陳林(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計院)

錦州機場路小凌河特大橋水文計算分析

陳林
(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計院)

摘要:通過對橋位處小凌河流域組成的調(diào)查分析，對不同流域采用了不同的方法計算設(shè)計流量，最終計算出橋位處300年一遇的設(shè)計流量。通過得到的設(shè)計流量，對小凌河特大橋的橋長、橋面高程、沖刷進行計算分析，為設(shè)計方案提供基礎(chǔ)的設(shè)計資料。

關(guān)鍵詞:小凌河特大橋;流量計算;橋位計算

中圖分類號:U442

文獻標識碼:C

文章編號:1008－3383(2015)04－0136－02

1　工程概況

小凌河特大橋是錦州機場路的控制性工程，橋址位于小凌河流域下游，距離入?？诩s7．8 km。

小凌河是遼寧省西部較大河流之一，該河發(fā)源于朝陽縣的助安喀喇山，自西北向東南流經(jīng)朝陽、連山、凌海、錦州等市、縣(區(qū))，于凌海市娘娘官鄉(xiāng)南注入遼東灣，干流河長206 km，流域面積5 153 km2。

小凌河流域呈長方形，東西長90 km，南北寬60 km，地勢自西向東，由南北向中部傾斜。小凌河山河營子以上，河流穿行山谷之間，河道彎曲，兩岸植被較差，河床比降為1．27‰～1．52‰。自山河營子以下河道進入丘陵及沿海平原區(qū)，河床比降為1．13‰左右。

2　水文計算要點

由小凌河流域示意圖可以看出，橋位處設(shè)計流量可以分為四個區(qū)間:小凌河干流匯流處;女兒河匯流處;百股河匯流處;匯流處至橋位區(qū)間。對四區(qū)間根據(jù)流域情況按不同方法分別計算300年一遇的設(shè)計流量，然后對四部分設(shè)計流量進行疊加，最終確定橋位處的設(shè)計流量。

橋位上游約3．6 km處小凌河有分岔，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，洪水時該岔分擔約20%左右的洪水流量。根據(jù)《錦州龍棲灣新區(qū)小凌河防洪方案論證報告》中建議封閉該支汊，洪峰流量全部由主河道承擔，計算橋位處水位及流速時，偏安全考慮，橋位處流量采用計算的洪峰流量，不進行折減。

橋孔長度及壅水、沖刷均采用現(xiàn)行規(guī)范公式計算。其中橋孔長度除采用公式計算確定外，還按照橋位處地形、并參考上下游橋梁情況，以及水利部門的意見綜合確定。

3　設(shè)計流量計算

3．1小凌河干流匯流處設(shè)計流量

錦州水文站位于小凌河干流匯流處上游約6公里處，可以根據(jù)錦州水文站的觀測資料數(shù)據(jù)按數(shù)理統(tǒng)計法推算其設(shè)計流量。由于水文站資料內(nèi)大洪水較少，因此把洪水調(diào)查和水文站觀測的年最大流量資料按不連續(xù)系列進行處理。其中1930～1953年為調(diào)查期，1954～1998年為實測期，則在調(diào)查期N =68年內(nèi)有特大洪水a(chǎn) =4項，其中有L =1項是發(fā)生在n =33年的實測系列之內(nèi)的，則a = 4項特大洪水的經(jīng)驗頻率按PM = M/(N +1)進行計算，實測系列中其余的(n－ L)項的經(jīng)驗頻率按進行計算，經(jīng)計算得到經(jīng)驗頻率。

根據(jù)經(jīng)驗頻率在海森機率格紙上經(jīng)驗頻率點群分布，采用適線法繪制理論頻率曲線。首先確定統(tǒng)計參數(shù)，Cv和Cs:其中= 1 751．456 m3/s，Cv = 1．374，通過試選，稍微加大Cv值，取Cv =1．55，Cs =2．1Cv，

繪出相應的理論P－Ⅲ型頻率曲線，經(jīng)過與經(jīng)驗頻率點群分布比較發(fā)現(xiàn)，理論頻率曲線與點群總體分布配合較好。則最終統(tǒng)計參數(shù)= 1 751．456 m3/s，Cv = 1．55，Cs = 3．26。根據(jù)《橋位設(shè)計》則可計算出錦州水文站處300一遇的設(shè)計流量為Q0．33%=17 220．7 m3/s。

