王海強(qiáng)

（咸陽水文水資源勘測(cè)中心,陜西 咸陽 712000）

盤河水庫下游段交通橋洪水過程計(jì)算,是現(xiàn)有河道實(shí)際情況洪水計(jì)算的要求,做好水庫下游設(shè)計(jì)洪水計(jì)算工作,為水庫下游交通橋水文設(shè)計(jì)方案提供依據(jù)。根據(jù)《河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目管理的有關(guān)規(guī)定》,水庫下游河段河道的演變、防洪及行洪能力帶來的影響,出具防洪評(píng)價(jià)意見和結(jié)論,其中最重要是準(zhǔn)確計(jì)算設(shè)計(jì)洪水,因此本文對(duì)盤河水庫下游段交通橋洪水計(jì)算進(jìn)行探討。

1 概況

盤河系黃河一級(jí)支流,發(fā)源于陜北黃龍山區(qū)東麓黃龍、韓城交界處的西子峙山,由韓城市的西莊鎮(zhèn)楊村寨出山,在昝村南匯入汶水入黃河,全長(zhǎng)46.6 km,流域面積194.8 km2,河長(zhǎng)平均比降 21‰,屬渭北土石山區(qū)。

在盤河流域內(nèi)建有盤河水庫,其位于防洪工程段上游。盤河水庫壩址以上控制流域面積144.4 km2,主河道長(zhǎng)35.1 km,樞紐工程主要由大壩、放水洞和溢洪道三部分組成。除險(xiǎn)加固后確定防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 年一遇設(shè)計(jì),500 年一遇洪水校核。相應(yīng)洪峰流量分別443 m3/s、754 m3/s,50 年一遇洪峰下泄流量為303 m3/s、500 年一遇洪峰下泄流量為555 m3/s。水庫總庫容795.5萬m2,其中死庫容73萬m2,興利庫容578.2萬m2,調(diào)洪庫容144.3萬m2。

交通橋位于盤河水庫下游10 km處,橋梁全長(zhǎng)22.4 m, 橋墩為2個(gè),橋墩尺寸1.3 m～2.2 m,橋梁主流夾角為90 °。上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制空心板,下部結(jié)構(gòu)采用樁接蓋梁,計(jì)算行車速度為20 km/h,汽車荷載等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為公路-2 級(jí),抗震設(shè)防烈度為6度,水平向設(shè)計(jì)基本地震動(dòng)峰值加速度0.05 g。

橋位處至盤河水庫壩址區(qū)間流域面積為21.1 km2,河道長(zhǎng)度為10.0 km,比降為38‰。

2 設(shè)計(jì)洪水分析計(jì)算

2.1 設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)

交通橋?yàn)?02 縣道主干路Ⅱ級(jí)橋梁,總跨長(zhǎng)約22.4 m,汽車荷載等級(jí)為Ⅱ級(jí),按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（CJGD 60-2015）表1.0.5 劃分為中橋,依據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB50201-2014）其相應(yīng)的設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)確定為50年一遇。

表1 匯水面積相關(guān)法洪峰流量成果表

2.2 計(jì)算方法

水庫下游區(qū)間設(shè)計(jì)洪水計(jì)算分為兩步,第一步計(jì)算水庫壩址以下至交通橋橋墩以上區(qū)間洪水計(jì)算；第二部計(jì)算水庫下泄的洪水過程線。洪水演進(jìn)與區(qū)間過程錯(cuò)峰疊加,得到項(xiàng)目區(qū)河道設(shè)計(jì)洪水過程線。

設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法：盤河流域無實(shí)測(cè)資料和歷史調(diào)查洪水資料,能夠精確可靠的計(jì)算洪水,對(duì)洪水計(jì)算采用“多種途徑,多種方法,綜合比較,合理選定”的原則,本次盤河水庫設(shè)計(jì)洪水,采用經(jīng)驗(yàn)公式法、推理公式法、瞬時(shí)單位線法三種方法計(jì)算,綜合分析后,確定采用洪水成果。

2.3 水庫壩址至橋位處（區(qū)間河段）洪水分析計(jì)算

（1）經(jīng)驗(yàn)公式法

參照《渭南地區(qū)暨銅川市實(shí)用水文手冊(cè)》提供的經(jīng)驗(yàn)公式——匯水面積相關(guān)法,以及經(jīng)驗(yàn)參、指數(shù)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算公式為：

