and bridge engineering in Xinjiang， combined with on-site hydrogeology and engineering geological survey， consulting relevant hydrological data and research results， the bridge hydrological parameters are compared and calculated. The average value of annual maximum flow and design flow of bridges in this area are calculated， which can provide technical reference for the investigation and design of similar projects in this area in the future.

Keywords： bridge; hydrological calculation; design flow; catchment area; calculation parameters

本文針對G0711烏魯木齊至尉犁高速公路工程中的烏拉斯臺特大橋橋梁工程概況，結合現場工程地質勘察，橋址區水文地質、工程地質調查，在充分搜集和查閱了前人及近期該地區相關工程的相關水文地質資料及新疆地區公路勘察設計研究院、中科院天山冰川研究所的研究成果資料的基礎上，對橋梁水文參數進行了深入分析和對比計算，計算得出了該地區橋梁年最大流量的平均值及設計流量值，可為今后該地區類似工程勘察設計提供技術參考。

1" 工程概況

擬建烏拉斯臺特大橋為烏魯木齊至尉犁段高速公路建設項目的重要組成部分，位于天山南坡，和靜縣阿拉溝鄉烏拉斯臺村烏斯托溝溝口，橋軸線走向方位角152～212°，跨越南疆鐵路、烏斯托溝、山麓斜坡區。橋址區軸線地面高程2 869～2 942 m，相對高差約70 m。兩岸橋臺位于自然斜坡上，坡度15～20°，坡度較緩，斜坡上植被較發育。橋梁長度約2 200 m，橋梁寬度2×12.75 m，最大墩高44 m，上部結構為預應力混凝土小箱梁+連續剛構，下部結構橋墩及基礎擬采用柱式墩、樁基礎，橋臺及基礎擬采用柱式臺、樁基礎。

2" 橋址區工程地質條件

根據橋址區地質調查及鉆孔勘探資料，橋址區地層巖性上部為第四系全新統（Q4）地層，巖性為草甸土、含礫粉土，含粉土碎石，發育廣泛，下部基巖為志留系阿河布拉克組第一亞組（Saha）石英片巖和元古界中天山群長城系星星峽群（CHx）石英片巖。

3" 橋址區水文地質條件

3.1" 烏拉斯臺河水系

烏拉斯臺溝是烏拉斯臺河的主流，烏拉斯臺河發源于勝利達坂山脊一帶，水源主要為高山積雪融化，河流向南流經烏拉斯臺村山間谷地，到達巴侖臺鎮后繼續向南經過黃水溝并入靠近庫爾勒市的開都河內。河流溝寬20～150 m，水深0.5～1.0 m，洪水季節為7—8月份。

烏拉斯臺河河流匯水面積約4 300 km2（黃水溝水文站以上），徑流長約100 km，年平均徑流量2.56×108 m3，河流順坡沿溝發育，水流湍急，在雨季時節因暴雨和陣雨形成洪水。

3.2" 冰川

新疆天山山脈的雪線高度在3 600～4 300 m的冰川較多，冰川總面積約9 000 km2，冰川儲量約1 000 km2。天山1號冰川位于勝利達坂西側，冰川垂直高差近750 m，為冰斗-山谷冰川，面積1.84 km2。1號冰川由東、西2支的冰川組成，1988年之前僅為1支，后由于冰川退縮，形成2支，其上、下界分別為3 740～4 269 m和3 810～4 486 m，面積分別為1.163 km2和0.677 km2。

橋址區附近的冰川主要分布于天山山脈北坡的喀拉烏成山天格爾峰，含4個山地冰川小流域，在這些流域的高山帶分布冰川150余條，總面積達48.00 km2。烏魯木齊河源最大冰川長4.25 km，面積約3.60 km2。

在1∶50 000的地形圖上勾繪出該橋位上游（天山南坡），如圖1所示。烏托斯溝斷面的匯水面積為38.57 km2，河長6.61 km，支流比降J按照加權平均法進行計算為67.64‰。