錦州站年最大洪峰流量PⅢ型曲線適線圖

由于錦州水文站處匯水面積為3 076 km2，小凌河干流匯流處匯水面積為3 150 km2，兩者相差極小，且全流域暴雨分布均勻，區(qū)間無分洪、滯洪，可采用流域面積比擬法，來推算匯流處P =0．33%的設(shè)計流量，即: Q0．33%= (3 150/3 076) ×0．75×17 220．7 =17 530．468 m3/s。

3．2女兒河匯流口處設(shè)計流量

根遼寧省洪水調(diào)查資料匯編，女兒河烏金塘站處歷史洪水排第一位為1930年，洪峰流量為3 960 m3/s，第二位為1949年，洪峰流量為2 990 m3/s?？梢杂嬎愠?930年洪水頻率P1930=2/(2 014－1 849 +1) =1．205%，1949年洪水頻率P1949=3/(2 014－1 849 +1) =1．807%，

考慮錦州站與烏金塘站屬同一流域，故可以與錦州站采用相同統(tǒng)計系數(shù)Cv及Cs。根據(jù)《橋位設(shè)計》公式Q0．33%= QP1%×K0．33%/KP1%。其中KP= Cv×Φ+ 1。分別根據(jù)《橋位設(shè)計》查取各頻率的Φ值，即可根據(jù)1930年和1949年頻率下洪水流量分別計算出相應的設(shè)計洪水流量。兩者取大值，最終烏金塘站處Q0．33%=5 466．6 m3/s。

由于烏金塘站處匯水面積為925．2 km2，女兒河匯流處匯水面積為1 490 km2，流域區(qū)間暴雨分布均勻，區(qū)間無分洪、滯洪，可采用流域面積比擬法，來推算女兒河匯流處P = 0．33%的設(shè)計流量，即: Q0．33%= (1 490/925．2)×0．75×5 466．6 =7 814．692 m3/s。

3．3百股河匯流口處流量

根據(jù)調(diào)查，百股河有記載的洪水分別為1949和1994年，其中1994年洪水后百股河河道治理后與現(xiàn)行河道變化

較大，如采用形態(tài)斷面法得出的流量與1994年實際流量差別較大，故對百股河采用利用暴雨資料及全國水文分區(qū)等方法計算設(shè)計水位。

(1)采用遼寧省經(jīng)驗公式: Q1%= 0．278×φ1%×F× S1%÷τn。其中河道參數(shù)匯水面積F =331．9 km2，主河道長度LZ=30．588 km，主河道平均縱坡IZ= 4．12%，其他參數(shù)分別根據(jù)遼寧省水文圖集可以得出，最終計算結(jié)果Q1%= 1 051．993 m3/s。

(2)采用全國水文分區(qū)經(jīng)驗公式: Q1%=(K1%/K2%) K×Fn。其中匯水面積F =331．9 km2，查遼寧省洪峰流量Cv等值線圖得Cv =0．55，其中Cs/ Cv =2．5，根據(jù)橋位設(shè)計可計算出K1% = 2．79，K2% =2．48，最終計算結(jié)果Q1%=953．53 m3/s。

(3)采用楊則乙遼寧省公路小橋涵設(shè)計流量計算公式Q2%=0．278×ф×S2%×F/τn。其中S2%= H24×K2%×24n2－1，τ= K1×(L/J0．5)m，其中參數(shù)Cs/ Cv =3．5，Cv =0．55，歷年暴雨均值H24=90，其他參數(shù)根據(jù)相關(guān)圖表得出，最終Q1%=1．2×Q2%=1 100．328 m3/s。

根據(jù)以上三種方法比較，最終取Q1%=1 051．993 m3/s，則百股河匯流口處設(shè)計流量Q0．33%= Q1%×K0．33%/K1%= 1 162．168 m3/s。

3．4匯流口至橋位處處流量計算

匯流口至橋位處距離30．7 km，屬于沿海平原區(qū)，該流域面積為177 m2，洪水計算采用采用黃淮海平原洪峰流量公式及采用平原區(qū)排水模數(shù)法比較驗證。

(1)采用黃淮海平原洪峰流量公式: Q1%= 0．094 8× 2．530．813NM0．813F0．244N +0．571η0．813。其中M為暴雨量系數(shù)，即一般暴雨強度公式中的Sp值。根據(jù)橋位設(shè)計及遼寧省水文圖集中相關(guān)系數(shù)，最終結(jié)果Q1%=143．265 m3/s。

