(陜西省咸陽(yáng)水文水資源勘測(cè)局，陜西 咸陽(yáng) 712000)

地鐵五號(hào)線是西安市軌道交通線網(wǎng)中第二條東西向的主骨架線路，該線路聯(lián)接紡織城火車(chē)站、浐灞生態(tài)區(qū)、曲江新區(qū)、高新區(qū)、西咸新區(qū)等城市近期重點(diǎn)建設(shè)區(qū)域，中部緩解主城區(qū)交通擁堵問(wèn)題，兩端帶動(dòng)城市近期重點(diǎn)建設(shè)區(qū)域開(kāi)發(fā)，是典型的中心交通疏導(dǎo)、兩端開(kāi)發(fā)引導(dǎo)型的線路。

西安5號(hào)地鐵線浐河大橋位于浐河上，其中浐河在本段河道順直，河槽寬闊。該項(xiàng)區(qū)域已建成有百年一遇標(biāo)準(zhǔn)的防洪堤；堤頂?shù)缆窞闉r青路面，寬12 m，路面兩側(cè)為5 m寬的綠化帶，綜合考慮浐河河道的泄洪、河堤道路通行的需求，本處采用(45+68+45)m連續(xù)梁方案；其中跨越?jīng)汉觾砂兜缆凡捎?8 m邊跨跨越，浐河河槽采用68 m主跨跨越；兩主墩基礎(chǔ)均落在浐河河堤邊坡上。橋梁走向與浐河河道主流方向成58度夾角。橋墩在浐河上布設(shè)5跨，其中3跨在浐河河道上，另外2跨在河堤上。連續(xù)梁采用懸臂灌注法施工。

依據(jù)我國(guó)《水法》、《防洪法》及相關(guān)法律、法規(guī)規(guī)定，應(yīng)進(jìn)行防洪評(píng)價(jià)，為西安5號(hào)地鐵線浐河大橋建設(shè)單位及河道管理決策提供依據(jù)，防洪評(píng)價(jià)內(nèi)容比較多，本文就橋位處的水文分析計(jì)算進(jìn)行討論。

依照浐河5號(hào)線浐河橋梁布設(shè)圖的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)橋梁底部高程為431.734 m，通過(guò)計(jì)算橋位處洪水位421.15，靜空高度10.584 m.按照規(guī)范要求，行洪凈高高度不低于5 m，滿足河道行洪要求。

1 浐河概況

浐河發(fā)源于西安市藍(lán)田縣西南秦嶺北坡湯峪鄉(xiāng)月亮石溝，至西安市譚家鄉(xiāng)廣太廟注入灞河。浐河全長(zhǎng)64.6 km，流域面積760 km2，河床平均比降8.9‰，多年平均徑流量19 980萬(wàn) m3，平均流量為6.34 m3/s,為常年流水河，水量受季節(jié)影響較大，本線路經(jīng)過(guò)浐河河床段兩岸已人工襯砌。

2 浐河流域暴雨洪水特征

2.1 暴雨特征

浐河流域暴雨發(fā)生的月份，最早出現(xiàn)在4月份，最遲出現(xiàn)在10月份，但較大的暴雨一般發(fā)生在7～9月份，多年平均降雨量為833.3 mm，6-9月降水量占全年降水量的58.4%。

西安地區(qū)夏季多處在暖氣團(tuán)之中，天氣晴朗、氣壓低、氣溫高，而這時(shí)從東北和西北來(lái)的冷氣團(tuán)會(huì)主動(dòng)進(jìn)入，從而在冷暖風(fēng)下，產(chǎn)生鋒面雨，從而產(chǎn)生短時(shí)間的暴雨(下雨主要看原來(lái)所控制本地區(qū)的氣團(tuán)是否含有水量)。

2.2 洪水特征

根據(jù)《陜西省洪水調(diào)查資料》(陜西省水利廳，1984年)、《西安市實(shí)用水文手冊(cè)》(西安市水電局，1988)等有關(guān)資料，藍(lán)田縣水利局在浐河上游支流湯峪河峪口調(diào)查有1940年8月發(fā)生洪水，最大洪峰為354 m3/s。在岱峪河峪口調(diào)查有1920年8月發(fā)生洪水，洪峰流量279 m3/s，下游蔣家灣村調(diào)查到?jīng)汉?953年8月2日發(fā)生洪水，洪峰流量777 m3/s。以上調(diào)查歷史洪水成果均為可靠，可作為浐河設(shè)計(jì)洪水計(jì)算中的重要參考依據(jù)。

