馮英杰張澤洲

（1.西北民族大學(xué)土木工程學(xué)院 甘肅蘭州 730124 2.蘭州有色金屬設(shè)計(jì)研究院 甘肅蘭州 730000）

倒灌河段橋梁水文分析與計(jì)算

馮英杰1張澤洲2

（1.西北民族大學(xué)土木工程學(xué)院 甘肅蘭州 730124 2.蘭州有色金屬設(shè)計(jì)研究院 甘肅蘭州 730000）

橋梁跨越支流，距支流與大河交匯處較近，大河上游建有水庫(kù)。通過(guò)對(duì)河流交匯處的水文分析，確定了橋梁設(shè)計(jì)洪水位。計(jì)算時(shí)既考慮了水庫(kù)對(duì)大河洪水的滯洪影響又考慮了大河倒灌對(duì)支流的回水影響，推算出合理的橋面設(shè)計(jì)標(biāo)高。

設(shè)計(jì)洪水位 倒灌 水庫(kù) 設(shè)計(jì)標(biāo)高

1 前言

劉家溝橋位于劉家溝支流上，距甘肅禮縣城區(qū)燕子河與劉家溝河交匯口僅15m。燕子河系西漢水的一級(jí)支流，是禮縣境內(nèi)西漢水上第四大支流。劉家溝河水主要來(lái)源于大氣降水，其中以雨水補(bǔ)給為主，雪水補(bǔ)給為輔，在橋位處匯入燕子河，見(jiàn)圖1。因此，設(shè)計(jì)時(shí)既要考慮劉家溝河的設(shè)計(jì)洪水流量，又要考慮燕子河水漲引起倒灌對(duì)劉家河水位的影響。

圖1 劉家溝橋位置示意圖

2 燕子河設(shè)計(jì)洪水流量計(jì)算

2.1 天然洪水分析

燕子河位于禮縣西北部，發(fā)源于岷縣東南雙燕山，自西北向東南流入禮縣境內(nèi)。流域面積764.Km2，流域海拔2875～1400m，平均比降1.9%。禮縣境內(nèi)流域面積542Km2，海拔2060～1400m，比降1.23%。上游屬中切割石質(zhì)山區(qū)，植被較好，降雨量較多，徑流系數(shù)大。

燕子河上游羅壩鄉(xiāng)苗家村峽口處1976年修建了苗河水庫(kù)，對(duì)燕子河洪水有一定的滯洪作用，所以計(jì)算橋址處燕子河設(shè)計(jì)洪水必須考慮苗河水庫(kù)的影響。

2.2 設(shè)計(jì)洪水分析10

橋址處設(shè)計(jì)洪水組成可以有以下三種情況：

（1）上、下同頻，區(qū)間相應(yīng)。即苗河水庫(kù)發(fā)生設(shè)計(jì)頻率洪水遭遇了苗河水庫(kù)～橋址處區(qū)間相應(yīng)的洪水后組成橋址處燕子河設(shè)計(jì)頻率的洪水。

（2）區(qū)、下同頻，上游相應(yīng)。即苗河水庫(kù)～橋址處區(qū)間發(fā)生設(shè)計(jì)頻率洪水遭遇了苗河水庫(kù)相應(yīng)洪水后組成橋址處燕子河設(shè)計(jì)頻率的洪水。

（3）其他比例組成，下游同頻。即苗河水庫(kù)～橋址處發(fā)生較大洪水，但都沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)頻率，二者遭遇后在下游橋址處達(dá)到設(shè)計(jì)頻率洪水。

對(duì)比以上三種情況，第二種對(duì)橋梁影響為最不利，因此，選擇第二種情況進(jìn)行計(jì)算。

2.3 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

橋址處的集水面積F=11.4km2,苗河水庫(kù)集水面積F=421km2，苗河水庫(kù)～橋址處區(qū)間集水面積F=409.6km2。

通過(guò)兩種方法計(jì)算燕子河橋址處設(shè)計(jì)洪水：

（1）根據(jù)《甘肅省暴雨洪水圖集》提供的地區(qū)綜合經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：F=764.7km2，計(jì)算得P=1%，Q=1106.4m3/s。