式中：QN為重現(xiàn)期為N的設(shè)計(jì)洪峰流量,m3/s；KN為重現(xiàn)期為N的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)；n為經(jīng)驗(yàn)指數(shù),丘陵北溝壑區(qū)為0.68；F為設(shè)計(jì)流域面積（21.1 km2）。

（2）推理公式法

1）設(shè)計(jì)暴雨的計(jì)算

①設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量的計(jì)算

查《渭南地區(qū)暨銅川市實(shí)用水文手冊(cè)》,年最大點(diǎn)雨量等值線圖,得設(shè)計(jì)1、3、6小時(shí)點(diǎn)暴雨量值見表2。

表2 50年一遇設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量計(jì)算表

②設(shè)計(jì)面雨量計(jì)算

計(jì)算公式：

式中：Ht面為設(shè)計(jì)歷時(shí)為t的流域面平均雨量,mm；Ht為設(shè)計(jì)歷時(shí)為t的暴雨點(diǎn)面系數(shù)； at為設(shè)計(jì)歷時(shí)為t的點(diǎn)雨量,mm,at=1/（1+ atF）bt；F 為設(shè)計(jì)流域面積（21.1 km2）； at、bt為線性擬合參數(shù)。

計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 50年一遇設(shè)計(jì)面雨量計(jì)算成果表

2）設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

①產(chǎn)流計(jì)算

渭河北區(qū)域的產(chǎn)流方式以蓄滿產(chǎn)流為主,按《渭南地區(qū)暨銅川市實(shí)用水文手冊(cè)》規(guī)定,流域最大土壤蓄水量Im為100 mm,設(shè)計(jì)情況下的前期影響雨量Pa=1/2Im=50 mm。按照蓄滿產(chǎn)流的計(jì)算方法,由設(shè)計(jì)暴雨的時(shí)程分配,即可進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算,見表4。

表4 50年一遇設(shè)計(jì)產(chǎn)流計(jì)算表

②設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算

匯流參數(shù)m的確定。計(jì)算公式為：

式中：m為匯流參數(shù),無量綱； 為特征參數(shù),=L/（FJ）1/3；F為設(shè)計(jì)流域面積,21.1 km2；J為主河道平均比降,38‰。

經(jīng)計(jì)算,50 年、30 年一遇的m值分0.74、0.79。

τ用試算法求出,計(jì)算公式為：

式中：m為匯流參數(shù),無量綱；L為河長(zhǎng),10 km；F為設(shè)計(jì)流域面積,21.1 km2；J為主河道平均比降,無量綱,38‰；Qm為設(shè)計(jì)的洪峰流量,m3/s。

用此公式進(jìn)行試算見表5。

表5 50年一遇Qm-τ曲線計(jì)算表

將表5中重現(xiàn)期凈雨過程由大到小進(jìn)行累計(jì),并按公式Qm=0.278ΣhtF/t計(jì)算相應(yīng)的Qm-t曲線,見表6。

表6 50年一遇Qm-t曲線計(jì)算表

用表5至表6中Qm為縱坐標(biāo),τ（t）為橫坐標(biāo)繪制關(guān)系線,兩曲線的交點(diǎn)即為所求,見圖1。從圖中可知,50年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為120 m3/s,匯流時(shí)間為3.05 h,見表7。

圖1 50 年一遇Qm-τ與Qm-t關(guān)系曲線圖

表7 重現(xiàn)期50年洪水流量及匯流時(shí)間表

（3）瞬時(shí)單位線法

1）設(shè)計(jì)暴雨的計(jì)算

設(shè)計(jì)面雨量、面降雨過程、產(chǎn)流過程及凈雨過程計(jì)算同推理公式法,據(jù)韓城雨量、下墊面等資料分析盤河流域的潛流總量約為產(chǎn)流總量的15%,計(jì)算得到P=2%的凈雨過程見表8。

表8 區(qū)間流域重現(xiàn)期50年（P=2%）凈雨過程計(jì)算表

2）設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

①瞬時(shí)單位線參數(shù)n、k的查算

根據(jù)《渭南地區(qū)暨銅川市實(shí)用水文手冊(cè)》由“各分區(qū)瞬時(shí)單位線參數(shù)（mli=1Q）綜合圖”查算盤河凈雨強(qiáng)度為10 mm的參數(shù)mli=10；再由“各分區(qū)瞬單位線非線性改正指數(shù)（b）綜合圖”查算非線性改正指數(shù)b；然后計(jì)算造峰歷時(shí)tp和平均雨強(qiáng)i、臨界雨強(qiáng)ik。