4" 氣象條件

橋址區氣候屬中溫帶大陸干旱氣候。寒熱差異較大，夏季短而酷熱、冬季漫長寒冷，氣溫變化幅度較大，降雨量貧乏，蒸發量大而強烈，氣候較為干燥。9—10月份開始下雪。為了研究烏魯木齊至尉犁段高速公路建設項目工程建設條件的可行性，中國科學院寒區旱區環境與工程研究所在隧道穿越區建立了5處長期綜合氣象站點（GS001—GS005），監測內容包括氣溫、降雨量、降雪厚度及地表溫度等氣象參數，其中GS001、GS002站點位于天山北坡，GS003、GS004、GS005站點位于天山南坡。根據各氣象站點資料，地表溫度隨海拔高度變化規律明顯，隨著海拔高度的增加，年均地表溫度降低，南坡的地表溫度遞減率要明顯大于北坡。多年平均地表溫度在-0.8 ℃～-5.7 ℃，最高地表氣溫在每年的7月，最高地表溫度在8.3 ℃～14.4 ℃，最低地表溫度在每年的2月，最低地表溫度在-13.4 ℃～-19.4 ℃。橋址區年降水量隨海拔高度的增加成增加趨勢，多年平均降水量在391.9～550.0 mm/a。降水多集中在6—8月，約占全年總降水量的50.5%～57.3%。年降雪厚度隨海拔高度的增加呈增加趨勢，北坡降雪厚度隨海拔高度的遞增率要明顯大于南坡。多年平均降雪厚度在64.0～190.7 cm/a。降雪多集中在4月和5月，約占全年總降雪厚度的39.0%～66.3%（表1）。

5" 參數確定及水文計算

5.1" 直接推算法

直接推算法：50年一遇的設計流量直接由Q2%=kF n′求得，100年一遇的設計流量則由Q1%/Q2%的比值求得。該方法只能推求Q2%/Q1%。

根據《新疆公路橋涵水文參數研究-研究報告》 （以下簡稱《研究報告》），50年一遇的設計流量公式如下

Q2%=k×F n′，

式中：Q2%是洪水頻率為2%（50年一遇）的設計洪峰流量，m3/s;F是流域匯水面積，km2;k是綜合系數，根據《研究報告》中“新疆水文分區與流域水系圖”可得，本項目所在天山南坡k=4.35;n′是面積指數，根據《研究報告》 中“新疆水文分區與流域水系圖”可得，本項目所在段天山南坡n′=0.64。

根據工程地質勘察資料，溝匯出烏拉斯臺特大橋匯水面積為38.57 km2，即F=38.57 km2，主河溝長度L=6.61 km，河溝平均坡度為67.64‰。

計算得出Q2%=k×F n′=4.35×38.570.64=45.05 m3/s。

100年一遇的設計流量Q1%由Q1%/Q2%的比值求得，根據《研究報告》 中“新疆水文分區與流域水系圖”可得，本橋梁所在天山南坡段Q1%/Q2%=1.25。

因此：洪水頻率為1%（100年一遇）的設計洪峰流量Q1%=1.25×Q2%=1.25×45.05=56.31 m3/s。

5.2" 綜合推算法

1979年制定全國水文分區流量計算參數表時，大中橋的設計頻率為Q2%和Q1%;但1982年后高等級公路上的特大橋設計洪水頻率為0.33%。無法得到Q0.33%值，則可由Q、CV、CS/CV值，查得Q0.33%值，計算Q0.33%=Q×（1+Φ0.33%×CV）。

綜合推算法：由分區平均流量公式Q=C×Fn求得平均流量Q，再由CV等值線圖查得CV，再根據CS/CV的比值求得CS，最后由P-Ⅲ型頻率曲線QP=Q×（1+Φp×CV）求得指定頻率P的設計流量。