（2）苗河水庫(kù)集水面積F=421km2，2000年安全鑒定復(fù)核成果P=1%，Q=790m3/s，以面積指數(shù)公式計(jì)算，指數(shù)n=0.67,計(jì)算得橋址處設(shè)計(jì)頻率洪峰流量P=1%，Q=1178.4m3/s。

以上兩種方法計(jì)算結(jié)果差別不大，考慮到苗河水庫(kù)1980年加固工程設(shè)計(jì)與2000年安全鑒定采用了多種方法計(jì)算復(fù)核，成果都很接近，經(jīng)分析本次設(shè)計(jì)采用第二種方法計(jì)算結(jié)果，天然情況下P=1%，Q=1178.4m3/s。

表1 苗河水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果

由面積指數(shù)n=0.67，計(jì)算得苗河水庫(kù)～橋址處區(qū)間（F區(qū)=409.6km2）設(shè)計(jì)洪水Q1%=775.6m3/s，與此相應(yīng)的苗河水庫(kù)洪水為QM1=402.8 m3/s。經(jīng)過(guò)調(diào)洪計(jì)算，苗河水庫(kù)的下泄洪量為：QM2=1022.0 m3/s。

3 劉家溝設(shè)計(jì)流量計(jì)算

劉家溝寬約13～25m，溝兩岸基本為企事業(yè)單位和村莊。溝道狹窄，縱坡較大，在洪峰期產(chǎn)生泥石流，河床淤積很快，經(jīng)常堵塞，并在溝口已形成洪積堆、扇型的堆積區(qū)，對(duì)橋梁低級(jí)物質(zhì)及總體布置有一定影響。鑒于上述泥石流的影響，禮縣縣政府加大泥石流的防護(hù)措施，在劉家溝上游山坡植樹(shù)造林，在上游溝口修建攔河壩，把泥石流攔于山腳下，基本消除了泥石流的影響，設(shè)計(jì)時(shí)未考慮其影響。

3.1 徑流形成法

徑流形成法適用于匯水面積小于30km2的河溝，計(jì)算公式為：

式中：

QP—頻率為P的洪峰流量，m3／s；

h—徑流深度，mm；

z—被植被或洼地滯留的徑流深度，mm；

F—流域面積，km2；

β—洪水傳播影響洪峰流量的折減系數(shù)；

γ—流域內(nèi)降水不均勻影響洪峰流量的折減系數(shù)；

ψ0—地貌系數(shù)。

δ—湖泊或小水庫(kù)調(diào)節(jié)作用影響洪峰流量的折減系數(shù)。

根據(jù)《公路涵洞設(shè)計(jì)細(xì)則》確定各參數(shù)如表2。

表2 徑流形成法各參數(shù)

代入公式經(jīng)計(jì)算的設(shè)計(jì)頻率洪水流量：

3.2 經(jīng)驗(yàn)公式法

式中：PQ—頻率為P的洪峰流量，m3／s；

F—流域面積，km2；

C、n—隨地區(qū)及頻率而變化的參數(shù)和指數(shù)，山地，當(dāng)P=1%時(shí)C=22.0,n=0.621mm；

經(jīng)計(jì)算得QP=155.75m3/s。

兩種計(jì)算結(jié)果相近，考慮到洪水對(duì)橋梁影響的最不利情況取QP=155.75m3/s。

4 確定橋梁設(shè)計(jì)洪水位

4.1 設(shè)計(jì)洪水位分析

跨越支流的橋梁，當(dāng)受大河倒灌影響時(shí)，根據(jù)大河和支流洪峰出現(xiàn)時(shí)間的不同，可以有三種不同情況：

（1）大河無(wú)倒灌，支流出現(xiàn)設(shè)計(jì)流量。

（2）支流為常水位時(shí)，大河出現(xiàn)設(shè)計(jì)洪水，向支流倒灌。

（3）大河倒灌后開(kāi)始退水，支流發(fā)生設(shè)計(jì)洪水。

顯然第三種情況為最不利情況，根據(jù)調(diào)查和觀測(cè)資料證實(shí)，燕子河和劉家溝河同時(shí)出現(xiàn)洪峰的可能性很大，因此按第三種情況確定設(shè)計(jì)洪水位。

