黃 攀，彭光輝

(湖北省隨州市水文水資源勘測局，湖北 隨州 441300)

1 概 述

1.1 分析背景及方法

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展,涉水工程頻繁建設(shè)。漢十高鐵位于湖北中部至西北部。線路自漢孝城際鐵路孝感東站引出西行，經(jīng)孝感市、云夢縣、安陸市、隨州市、隨縣、棗陽市、襄陽市、谷城縣、丹江口市至十堰市，線路全長399.005 km。

漢十鐵路浪河特大橋跨越浪河，共設(shè)有49個(gè)橋墩。特大橋跨浪河橋段位于何店水文測驗(yàn)斷面下游80 m(中泓線距離)。根據(jù)2011-05-23日，水利部頒布了第 43 號令——《水文監(jiān)測環(huán)境和設(shè)施保護(hù)辦法》和《水文監(jiān)測環(huán)境和設(shè)施保護(hù)辦法》第九條規(guī)定“在水文測站上下游各二十公里(平原河網(wǎng)區(qū)上下游各十公里)河道管理范圍內(nèi)，新建、改建、擴(kuò)建下列工程影響水文監(jiān)測的，建設(shè)單位應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)措施，在征得對該水文測站有管理權(quán)限的流域管理機(jī)構(gòu)或者水行政主管部門同意后方可建設(shè)”，工程包括：①水工程；②橋梁、碼頭和其他攔河、跨河、臨河建筑物、構(gòu)筑物，或者鋪設(shè)跨河管道、電纜；③取水、排污等其他可能影響水文監(jiān)測的工程。

為此收集漢十高鐵浪河特大橋工程建設(shè)基本資料，主要包括工程規(guī)模、影響范圍等；收集整理項(xiàng)目上下游河流基本狀況等資料，主要包括工程所在地自然地理、氣候特征、水文特征、區(qū)域泥沙狀況等。通過分析計(jì)算橋梁工程建成后，各種暴雨頻率下的橋址設(shè)計(jì)洪水、橋址設(shè)計(jì)洪水位、橋址雍水高、橋址雍水長度等，進(jìn)一步論證橋梁工程建成后對何店水文站現(xiàn)有測驗(yàn)設(shè)施、測驗(yàn)環(huán)境、測驗(yàn)方案的影響。并根據(jù)影響程度，提出補(bǔ)救措施主要包括測驗(yàn)設(shè)施維護(hù)、測驗(yàn)方式方法變更等[1]。

1.2 流域及水文概況

浪河流域總集水面積417 km2，本項(xiàng)目以上299 km2，總河長47.8 km，本項(xiàng)目以上河長27.5 km。流域河道坡度為1.07‰，流域平均高程為124 m，流域彎曲系數(shù)為1.6，河網(wǎng)密度為0.4 km/km2。流域暴雨類型以鋒面雨、氣旋雨為主。流域多年平均降雨量977.6 mm，其中4～9月降雨量占全年的75.8%，6～8月降雨量占全年的46.5%，尤以梅雨期最為集中。工程以上流域內(nèi)實(shí)測最大梅雨量為三里崗站2007年梅雨期雨量895.6 mm(6月19日～7月26日)，重現(xiàn)期150年一遇。浪河流域容易出現(xiàn)“短時(shí)局部強(qiáng)降雨”俗稱“坨子雨”，類型多為對流雨，主要由流域地形造成。該流域地形呈南北高、中間低的盆地形狀，受熱氣流更容易在垂直方向形成對流，從而引發(fā)暴雨。暴雨特點(diǎn)是雨區(qū)范圍小、時(shí)間短、強(qiáng)度大。工程以上流域水系及水文站位置，見圖1，漢十高鐵橋梁工程平面圖，見圖2。

