中小河流橋梁設(shè)計(jì)中的防洪評(píng)價(jià)計(jì)算

唐建萍

摘要：中小型河流防洪評(píng)價(jià)計(jì)算是公路橋梁設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容,包括水文資料的分析、設(shè)計(jì)洪水流量及洪水高程計(jì)算、橋孔行洪設(shè)計(jì)計(jì)算等。本文以內(nèi)江市長(zhǎng)江大道小青龍河大橋防洪評(píng)價(jià)計(jì)算為應(yīng)用實(shí)例，概述了中小型河流公路橋梁所處流域有實(shí)測(cè)水文資料時(shí)的防洪評(píng)價(jià)計(jì)算的計(jì)算方法。

關(guān)健詞 ：中小型河流橋梁設(shè)計(jì) 防洪評(píng)價(jià)計(jì)算

Abstract: the middle and small rivers flood control evaluation calculation in design of the highway bridge is an important content, including hydrological data analysis and design flood flow and flood elevation calculation, QiaoKong flood design calculation, etc. This paper NaJiangShi Yangtze river avenue little QingLongHe bridge flood control evaluation calculation for application examples, this paper Outlines the small and medium river highway bridge in a river basin of the hydrological data flood control evaluation, the calculation method.

Key words: small and medium-sized river bridge design flood control evaluation calculation

中圖分類號(hào)：U445文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：

內(nèi)江市長(zhǎng)江大道小青龍河大橋位于東興區(qū)新建村右岸和東興區(qū)高橋鎮(zhèn)圣林村左岸。根據(jù)本工程橋位河段位置，工程以上流域集水面積380.5Km2，為中小型河流的橋梁設(shè)計(jì)類型，根據(jù)工作內(nèi)容,分為下面幾個(gè)步驟.

一、水文資料的分析

在防洪評(píng)價(jià)計(jì)算中，要對(duì)所選取的水文資料進(jìn)行審查，分析作為大橋斷面依據(jù)水文站資料的代表性和一致性，選出一個(gè)能代表大橋斷面流域內(nèi)的水文特征的依據(jù)站點(diǎn)。一般采用和大橋斷面相近水文站作為依據(jù)站,要求將依據(jù)站點(diǎn)的年最大流峰流量資料，根據(jù)公式根cv=[]/X，（式中Xi代表年最大洪峰流量，X為多年平均洪峰流量）計(jì)算變差和逐年的累進(jìn)變差過(guò)程,如果豐水年組和枯水年組均交替出現(xiàn)，且其間有平水年出現(xiàn),豐枯水年大致相近,年最大洪峰流量均值大多數(shù)年份趨于穩(wěn)定,我們就視這樣的水文站年最大洪峰流量資料代表性好。如果選取依據(jù)水文站點(diǎn)的資料代表性不好，可以將大橋附近的水文站作參考站,再選一個(gè)鄰近流域的水文資料代表性好且流域特征和下墊面因素相似的水文測(cè)站作依據(jù)站點(diǎn)，然后采用比擬法將依據(jù)站的最大洪峰流量資料移用到大橋斷面作為防洪評(píng)價(jià)計(jì)算中的水文資料。

在運(yùn)用依據(jù)水文站的水文資料時(shí)，還需作一致性分析，看依據(jù)站的流域內(nèi)有無(wú)較大蓄、引水工程及人類活動(dòng)的影響，如有則需作還原計(jì)算，在還原計(jì)算中，消除這些影響的造成的誤差，得出正確的依據(jù)水文站的水文資料系列。

在對(duì)內(nèi)江市長(zhǎng)江大道小青龍河大橋進(jìn)行防洪評(píng)價(jià)計(jì)算中，選出在大橋斷面上游10.7公里處的田家水文站只有6年(1961年至今1966年)的最大洪峰流量資料,資料代表性不好,因此作為參考站。而臨近流域?yàn)觚埡拥牧杓覉?chǎng)水文站有28年(1966年至2009年)的最大洪峰流量資料系列，根據(jù)cv=[]/x（式中Xi代表年最大洪峰流量，X為多年平均洪峰流量）計(jì)算出凌家場(chǎng)水文站年最大洪峰流量變差及累進(jìn)變差過(guò)程，并繪制成圖如下：