3 設(shè)計(jì)洪水分析及復(fù)核

3.1 洪水資料選擇

項(xiàng)目區(qū)所在浐河干流，未設(shè)立水文站，浐河相鄰流域設(shè)立的水文站中，羅李村水文站位于灞河上游，控制流域面積754 km2，斷面以上主要為山區(qū)，山區(qū)面積占水文站控制流域面積的81%；馬渡王水文站位于灞河中游，控制流域面積為1 601 km2，馬渡王水文站控制面積中山區(qū)面積占總流域面積的70%；灃河秦渡鎮(zhèn)水文站控制流域面積566 km2，山區(qū)面積占水文站控制流域面積的91%；潏河高橋水文站控制流域面積632 km2，山區(qū)面積占水文站控制流域面積的57%。

項(xiàng)目所在位置處于西安市灞橋區(qū)浐河下游處，流域降雨、植被均與相鄰流域灞河、灃河流域較為接近，分別采用馬渡王水文站、羅李村文站、高橋水文站、秦鎮(zhèn)水文站作為項(xiàng)目區(qū)斷面設(shè)計(jì)洪水的參證站比擬項(xiàng)目區(qū)斷面設(shè)計(jì)洪水。

3.2 設(shè)計(jì)洪水分析計(jì)算

3.2.1 實(shí)測(cè)徑流系列水文比擬法

根據(jù)馬渡王水文站、羅李村文站、高橋水文站和秦鎮(zhèn)水文站實(shí)測(cè)徑流系列水文比擬法，實(shí)測(cè)徑流系列，利用歷年最大洪峰流量，采用P-Ⅲ型分布曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水洪峰流量計(jì)算，計(jì)算原理如下：

1) a個(gè)特大洪水的經(jīng)驗(yàn)頻率為：

(1)

n-L個(gè)連序洪水的經(jīng)驗(yàn)頻率為：

(2)

上述式中，PM、Pm為經(jīng)驗(yàn)頻率；M、m分別為歷史特大值、連序系列排列序號(hào)；N、n分別代表歷史特大值首項(xiàng)重現(xiàn)期和連序系列年數(shù)。

2) 均值和變差系數(shù)CV的計(jì)算公式為：

(1)當(dāng)為連序系列時(shí)：

(3)

(4)

(2)當(dāng)為不連序系列時(shí)：

(5)

(6)

上式中，Qi、Qj分別代表連序系列和特大值系列變量；a、n分別代表特大值個(gè)數(shù)和實(shí)測(cè)系列個(gè)數(shù)。

本次洪水頻率計(jì)算是連續(xù)處理，實(shí)測(cè)資料，采用P—Ⅲ型曲線分析計(jì)算得四個(gè)參證站統(tǒng)計(jì)參數(shù)如下表1；設(shè)計(jì)洪水頻率曲線見(jiàn)圖1-圖4，各頻率的設(shè)計(jì)流量成果詳見(jiàn)表2。

表1 四個(gè)參證水文站各頻率設(shè)計(jì)洪峰流量表 m3/s

圖1 馬渡王水文站設(shè)計(jì)洪水頻率曲線圖 圖2 羅李村水文站設(shè)計(jì)洪水頻率曲線圖

圖3 高橋站設(shè)計(jì)洪水計(jì)算頻率曲線圖 圖4 灃河秦渡鎮(zhèn)水文站洪峰流量頻率曲線

按照參證站的計(jì)算成果，利用水文比擬法推求項(xiàng)目位置處設(shè)計(jì)洪水，計(jì)算公式為：

(7)

式中：Qm設(shè)、Qm參分別為設(shè)計(jì)站和參證站洪峰流量(m3/s)；A設(shè)、A參分別為設(shè)計(jì)站和參證站集水面積(km2)；N為指數(shù)(取值為0.67)。