根據《研究報告》，由P-Ⅲ型頻率曲線得0.33%（300 年一遇）的設計流量Q0.33%為

Q0.33=Q×（1+Φ0.33×CV），

式中：Q0.33是洪水頻率為0.33%（300年一遇）的設計流量，m3/s;CV是變差系數，根據《研究報告》中“新疆流域年最大流量CV等值線圖”可得，CV=1.0;CS是偏差系數，根據《研究報告》中“新疆水文分區與流域水系圖”可得，本項目所在天山南坡段CS/CV=4，故CS=4×CV=4×1.0=4.0;Φ0.33%為頻率為0.33%的離均系數，查《公路橋涵設計手冊》“皮爾遜Ⅲ型曲線的離均系數Φ值表”，CS=4.0時Φ0.33%=7.18;Q是各年最大流量的平均值，m3/s。

Q=C×F n，

式中：C是綜合系數，根據《研究報告》中“新疆水文分區與流域水系圖”可得，本項目所在天山南坡段C=0.89;n是面積指數，根據《研究報告》 中“新疆水文分區與流域水系圖”可得，本項目所在天山南坡段n=0.68;F是流域匯水面積，km2。

計算得出Q=C×F n=0.89×38.570.68=10.67 m3/s，

Q0.33=Q×（1+Φ0.33×CV）=10.67×8.18=87.28 m3/s。

6" 設計水位計算

本橋采用《公路橋涵水文計算系統-第二版》計算，計算結果如下。

主槽粗糙系數：MC=25.00

洪水坡度：PD0=0.003 8

主槽水面寬度：KDC=7.11 m

主槽濕周：SZC=7.32 m

主槽面積：MJC=19.89 m2

主槽水力半徑：BJC=2.71 m

主槽平均水深：HPJC=2.79 m

主槽水深：Hmax=3.172 m

主槽流速：VC=3.00 m/s

主槽流量：QC=59.68 m3/s

第1號邊灘。

粗糙系數：MT=25.00;水面寬度：KDT=5.73 m;面積：MJT=8.53 m2;平均水深：HPJT=1.48 m;流速：VT=1.88 m/s;流量：QT=16.06 m3/s。

第2號邊灘。

粗糙系數：MT=25.00;水面寬度KDT=4.16 m;面積：MJT=6.31 m2;平均水深：HPJT=1.51 m;流速：VT=1.82 m/s;流量：QT=11.50 m3/s。全斷面流量合計Q=87.25 m3/s。

形態斷面流量（水位）計算結果（如圖2所示）。

HDF=2 981.51 m。

7" 計算結果合理性分析

根據JTGC30—2015《公路工程水文勘測設計規范》、《新疆公路橋涵水文參數研究-研究報告》，結合新疆本地區水文的特點，決定項目中橋涵匯水面積大于5 km2的流域，分別采用《新疆公路橋涵水文參數研究-研究報告》中的“直接推算法”和“綜合推算法”進行計算（因為當匯水面積大于5 km2時，這2種方法的計算結果和現場實際調查、沖刷痕跡吻合較好）。然后對2種方法的計算結果進行比較，再綜合調整2種計算方法的各參數，并對計算結果和實際調查資料相比較，然后取定一個與實際調查相吻合的理論計算流量作為規定頻率下的設計流量。

8" 結束語

本橋梁水文計算采用多種計算方法， 綜合比較，合理確定各設計頻率P下的洪峰流量Qp，再通過實際調查水位、洪痕、溝渠特征對理論計算的洪峰流量加以修正，使理論洪峰流量和客觀實際相吻合。通過本工程實例計算分析結果，對計算結果互相驗證，讓更多勘察設計者們更好地了解新疆當地橋梁水文計算方法，更好地推動針對新疆地區公路橋梁水文參數的設計實踐應用。

參考文獻：

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[4] 交通運輸部.公路工程水文勘測設計規范：JTG C30—2015[S].北京：人民交通出版社，2015.

[5] 交通運輸部.公路橋涵設計通用規范：JTG D60—2015[S].北京：人民交通出版社，2015.

第一作者簡介：吳永斌（1988-），男，工程師。研究方向為工程地質與水文地質。