從圖中可以看出該站豐水年組和枯水年組均交替出現(xiàn)，且均間有平水年出現(xiàn)，豐枯水年大致相近，年最大流峰流量均值在25年左右趨于穩(wěn)定。故作為依據(jù)站的凌家場(chǎng)水文站的最大洪峰流量資料系列具有較好的代表性，可供使用。同時(shí)凌家場(chǎng)水文站所處的烏龍河流域內(nèi)無(wú)較大蓄、引水工程及人類活動(dòng)影響，只有些調(diào)蓄能力低的小型水庫(kù)，對(duì)洪峰流量影響很小，可以忽略，因此凌家場(chǎng)水文站的年最大流量資料系列具有較好的代表性，不需作還原計(jì)算。

二、歷史洪水調(diào)查

在防洪評(píng)價(jià)計(jì)算中，歷史洪水調(diào)查對(duì)設(shè)計(jì)洪水高程和設(shè)計(jì)流量的計(jì)算至關(guān)重要。在做歷史洪水調(diào)查時(shí)先要了解清楚大橋所處流域內(nèi)的洪水發(fā)生的主要時(shí)間和地區(qū)分布是否和暴雨特征一致，再根據(jù)這些特征找出洪水發(fā)生的主要時(shí)間和地區(qū)分布，通過(guò)訪問(wèn)和洪痕測(cè)量的形式，調(diào)查出流域內(nèi)特大洪水和洪水發(fā)生的相隔年限，為以后的設(shè)計(jì)洪水高程和設(shè)計(jì)流量的計(jì)算積累重要的水文資料。

在對(duì)大橋所處流域小青龍河流域做歷史洪水調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，小青龍河流域的洪水為季節(jié)性洪水，主要為夏秋暴雨點(diǎn)所致，洪水發(fā)生時(shí)間和地區(qū)分布與暴雨基本一致，依暴雨持續(xù)時(shí)間和降水強(qiáng)度，以及地形條件所形成。據(jù)調(diào)查和統(tǒng)計(jì)，建國(guó)后小青龍河上的洪水災(zāi)害主要有以下幾次：

1955年7月3日和8日內(nèi)江縣北部降下120mm以上的大暴雨；1962年8月29日田家、高梁降148mm至于220mm大暴雨，小青龍河水位猛漲5-10m；1974年8月16日至18日，高梁降雨313.9mm,團(tuán)結(jié)水庫(kù)降雨400.5mm，使小青龍河水上漲7至11m左右；1981年7月2至3日、10至11日、12至14日連續(xù)降水，以7月12至14日特大暴雨危害，普降雨200mm左右；1983年8月，流域普降100至150mm暴雨，洪水達(dá)到建國(guó)以來(lái)最高水位，經(jīng)考證，洪水的重現(xiàn)期為100余年。

凌家場(chǎng)水文站通過(guò)審查發(fā)現(xiàn)1974年、1983年兩年年最大流量屬特大洪水，訪問(wèn)當(dāng)80余歲的村民，經(jīng)多人證實(shí)，該洪水均屬他們一生未見(jiàn)的洪水，故兩次洪水的重現(xiàn)期可推至1919年，均為100年一遇。