表2 四個(gè)參證水文站實(shí)測(cè)資料推求設(shè)計(jì)洪水流量成果表

3.2.2 由暴雨資料推求設(shè)計(jì)洪水

根據(jù)《陜西省中小流域設(shè)計(jì)暴雨洪水圖集》以及《西安市實(shí)用水文手冊(cè)》和實(shí)測(cè)鳴犢雨量站資料，在假定設(shè)計(jì)暴雨和設(shè)計(jì)洪水頻率相應(yīng)，分析產(chǎn)流河匯流過(guò)程，進(jìn)而推求設(shè)計(jì)洪水，根據(jù)《西安市實(shí)用水文手冊(cè)》相關(guān)參數(shù)查算暴雨產(chǎn)流、匯流參數(shù)，推算設(shè)計(jì)洪水洪峰流量，根據(jù)各時(shí)段降雨量推算凈雨量，采用推理公式法，計(jì)算設(shè)計(jì)洪水流量成果表3。

表3 由暴雨資料推求洪水成果表

3.2.3 項(xiàng)目區(qū)設(shè)計(jì)洪峰流量采用值

以上兩種計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表4，從上表看出，根據(jù)《西安市實(shí)用水文手冊(cè)》經(jīng)驗(yàn)公式法與馬渡王、羅李村水文站洪峰流量按水文比擬法和暴雨資料推求計(jì)算結(jié)果差別較大。

所采用的資料系列比現(xiàn)有馬渡王水文站1952～2012年系列資料短，經(jīng)驗(yàn)公式考慮條件較少、精度較差，其計(jì)算結(jié)果合理性較差。由于項(xiàng)目區(qū)與馬渡王、大峪水文站的流域面積相差較大，與羅李村、秦渡鎮(zhèn)和高橋水文站的流域面積相近，本次計(jì)算時(shí)未進(jìn)行一致性處理，其水文比擬法計(jì)算結(jié)果的合理性較差。采用暴雨推求設(shè)計(jì)洪水，資料采用鳴犢雨量站計(jì)算浐河100 a一遇洪水量可靠，并且參考《浐河環(huán)山公路橋-繞城高速公路段防洪綜合治理工程可研報(bào)告》(西安市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院2013.7)和《浐河灞橋區(qū)段防洪工程可研報(bào)告》(西安市水利建筑勘察設(shè)計(jì)院2009.9)成果。

浐河無(wú)實(shí)測(cè)水文資料，根據(jù)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算規(guī)范，采用以上方法，和參考兩個(gè)《可研報(bào)告》，確定項(xiàng)目區(qū)100 a一遇設(shè)計(jì)洪峰流量采用數(shù)值為1 128 m3/s。

4 設(shè)計(jì)洪水位計(jì)算

4.1 橋位處水位流量關(guān)系曲線推求

根據(jù)圖5擬建大橋處斷面圖，在垂直于洪水水流方向布設(shè)計(jì)算斷面圖實(shí)測(cè)成果，以綜合分析的本段河床糙率、實(shí)測(cè)比降，利用曼寧公式計(jì)算斷面的水位流量關(guān)系(見(jiàn)圖6)。

表4 不同方法計(jì)算地鐵5號(hào)線浐河大橋設(shè)計(jì)洪峰流量成果表

采用能量守恒方程按全斷面計(jì)算水面線，計(jì)算公式為：

(8)

式中：Z為斷面水位(m)；V為斷面平均流速(m/s)；α為系數(shù)(取α=1)；g為重力加速度(m/s2)；Q為河段平均流量(m3/s)； ΔL為斷面間距(m)；K為河段上、下游斷面流量模數(shù)平均值，即

(9)

參數(shù)確定

a 、糙率確定：依據(jù)《西安市實(shí)用水文手冊(cè)》，對(duì)浐河勘測(cè)，確定糙率取0.033。

b、局部水頭損失系數(shù)確定

對(duì)于逐漸收縮的河段，局部水頭損失很小，可忽略不計(jì)，對(duì)于擴(kuò)散河段，局部水頭損失視擴(kuò)散的急劇程度不同來(lái)選定，一般選用-0.3～-1.0，本次計(jì)算河道斷面為漫灘。屬逐漸擴(kuò)散河段，取ξ=-0.6。