(2)采用平原區(qū)排水模數(shù)法: Q = MF。其中排水模數(shù)M = K×Rm×Fn，設(shè)計徑流深R = K1%×R均，根據(jù)公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范及水文手冊可以查得相關(guān)參數(shù)，最終得到Q1%=166．549 m3/s。

根據(jù)以上兩種方法比較，最終取Q1%=166．549 m3/s，則百股河匯流口處設(shè)計流量Q0．33%= Q1%×K0．33%/K1%= 183．992 m3/s。

3．5橋位處流量計算分析

最終橋位處設(shè)計流量由以上四部分組成Q0．33%= 17 530．5 +7 814．9 +1 162．2 +184．0 =26 691．6 m3/s。

橋位處洪水流量分析:橋位處設(shè)計流量采用四區(qū)間分別計算300年一遇洪峰流量，然后四部分洪峰流量疊加。未考慮洪峰在匯流口的遭遇關(guān)系，實際洪峰存在錯峰時間差。與水利部門計算匯流口流量Q0．33%= 17 200 m3/s相比，結(jié)果偏大。偏于安全考慮，采用四區(qū)間匯合后的流量: 26 691．59 m3/s。

4　設(shè)計水位、流速確定

以橋址斷面為準，計算不同水位時對應得設(shè)計流量，并繪制水位與流量、過水面積、流速關(guān)系曲線。查關(guān)系曲線，由設(shè)計流量Q0．33%= 26 691．59 m3/s，查得設(shè)計洪水位Hs = 9．105 m，根據(jù)設(shè)計水位反算流量與設(shè)計流量差值小于5%，滿足要求。所以最終設(shè)計水位Hs =9．105 m，設(shè)計流速Vs = 4．05 m/s。

5　橋長及橋面高程計算

采用《公路橋位勘測設(shè)計規(guī)范》中河槽寬度公式Lj = Kq (Qp/Qc)n3Bc計算最小橋孔凈長Lj=707．4 m。當采用單寬流量公式Lj= Qs/(β×qc)計算最小橋孔凈長Lj= 571 m，取兩者大值橋孔凈長Lj=707．4 m。由于路線與河流夾角為120度，故計算最小橋長L = Lj/cos(a) = 816．8 m。通過對上下游橋梁孔徑的調(diào)查及根據(jù)小凌河在橋位處的河壩規(guī)劃位置，最終按遼寧省凌河保護區(qū)管理局對小凌河大橋的防洪批復意見，橋孔采用46－30 m，橋長為1 380 m。

按設(shè)計洪水位計算高程Hmin= Hs +∑△h +△hj+ △h0，其中Hs為設(shè)計水位。計算得壅水高度△z = 0．44 m，浪高△h =0．887 m，橋面高程計算壅水高計入1/2，浪高計入2/3，本橋不考慮通航要求，安全值△hj= 0．5 m，考慮梁高，橋面橫坡及漂浮物0．2 m，最終橋面高程Hmin=13．04 m。

6　沖刷計算

一般沖刷深度采用《公路橋位勘測設(shè)計規(guī)范》中64－1修正公式計算得hp=14．486 m，采用64－2簡化公式進行計算得hp= 14．640，最終一般沖刷線為9．105－14．640 =－5．535 m。

局部沖刷深度采用《公路橋位勘測設(shè)計規(guī)范》中65－1修正公式計算得hb=2．672 m，采用65－2公式進行計算得hb=2．775，最終橋墩局部沖刷線標高為－5．535－2．775 = －8．31 m。其中河床泥沙平均粒徑取3 mm。

7　結(jié)語

從小凌河大橋的水文計算分析中可以看出，對于大型的橋梁工程，水文計算既要考慮各方面資料的準確性，又要考慮到各種計算方法不同的適應性。只有通過對水文資料充分而細致的調(diào)查與研究，運用正確合理的計算方法，綜合考慮各方面的影響，才能做出合理的方案設(shè)計，同時保證橋梁的安全、適用及經(jīng)濟合理。

參考文獻:

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作者簡介:陳林(1982－)，男，湖北石首人，工程師，研究方向:道橋設(shè)計。

收稿日期:2015－02－28