圖1 隨州市流域水系及漢十高鐵線路示意圖

何店水文站位于隨州市曾都區(qū)何店鎮(zhèn)浪河街上游，是浪河流域唯一水文站，控制集水面積299 km2。該站監(jiān)測的項(xiàng)目有水位、流量、降水量。主要設(shè)施有水文站房、水文纜道、水尺、降水量和水位遙測終端等。該站主要功能是為防洪、水資源管理及收集水文資料。水文信息實(shí)時(shí)向國家防汛總指揮部、省防汛指揮部、省水文水資源局、隨州市防汛辦、孝感市防汛辦、安陸解放山電站報(bào)送。

2 橋梁工程水文分析計(jì)算

工程所在流域有何店水文站，但資料系列不足。故本次設(shè)計(jì)洪水計(jì)算采用暴雨途徑推求，設(shè)計(jì)暴雨參數(shù)采用湖北省水文水資源局編制的2008年版《湖北省暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)等值線圖》(以下簡稱《等值線圖集》)及鄰近隨州(二)、環(huán)潭等水文站，隨州、解家河、洛陽店、黑屋灣、環(huán)潭等雨量站實(shí)測資料分析，結(jié)合《湖北省暴雨徑流查算圖表》(以下簡稱《查算圖表》)計(jì)算設(shè)計(jì)洪水。所采用水文站點(diǎn)均為國家基本站，實(shí)測水文資料系列較長、具有較好的代表性和一致性，經(jīng)審查、復(fù)審、匯編、流域驗(yàn)收等程序，資料可靠性較好。

圖2 漢十高鐵浪河特大橋橋梁工程平面圖

2.1 水文分析計(jì)算

1)設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量。據(jù)《等值線圖集》及對洛陽店、隨州等雨量站暴雨資料分析，設(shè)計(jì)點(diǎn)暴雨成果見表1。

考慮到《等值線圖集》進(jìn)行了地區(qū)綜合，成果符合地區(qū)規(guī)律且偏于安全，本階段設(shè)計(jì)暴雨采用《等值線圖集》成果。

2)設(shè)計(jì)面暴雨量。受資料條件限制，橋址以上流域面雨量采用點(diǎn)面查算圖表系數(shù)法計(jì)算。橋址流域面積不大，該區(qū)位于水文分區(qū)第六區(qū)，點(diǎn)面系數(shù)可直接由《查算圖表》查得，各橋址點(diǎn)面系數(shù)、設(shè)計(jì)面雨量見表2。

表1 設(shè)計(jì)點(diǎn)暴雨設(shè)計(jì)基本參數(shù)表

表2 各橋址設(shè)計(jì)暴雨點(diǎn)面系數(shù)及面雨量成果表

3)區(qū)間設(shè)計(jì)洪峰流量。根據(jù)湖北省水科所的改進(jìn)公式：

流域參數(shù)選取，按照隨州市1∶5萬的地形圖，勾繪流域分水線，量算浪河流域面積F=299 km2、主河道長度L=47.8 km、計(jì)算主河道平均比降J=0.001 07。

將上述參數(shù)帶入水科所改進(jìn)公式，求得橋址設(shè)計(jì)洪水成果計(jì)算見表3。

表3 橋址設(shè)計(jì)洪水成果表

2.2 橋址設(shè)計(jì)洪水位推求

橋址設(shè)計(jì)洪水位采用實(shí)測縱橫斷面資料，據(jù)工程河段河床組成特性，依據(jù)《湖北省水文手冊》上列出的糙率表選取糙率[2]，比降參照鄰近水文站或依據(jù)1∶5萬地形圖量取局部河道坡降，由曼寧公式推得[3]，計(jì)算各橋址斷面的水位流量關(guān)系，由設(shè)計(jì)洪峰流量推求橋址設(shè)計(jì)洪水位。漢十高鐵浪河特大橋橋址橫斷面見圖3。