根據(jù)求得的參數(shù)按公式m1=m1i=10（10/i）b計(jì)算參數(shù)m1,當(dāng)i＞ik時(shí)取i = ik；再由“各分區(qū)瞬時(shí)單位線參數(shù)（m2）綜合圖”查算m2值。然后根據(jù)公式m1=nk和 m2=1/n計(jì)算參數(shù)n、k。計(jì)算結(jié)果見表9。

表9 不同重現(xiàn)期的瞬時(shí)單位線參數(shù)n、k值

②設(shè)計(jì)洪水過程線

以n和t/k查“瞬時(shí)單位線表”可得時(shí)段單位線,用各時(shí)段的凈雨分別乘“時(shí)段單位線”,并依時(shí)序各錯(cuò)后一個(gè)時(shí)段疊加,即得地面徑流過程線,再加潛流和基流過程得設(shè)計(jì)洪水過程線。

經(jīng)計(jì)算,區(qū)間不同設(shè)計(jì)頻率的洪峰量見表10。

表10 區(qū)間不同設(shè)計(jì)頻率的洪峰流量表 單位：m3/s

（4）計(jì)算成果的采用

以上三種方法計(jì)算盤河水庫壩址至交通橋區(qū)間50年一遇設(shè)計(jì)洪水成果比較,見表11。

表11 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法及成果比較表

從表11及以上計(jì)算結(jié)果可以看出,匯水面積相關(guān)法和綜合參數(shù)法參數(shù)均采用《渭南地區(qū)暨銅川市實(shí)用水文手冊(cè)》,而該手冊(cè)編制于1987年,所采用的資料系列比現(xiàn)有系列資料短,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。瞬時(shí)單位線法使用300 km2～1000 km2,供參考使用,推理公式法,使用于流域面積在50 km2～300 km2。經(jīng)比較分析,確定項(xiàng)目區(qū)50年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量采用推理公式法值為120 m3/s。

2.4 盤河水庫調(diào)洪演算成果

（1）盤河水庫設(shè)計(jì)洪水過程線

根據(jù)《渭南地區(qū)暨銅川市實(shí)用水文手冊(cè)》《韓城市盤河水庫出險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》中介紹的方法,進(jìn)行盤河水庫壩址設(shè)計(jì)洪水計(jì)算,得出洪水過程線成果見表12。

表12 設(shè)計(jì)洪水過程線成果表

（2）盤河水庫下泄洪水

依據(jù)《韓城市盤河水庫除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》（通過評(píng)審并實(shí)施）,50 年一遇的下泄洪峰流量為303 m3/s,入庫洪峰流量為443 m3/s,該水庫除險(xiǎn)加固后,堰頂凈寬為25 m,堰頂高程為601.60 m,庫容曲線、泄流曲線見表13。

表13 盤河水庫水位-庫容曲線、下泄流量曲線表

從表13可以計(jì)算出盤河水庫50年一遇的演算成果見表14。

表14 盤河水庫50年一遇洪水調(diào)洪演算成果表

3 洪水計(jì)算成果

當(dāng)50 年一遇盤河水庫下泄洪水時(shí),河道最大平均流速為2.9 m/s,根據(jù)水庫下泄的洪水過程線,考慮洪水演進(jìn),與區(qū)間過程錯(cuò)峰疊加,得到項(xiàng)目區(qū)河道設(shè)計(jì)洪水過程線,見圖2。

圖2 50年一遇洪水過程線圖

根據(jù)盤河水庫壩址至交通橋處50年一遇洪水過程線分析,水庫壩址至交通橋處（區(qū)間河道）50年一遇洪水位323 m3/s,出現(xiàn)的時(shí)間為6.8 h。

4 結(jié)語

韓城市盤河水庫下游段交通橋洪水計(jì)算,是對(duì)河道上建有水庫設(shè)施,壩址以下河道區(qū)間洪水計(jì)算的一個(gè)淺析,本文結(jié)合《河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目管理的有關(guān)規(guī)定》要求,分析水庫下泄洪水演進(jìn)過程,并與河道區(qū)間過程錯(cuò)峰疊加,從而得到符合現(xiàn)有河道的洪水計(jì)算的要求,為水庫下游防洪和涉水建筑物提供科學(xué)依據(jù)。