三、設(shè)計(jì)洪峰流量的分析計(jì)算

在防洪評(píng)價(jià)計(jì)算中，設(shè)計(jì)洪峰流量也是至關(guān)重要的，在選擇好作為大橋斷面水文計(jì)算的依據(jù)站后，先根據(jù)歷史洪水調(diào)查確定出依據(jù)站年最大洪峰流量的特大洪水年份，確定其重現(xiàn)期，再將依據(jù)站的年最大洪峰流量按大小排序，計(jì)算出各數(shù)據(jù)占最大數(shù)據(jù)的百分?jǐn)?shù)，用百分?jǐn)?shù)和數(shù)據(jù)建立關(guān)系繪制理論頻率曲線，水文上把這個(gè)曲線叫皮爾遜Ⅲ型曲線，簡(jiǎn)稱P—Ⅲ型曲線。先用P—Ⅲ型曲線適線法求出設(shè)計(jì)站各個(gè)重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)流量，再用水文比擬法求出大橋的設(shè)計(jì)流量。當(dāng)設(shè)計(jì)站和作為依據(jù)站的參考站的流域內(nèi)的氣候和下墊面兩方面條件接近時(shí)，可以將流域內(nèi)某一水文特征直接或加以適當(dāng)修正后移用到設(shè)計(jì)流域，這種方法叫水文比擬法，水文比擬法的計(jì)算公式是：

Q設(shè)=

式中：Q設(shè)、Q參—為設(shè)計(jì)站和參證站的洪峰流量，m3/s；F設(shè)、F參—為設(shè)計(jì)站和參證站的集水面積，㎞2；n、 面積比指數(shù)。

作為小青龍河大橋水文設(shè)計(jì)站的田家水文站由于年最大洪峰流量資料年限較短只有六年，其代表性有一定的局限性，而臨近流域?yàn)觚埡佑辛杓覉?chǎng)水文站，雖然本工程斷面位置以上集水面積（380.5km2）與凌家場(chǎng)水文站的集水面積（183 km2）相差較大，但由于都處于同一行政區(qū)域，下墊面條件基本一致；同時(shí)，從降水量的分布來(lái)看，小青龍河高橋（本工程位置處）以上流域的多年平均降水量（948.6mm）與凌家場(chǎng)水文站以上流域的多年平均降水量(950.0mm)非常相近，因此，本工程斷面的年最大洪峰流量移用凌家場(chǎng)水文站實(shí)測(cè)年最大洪峰流量頻率計(jì)算成果。根據(jù)凌家場(chǎng)水文站多年洪峰流量過(guò)程，用每年最大洪峰流量和多年最大洪峰流量的比值（百分?jǐn)?shù)）和年洪峰流量建立關(guān)系，得到凌家場(chǎng)水文站年最大洪峰流量P—Ⅲ型頻率曲線如下圖：

圖中橫坐標(biāo)為頻率（%），縱坐標(biāo)為流量。通過(guò)對(duì)凌家場(chǎng)水文站年最大洪峰流量的頻率曲線進(jìn)行CV和CS統(tǒng)計(jì)計(jì)算，得出CV=1.10, CS=2.5CV

再將凌家場(chǎng)的積水面積和設(shè)計(jì)洪峰流作為F參和Q參,小青龍河流域積水面積為F設(shè),使用水文比擬法: Q設(shè)=,推求出長(zhǎng)江大道小青龍河大橋斷面設(shè)計(jì)洪峰流量Q設(shè)。以下為小青龍河大橋設(shè)計(jì)洪峰流量計(jì)算成果:

工程斷面水文站年最大流量頻率計(jì)算成果表

這樣就得出小青龍河大橋百年一遇的最大洪峰流量為1040 m3/s。

四、設(shè)計(jì)洪水高程計(jì)算

在對(duì)橋梁作防洪評(píng)價(jià)計(jì)算中,設(shè)計(jì)洪水高程的計(jì)算非常重要,關(guān)系到大橋高度,大橋橋高必須高于設(shè)計(jì)的洪水高程,才能保證在洪水的重現(xiàn)期內(nèi)橋梁的安全運(yùn)行. 在對(duì)洪水高程設(shè)計(jì)前,我們必須根據(jù)歷史洪水調(diào)查中的洪水高度，對(duì)大橋斷面進(jìn)行斷面測(cè)量,得出大斷面成果資料,然后繪制用河底高程和起點(diǎn)距建立關(guān)系的大斷面圖.再跟據(jù)大斷面圖各轉(zhuǎn)折點(diǎn)的河底高程,利用水力學(xué)原理,采用曼寧公式計(jì)算出各轉(zhuǎn)折點(diǎn)處水位時(shí)的流量值,然后將它們一一對(duì)應(yīng)建立水位流量—關(guān)系，并繪制成水位—流量關(guān)系曲線，再通過(guò)關(guān)系曲線求出各個(gè)設(shè)計(jì)流量重現(xiàn)期的水位值。

在對(duì)小青龍大橋作洪水高程設(shè)計(jì)中，先根據(jù)“1981.7”、“1983.8”等多次洪水調(diào)查資料對(duì)大橋斷面進(jìn)行斷面測(cè)量,得出實(shí)測(cè)大斷面成果資料,繪制成大斷面圖如下:

再利用曼寧公式:Q=A*V= *AR *I 求出各大斷面高程轉(zhuǎn)折處斷面的流量值,繪制水位流量關(guān)系,如下圖:

再根據(jù)水位流量關(guān)系曲線得出各個(gè)設(shè)計(jì)流量重現(xiàn)期的水位值如下表:

長(zhǎng)江大道小青龍河大橋設(shè)計(jì)水位流量關(guān)系表

這樣我們得出小青龍大橋的百年一遇的洪水高程為319.60M.

五、橋孔行洪設(shè)計(jì)計(jì)算

在對(duì)大橋作行洪論證計(jì)算時(shí)，除了計(jì)算出大橋斷面的設(shè)計(jì)洪峰流量和設(shè)計(jì)洪水高程外，橋孔的設(shè)計(jì)計(jì)算也非常重要，只有正確計(jì)算出橋梁的橋孔對(duì)水流的行洪影響，才能保證在大橋修建后各方面的安全運(yùn)行。橋孔設(shè)計(jì)在行洪計(jì)算中一般有以下三個(gè)方面的內(nèi)容。

（一）橋孔過(guò)水面積的計(jì)算

在大橋過(guò)水?dāng)嗝嬷?，橋墩占有很大一部份面積，橋墩的面積直接影響水流通過(guò)的水量，所以正確計(jì)算出橋墩的阻水面積，才能大橋行洪計(jì)算的正確。一般我們用寬窄率來(lái)表示橋墩的阻水因素，寬窄率（%）=橋墩面積/原過(guò)水?dāng)嗝婷娣e。在我們測(cè)出大橋斷面在不計(jì)橋墩影響的各橋墩間的過(guò)水面積后，再根據(jù)大橋設(shè)計(jì)施工圖計(jì)算出各橋墩的面積，就會(huì)得出寬窄率。

（二）、壅水計(jì)算

在橋梁修建中，大橋的橋墩在水流通過(guò)時(shí)，會(huì)造成上下游水流流線的收縮和擴(kuò)散，加上橋墩的摩擦阻力，會(huì)造成水流能量的損失，必然在橋墩的上游形成壅水，這樣將影響行洪，所以必須計(jì)算橋墩和部分橋臺(tái)的壅水影響。橋墩阻水的壅水經(jīng)驗(yàn)公式很多，根據(jù)小青龍河大橋梁所處水庫(kù)坎庫(kù)區(qū)，兩岸為紫砂巖互層，選用《公路橋位勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)矩（JTJ062-82）》公式：

式中： —最大壅水高度；—系數(shù)，由 值表查取，阻擋流量和設(shè)計(jì)流量的比值小于10%時(shí)為0.05； —全斷面平均流速（m/s）；

—橋下平均流速（m/s），根據(jù)土壤類別本河段按下式計(jì)算：

式中： —設(shè)計(jì)流量；—橋下凈過(guò)水面積； —天然狀態(tài)下橋下平均流速。

河段壅水曲線全長(zhǎng)公式為：

式中：j —水面比降，取值1.0‰左右；L —壅水長(zhǎng)度。

(三)流向傾角效正計(jì)算:

在防洪評(píng)價(jià)計(jì)算中,大橋斷面的總流向必須和大橋斷面垂直,所得才是正確的結(jié)果,如果不垂直就必須做傾角效正,其計(jì)算公式為:垂直斷面的流量值=傾斜角的流量值*流向傾角的余弦。通過(guò)對(duì)小青龍河大橋斷面進(jìn)行流向測(cè)量，得出該斷面的總流向垂直于大橋斷面，故不需要作流向傾角效正。

根據(jù)前面的設(shè)計(jì)流量和設(shè)計(jì)水位計(jì)算，再綜合上面的橋孔行洪設(shè)計(jì)計(jì)算，我們得出長(zhǎng)江大道小青龍河大橋的行洪影響表

長(zhǎng)江大道小青龍河大橋行洪影響表

在作出大橋行洪影響表后，就可以根據(jù)表上的數(shù)據(jù)對(duì)大橋行洪設(shè)計(jì)作出結(jié)論，一般從水位壅水范圍和大橋占河道面積二個(gè)方面的數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)大橋的行洪作出最后的結(jié)論，且二者的值越小，大橋?qū)π泻榈挠绊懸苍叫?。長(zhǎng)江大道小青龍河大橋行洪影響表中我們看出，水位壅水范圍在此30至25CM之間，變化較小。大橋占河道的面積（寬窄率）為7.4%—8.9%之間，對(duì)過(guò)水?dāng)嗝嬗绊懖淮?。根?jù)施工方提供的大橋施工圖，橋梁底緣最低處為320.81M，高于百年一遇的設(shè)計(jì)洪水高程319.60M,完全能滿足防洪要求.大橋百年一遇的過(guò)水?dāng)嗝鏋?.4%，因此對(duì)河勢(shì)的影響較小。

在作出防洪評(píng)價(jià)計(jì)算后，還要看大橋所處的河段內(nèi)有無(wú)河道整治工程和其他水利設(shè)施，如有就要和這些部門調(diào)協(xié)處理好防洪問(wèn)題和合法水利權(quán)的問(wèn)題。如果河道有沖刷也要作沖刷計(jì)算，使計(jì)算結(jié)果恢復(fù)到不受影響的值。小青龍河大橋河段內(nèi)無(wú)河道整治工程和其他水利設(shè)施，故而不會(huì)影響防洪搶險(xiǎn)的實(shí)施，更不會(huì)影響對(duì)第三人合法水利權(quán)益的影響，大橋河段水庫(kù)坎庫(kù)區(qū)，兩岸為紫砂巖互層，故沖刷很小，可以勿略，不需作沖刷計(jì)算。

六、結(jié)論

小青龍河大橋的防洪評(píng)價(jià)計(jì)算中遇到問(wèn)題，是一般防洪評(píng)價(jià)計(jì)算比較普通且共同的問(wèn)題，通過(guò)此例我們可以對(duì)有實(shí)測(cè)水文資料情況下小河流橋梁的防洪評(píng)價(jià)計(jì)算的方法有一個(gè)比較全面的了解。當(dāng)然我們?cè)谧饕恍┲行『恿鳂蛄悍篮樵u(píng)價(jià)計(jì)算中，還會(huì)遇到一些其他的問(wèn)題，也會(huì)有其他形式的計(jì)算方法，比如用降徑關(guān)系進(jìn)行防洪評(píng)價(jià)計(jì)算，但在水文站網(wǎng)布局合理的流域內(nèi)，用大橋斷面流域內(nèi)水文站或相鄰流域水文站的實(shí)測(cè)最大洪峰流量資料來(lái)作大橋的防洪評(píng)價(jià)計(jì)算，更為簡(jiǎn)明合理。

注：文章內(nèi)所有公式及圖表請(qǐng)用PDF形式查看。