由于計(jì)算河段無(wú)大的支流加入,因而計(jì)算斷面時(shí),采用曼寧公式Q=AJ1/2R2/3/n

起始斷面的選擇及初始水位的擬定。本次在工程河段共實(shí)測(cè)了3個(gè)河道橫斷面，斷面編號(hào)從上到下依次為5號(hào)線浐河大橋1、2、3斷面，施測(cè)河道長(zhǎng)450 m。斷面處河道比較順直，兩岸有堤防工程，河段控制條件較好，本次選用浐河斷面3作為水面線計(jì)算的初始斷面，以施測(cè)斷面時(shí)的枯水水面線作為設(shè)計(jì)洪水起算高程，根據(jù)確定的河段糙率、起算斷面的水位和實(shí)測(cè)斷面資料，首先計(jì)算各個(gè)斷面的水力因子，然后采用前述確定的計(jì)算方法，以下游起算斷面確定的設(shè)計(jì)水位為控制水位，從下至上推求各斷面的設(shè)計(jì)水位，以此推求出工程段現(xiàn)狀河道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)100 a一遇設(shè)計(jì)洪水水面線成果表5和水面曲線圖7。

4.2 大橋橋梁底部高程復(fù)核

根據(jù)計(jì)算橋址處設(shè)計(jì)洪水洪峰流量為1 128 m3/s。查斷面2水位流量關(guān)系得， 100 a一遇洪峰流量在斷面2相應(yīng)的水位為421.15 m。依據(jù)設(shè)計(jì)地鐵5號(hào)線浐河橋梁布設(shè)圖的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)橋梁底部高程為431.734 m。

根據(jù)《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG C30—2015)、《公路橋位勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ062—2015)和《公路橋涵設(shè)計(jì)手冊(cè)·橋位設(shè)計(jì)》(人民交通出版社2000年1月)的規(guī)定，不通航河流按設(shè)計(jì)洪水位計(jì)算橋面下弦高程公式為：

Hmin=Hs+∑Δh+Δhj

(10)

式中：Hmin為橋面最低高程(m)；Hs為相應(yīng)頻率下的洪水位(m)；∑Δh為根據(jù)河流的具體情況分別考慮橋下壅水、風(fēng)壅增水、局部股流涌高、河床淤積等影響的高度。局部股流涌高是指在我國(guó)西北半山區(qū)和山前區(qū)的河流上，洪水主流成股奔放，集中股流所在處水流較兩側(cè)高出的值，對(duì)于本橋位可不予考慮，風(fēng)壅增水也不考慮；Δhj為橋下凈空安全值(m)。

圖5 擬建橋位處斷面圖

圖6 浐河擬建橋位處水位流量關(guān)系曲線圖

圖7 地鐵5號(hào)線浐河大橋水面曲線圖

橋下凈空安全值(Δhj)根據(jù)《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG C30—2015)，按設(shè)計(jì)洪水計(jì)算時(shí)取0.50 m，依據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB50201—2014)和《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG C30—2015)，浐河5號(hào)線橋處100 a一遇洪水設(shè)計(jì)以及5號(hào)線浐河橋梁布設(shè)圖的設(shè)計(jì)，橋梁底部高程復(fù)核。詳見(jiàn)表6。

表5 100 a一遇設(shè)計(jì)洪水水面線計(jì)算成果

表6 橋梁底部高程復(fù)核

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)浐河大橋洪水計(jì)算分析，說(shuō)明具有代表性的浐河流域中，區(qū)域河流形成暴雨時(shí)，具有歷時(shí)短、強(qiáng)度高、漲落迅猛的特點(diǎn)，帶有沙洪水過(guò)程，采取不同的計(jì)算方法和合理性分析，推求出的水位流量關(guān)系擬合較好，表明選用參數(shù)基本合理，準(zhǔn)確本項(xiàng)目洪水計(jì)算要求。

經(jīng)分析計(jì)算，5號(hào)線浐河大橋處的100 a一遇的洪峰流量為1 128 m3/s，經(jīng)復(fù)核浐河橋梁底高程按100 a一遇洪水計(jì)算應(yīng)為421.15 m，根據(jù)5號(hào)線浐河大橋設(shè)計(jì)橋底部高程為431.734 m，梁底高程差值10.584 m,大橋橋梁最低高程滿足河道防洪要求。符合防洪標(biāo)準(zhǔn)的要求，確保西安5號(hào)地鐵線浐河大橋洪水無(wú)影響。為西安5號(hào)地鐵線浐河大橋雍水、沖涮數(shù)據(jù)提供有力技術(shù)支撐。