4.2 設(shè)計(jì)洪水位計(jì)算

考慮到劉家溝橋布設(shè)不應(yīng)改動(dòng)既有防堤，橋址處已有高邊坡漿砌片石護(hù)堤，臨水面邊坡1：0.3，背水坡1：1.25。

實(shí)測(cè)劉家溝河橋址處河床標(biāo)高1409.764m，河床比降Ic=0.025，穩(wěn)定河寬25m，河床糙率n=0.04。由天然狀態(tài)下Q1%=155.75m3/s，平均水深h=1.29，經(jīng)計(jì)算天然狀態(tài)下百年一遇設(shè)計(jì)洪水位H1%=1411.054m。

橋址距劉家溝河匯入燕子河匯合口15m，燕子河在劉家溝段Q1%=1022.0m3/s，護(hù)堤臨水面邊坡1：0.3，背水坡1：0.5，穩(wěn)定河寬90m，河床比降Ic=0.012，河床糙率n=0.04計(jì)算得，H1%=1412.004m。河流交匯口處流量在155.75m3/s時(shí)H=1410.524m。

根據(jù)鐵道部第三勘察設(shè)計(jì)院編著的《橋渡水文》，確定梁底和路肩標(biāo)高采用受大河倒灌影響的回水水位，支流河口交匯處壅水高度

橋址處受到大河倒灌影響的回水水位為：H=1411.054+1.148=1412.202m。

5 橋梁縱斷面設(shè)計(jì)

5.1 橋梁總跨徑確定

劉家溝橋以上左右岸0+000-0+783及橋以下右岸0+783-1+252有漿砌片石護(hù)岸，且在樁號(hào)0+260-0+360段已有的高邊坡護(hù)堤，劉家溝現(xiàn)有的防洪堤高度已能滿(mǎn)足防洪設(shè)計(jì)要求，因此，考慮到劉家溝橋布設(shè)不應(yīng)改動(dòng)既有防堤，設(shè)計(jì)為2 ×20m預(yù)應(yīng)力空心板簡(jiǎn)支梁橋。

5.2 橋面標(biāo)高確定

由于該橋位河段為不通航河流，且不考慮流冰，故只需計(jì)算設(shè)計(jì)水位控制的橋面最低高程。梁高取1.25m。

按設(shè)計(jì)水位計(jì)算橋面最低高程：

Hmin=1412.206+1.25+0.5=1413.956m

6 結(jié)語(yǔ)

受線(xiàn)路影響，橋位跨越支流，處于河流交匯口。支流和主河道均已修建防洪堤，主河道上游建有水庫(kù)，在不改變既有防洪設(shè)施的條件下對(duì)橋位處水文情況進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算過(guò)程中采用簡(jiǎn)單計(jì)算、經(jīng)驗(yàn)公式等多種方法相互校核，得出相對(duì)準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，最后對(duì)橋梁的縱斷面進(jìn)行了設(shè)計(jì)。與實(shí)際情況符合較好。

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2. 王小燕.黃河汛期倒灌渭河規(guī)律的分析.西北水資源與水工程[J]，1994，1.

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4. 劉光文.水文分析與計(jì)算[M].水利水電出版社.1963.

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10.3969/j.issn.1672-2469.2014.08.010

U442.3

A

1672-2469（2014）08-0028-03

10作者簡(jiǎn)介：馮英杰(1978年—)，女，講師。