圖3 漢十高鐵浪河特大橋橋址橫斷面圖

根據(jù)橫斷面資料和計(jì)算的水位流量關(guān)系，橋址斷面設(shè)計(jì)洪水位成果見表4。

表4 橋址斷面設(shè)計(jì)洪水成果表

2.3 行洪影響計(jì)算

計(jì)算橋梁工程建成后對斷面行洪的阻水面積，22、23號橋墩位于主河槽內(nèi)，16～21號橋墩位于邊灘、24號橋墩位于左岸邊坡上。高水漫灘，有部分橋墩阻水。漫灘水位63.05 m時(shí)，22、23號橋墩，阻水面積為51.5 m2，相對減少為12.9%。50年一遇水位65.27 m，阻水面積為144 m2，相對減少為19.2%。百年一遇水位65.58 m，阻水面積為156 m2，行洪面積相對減少為18.8%。計(jì)算建橋前后過水面積及平均流速見表5。

表5 建橋前后過水面積及平均流速對照表

2.4 雍水分析計(jì)算

1)天然河道橋梁建橋后壅水推求采用《公路橋工程水文勘測設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦的建橋水位壅高經(jīng)驗(yàn)公式[4]，計(jì)算出各設(shè)計(jì)洪水橋址最大壅高及影響長度。最大壅高計(jì)算公式為

ΔZm=η(Vm2-V02)

式中：η為河灘過水能力系數(shù)；V0為河道斷面平均流速，m/s，為設(shè)計(jì)流量被全河過水?dāng)嗝娣e(包括邊灘和河灘)除得之商；Vm為橋下平均流速，m/s。

Vm=Qs/wj(按《橋涵水文》大卵石河床組成推薦的經(jīng)驗(yàn)公式)

式中：Qs為設(shè)計(jì)流量；wj為建橋后凈過水面積。

2)壅水曲線全長計(jì)算采用根據(jù)《公路橋工程水文勘測設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦的公式[4]。

L=2ΔZ/i

式中：L為壅水曲線全長；ΔZ為橋前最大壅水高度；i為水面比降‰。

按照上述方法計(jì)算，橋址設(shè)計(jì)洪水最大壅高及最大雍水長度計(jì)算成果見表6。

表6 橋址設(shè)計(jì)洪水最大壅高及最高雍水長度計(jì)算成果表

3 水文監(jiān)測影響分析

高鐵橋梁工程的興建對何店水文站水文測驗(yàn)斷面的水位、流速產(chǎn)生明顯影響，從而造成對該站水文測驗(yàn)設(shè)施、測驗(yàn)環(huán)境和測驗(yàn)方案產(chǎn)生影響[1]。

3.1 對現(xiàn)有測驗(yàn)設(shè)施的影響分析

工程位于何店水文站測驗(yàn)保護(hù)區(qū)內(nèi)，水文測驗(yàn)斷面距工程約80 m。水文站主要測驗(yàn)設(shè)施有岸上斷面標(biāo)志、基本水尺、水位自記設(shè)備、纜道以及站房等。通過分析計(jì)算可知，工程的修建對上下游一定范圍內(nèi)的水位、流速產(chǎn)生明顯的影響，水文測驗(yàn)斷面附近由于受到水位壅高影響，流速減緩，通過橋址設(shè)計(jì)洪水最大壅高及最高雍水長度計(jì)算成果表(見表6)，在P=1%的情況下雍水影響長度超過250 m已經(jīng)涵蓋何店水文站的基本水尺斷面、測流斷面等，將會引起局部河段沖淤性質(zhì)發(fā)生變化，沖淤發(fā)生變化可能對水文站涉水設(shè)施產(chǎn)生影響。總體上對于水位自記、站房及纜道觀測等水文測驗(yàn)設(shè)施影響較大。

3.2 對工作環(huán)境的影響分析

橋梁工程距離水文測驗(yàn)斷面距離較近，以上計(jì)算結(jié)果表明橋梁工程的修建對水文測驗(yàn)斷面的水位及流速產(chǎn)生明顯影響，橋梁工程對工作環(huán)境的影響主要表現(xiàn)在水位、流量等工作環(huán)境方面的影響。橋梁工程修建后，何店水文站水文監(jiān)測斷面水位及流速產(chǎn)生明顯影響，在100年一遇的洪水條件下影響最大，測驗(yàn)斷面水位最大壅高3 cm。

由于水文測驗(yàn)斷面附近水位、流速在橋梁工程施工期及修建后運(yùn)行期發(fā)生調(diào)整，對水位、流速觀測的工作環(huán)境產(chǎn)生一定影響。一方面，水文觀測斷面水位壅高、流速減小將引起局部沖淤發(fā)生變化，觀測斷面附近水尺及道路可能發(fā)生淤積，水位自記探頭附近發(fā)生淤積影響水位自記，從而影響水位觀測工作環(huán)境；另一方面，水位變化、斷面流速分布的調(diào)整需要調(diào)整工作方案。

3.3 對測驗(yàn)方案的影響分析

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，工程在施工期及修建后運(yùn)行期對何店水文站水位有明顯影響。由于斷面流速和含沙量分布的改變，勢必會引起河床沖淤局部的調(diào)整，在經(jīng)過一定時(shí)期后達(dá)到新的相對平衡?？紤]到水文站水位自記探頭附近的水域可能受工程附近河段河床的沖淤調(diào)整而產(chǎn)生相應(yīng)的變化，影響浮子水位計(jì)從而影響水位觀測精度。

3.4 對流量測驗(yàn)方案的影響分析

根據(jù)分析結(jié)果，工程的修建對該站測驗(yàn)斷面處的水位具有明顯影響，由于何店水文站目前流量關(guān)系呈單一曲線，因此上下游落差的改變勢必引起水位流量關(guān)系的改變，需要經(jīng)過上下游落差的比降觀測，分析水位流量關(guān)系受到的影響程度[5]。

計(jì)算結(jié)果顯示，工程修建后，對該站測驗(yàn)斷面流速大小影響明顯，需要對原有流速測驗(yàn)垂線布置方案進(jìn)行比測分析，確定原有的測速垂線是否能夠真實(shí)反映和代表水文測驗(yàn)斷面的流速分布，是否需要進(jìn)行測速垂線調(diào)整。

由于斷面流速和含沙量分布的改變，勢必會引起河床沖淤局部的調(diào)整，在經(jīng)過一定時(shí)期后達(dá)到新的相對平衡。局部河床沖淤發(fā)生變化對水文測驗(yàn)斷面附近的流向產(chǎn)生影響，需要增加流向觀測次數(shù)和局部地形測量，對比分析水文測驗(yàn)斷面附近地形變化和流向變化，為斷面流量測驗(yàn)方案的調(diào)整提供基本資料。

綜上所述，工程施工期及運(yùn)行期，測流斷面水位、流速的變化，可能會導(dǎo)致該站的水位～流量關(guān)系、測速垂線布置和流向出現(xiàn)變化，進(jìn)而對改站流量測驗(yàn)方案造成影響，需要進(jìn)行比對觀測分析研究流量測驗(yàn)方案。

4 水文監(jiān)測補(bǔ)救措施分析

根據(jù)上述分析，工程修建后引起水文站測驗(yàn)斷面水位、水流流速及流態(tài)發(fā)生變化，對何店水文站水位觀測、流量及泥沙測驗(yàn)會造成影響，需在工程建設(shè)期的2～3年內(nèi)開展水文項(xiàng)目比對觀測，掌握建設(shè)過程中水文要素的變化趨勢；還需在工程運(yùn)行初期的3年內(nèi)繼續(xù)開展對比觀測，掌握工程建成運(yùn)行后各水文要素的變化規(guī)律，重新分析擬定流量、輸沙率測驗(yàn)方案。

1)水位監(jiān)測補(bǔ)救觀測。工程在施工期和運(yùn)行期均對水文測驗(yàn)斷面水文產(chǎn)生明顯的影響，水位的壅高不僅會對水位觀測系列產(chǎn)生明顯影響，而且可能會改變上下游落差水尺的比降，造成水位資料工程前后一致性發(fā)生變化，并且在水尺斷面有可能會發(fā)生淤積變化，進(jìn)而對水位觀測基本設(shè)施設(shè)備造成破壞，影響水位的正常觀測。

2)流量項(xiàng)目補(bǔ)救觀測。目前，何店水文站流量測驗(yàn)一般采用5～10線一點(diǎn)法，流量測次按水位校正流量單一線法布點(diǎn)。由于工程的建設(shè)，有可能會引起水文站測驗(yàn)斷面流速分布變化及水位流量關(guān)系變化，需要采用連時(shí)序法布點(diǎn)，采用多線多點(diǎn)法，為流量測驗(yàn)方案分析提供資料。根據(jù)各站每年多線多點(diǎn)法測驗(yàn)的流量資料分析各測點(diǎn)流速、垂線流速的代表性，達(dá)到精簡垂線測點(diǎn)流速，減少測速垂線的目的；分析流量多線多點(diǎn)法與現(xiàn)有測驗(yàn)方案的誤差；根據(jù)5年的實(shí)測資料分析流量測驗(yàn)方案；分析實(shí)測水位流量關(guān)系與目前單值化關(guān)系的差別，判定目前單值化關(guān)系的適應(yīng)性，編制流量精簡分析報(bào)告及水位流量關(guān)系分析報(bào)告。

5 結(jié) 語

大橋工程位于何店水文站測驗(yàn)保護(hù)區(qū)內(nèi)，擬建大橋工程跨越浪河上游80 m有何店水文站，何店水文站主要測驗(yàn)設(shè)施有岸上斷面標(biāo)志、基本水尺、水文纜道、水位和雨量傳輸設(shè)備以及水文站房等。

1)工程距離水文站較近，從計(jì)算結(jié)果來看，工程的修建引起水文站測驗(yàn)斷面附近水位壅高、流速變小，造成測驗(yàn)斷面附近河道沖淤性質(zhì)發(fā)生變化，從而造成對水文站自記水位、水尺及觀測道路等測驗(yàn)設(shè)施產(chǎn)生影響，對水位、流速、等水文觀測的工作環(huán)境產(chǎn)生影響。

2)工程的興建引起何店站測驗(yàn)斷面附近水位壅高，改變了該站水位變化規(guī)律，對水位觀測系列產(chǎn)生影響，對水文測驗(yàn)斷面附近水面比降產(chǎn)生影響，需要通過對比觀測分析進(jìn)行測驗(yàn)方案調(diào)整。

3)工程的修建引起水文測驗(yàn)斷面流速值、流態(tài)等發(fā)生一定變化，將造成測驗(yàn)河段沖淤發(fā)生變化，需要增加水文測驗(yàn)斷面附近局部地形測量，通過分析對比，以此來驗(yàn)證工程對測驗(yàn)河段沖淤變化的影響。

4)工程施工期及運(yùn)行期，對水文測驗(yàn)斷面流速、流向橫向分布以及水位～流量關(guān)系等影響均將產(chǎn)生明顯影響，對何店站流量測驗(yàn)方案會造成明顯影響。有關(guān)對何店站測驗(yàn)河段流速具體影響，需要進(jìn)行比對觀測，視具體變化情況，重新制定科學(xué)的測驗(yàn)方案。

綜上所述，漢十高鐵浪河特大橋工程在何店水文站基本水尺斷面下游80 m建設(shè)，將直接影響本站水位、流量、流速和河道形態(tài)發(fā)生變化，改變水流固有規(guī)律，如果不采取補(bǔ)救措施，將使得何店水文站部分功能喪失，無法滿足防汛和水資源管理以及科學(xué)研究的要求，因此必須增加人力、物力最大限度消除或降低損失。