西安5號地鐵線浐河大橋防洪評價的水文分析計算

(陜西省咸陽水文水資源勘測局，陜西 咸陽 712000)

地鐵五號線是西安市軌道交通線網中第二條東西向的主骨架線路，該線路聯接紡織城火車站、浐灞生態(tài)區(qū)、曲江新區(qū)、高新區(qū)、西咸新區(qū)等城市近期重點建設區(qū)域，中部緩解主城區(qū)交通擁堵問題，兩端帶動城市近期重點建設區(qū)域開發(fā)，是典型的中心交通疏導、兩端開發(fā)引導型的線路。

西安5號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。該項區(qū)域已建成有百年一遇標準的防洪堤；堤頂道路為瀝青路面，寬12 m，路面兩側為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；其中跨越浐河兩岸道路采用48 m邊跨跨越，浐河河槽采用68 m主跨跨越；兩主墩基礎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。

依據我國《水法》、《防洪法》及相關法律、法規(guī)規(guī)定，應進行防洪評價，為西安5號地鐵線浐河大橋建設單位及河道管理決策提供依據，防洪評價內容比較多，本文就橋位處的水文分析計算進行討論。

依照浐河5號線浐河橋梁布設圖的設計，設計橋梁底部高程為431.734 m，通過計算橋位處洪水位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 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，本線路經過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，最早出現在4月份，最遲出現在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)夏季多處在暖氣團之中，天氣晴朗、氣壓低、氣溫高，而這時從東北和西北來的冷氣團會主動進入，從而在冷暖風下，產生鋒面雨，從而產生短時間的暴雨(下雨主要看原來所控制本地區(qū)的氣團是否含有水量)。

2.2 洪水特征

根據《陜西省洪水調查資料》(陜西省水利廳，1984年)、《西安市實用水文手冊》(西安市水電局，1988)等有關資料，藍田縣水利局在浐河上游支流湯峪河峪口調查有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，下游蔣家灣村調查到浐河1953年8月2日發(fā)生洪水，洪峰流量777 m3/s。以上調查歷史洪水成果均為可靠，可作為浐河設計洪水計算中的重要參考依據。

3 設計洪水分析及復核

3.1 洪水資料選擇

項目區(qū)所在浐河干流，未設立水文站，浐河相鄰流域設立的水文站中，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)水文站作為項目區(qū)斷面設計洪水的參證站比擬項目區(qū)斷面設計洪水。

3.2 設計洪水分析計算

3.2.1 實測徑流系列水文比擬法

根據馬渡王水文站、羅李村文站、高橋水文站和秦鎮(zhèn)水文站實測徑流系列水文比擬法，實測徑流系列，利用歷年最大洪峰流量，采用P-Ⅲ型分布曲線進行設計洪水洪峰流量計算，計算原理如下：

1) a個特大洪水的經驗頻率為：

(1)

n-L個連序洪水的經驗頻率為：

(2)

上述式中，PM、Pm為經驗頻率；M、m分別為歷史特大值、連序系列排列序號；N、n分別代表歷史特大值首項重現期和連序系列年數。

2) 均值和變差系數CV的計算公式為：

(1)當為連序系列時：

(3)

(4)

(2)當為不連序系列時：

(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分別代表特大值個數和實測系列個數。

本次洪水頻率計算是連續(xù)處理，實測資料，采用P—Ⅲ型曲線分析計算得四個參證站統計參數如下表1；設計洪水頻率曲線見圖1-圖4，各頻率的設計流量成果詳見表2。

表1 四個參證水文站各頻率設計洪峰流量表 m3/s

圖1 馬渡王水文站設計洪水頻率曲線圖 圖2 羅李村水文站設計洪水頻率曲線圖

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

按照參證站的計算成果，利用水文比擬法推求項目位置處設計洪水，計算公式為：

(7)

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

表2 四個參證水文站實測資料推求設計洪水流量成果表

3.2.2 由暴雨資料推求設計洪水

根據《陜西省中小流域設計暴雨洪水圖集》以及《西安市實用水文手冊》和實測鳴犢雨量站資料，在假定設計暴雨和設計洪水頻率相應，分析產流河匯流過程，進而推求設計洪水，根據《西安市實用水文手冊》相關參數查算暴雨產流、匯流參數，推算設計洪水洪峰流量，根據各時段降雨量推算凈雨量，采用推理公式法，計算設計洪水流量成果表3。

表3 由暴雨資料推求洪水成果表

3.2.3 項目區(qū)設計洪峰流量采用值

以上兩種計算結果詳見表4，從上表看出，根據《西安市實用水文手冊》經驗公式法與馬渡王、羅李村水文站洪峰流量按水文比擬法和暴雨資料推求計算結果差別較大。

所采用的資料系列比現有馬渡王水文站1952～2012年系列資料短，經驗公式考慮條件較少、精度較差，其計算結果合理性較差。由于項目區(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，本次計算時未進行一致性處理，其水文比擬法計算結果的合理性較差。采用暴雨推求設計洪水，資料采用鳴犢雨量站計算浐河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告》(西安市水利規(guī)劃設計院2013.7)和《浐河灞橋區(qū)段防洪工程可研報告》(西安市水利建筑勘察設計院2009.9)成果。

浐河無實測水文資料，根據設計洪水計算規(guī)范，采用以上方法，和參考兩個《可研報告》，確定項目區(qū)100 a一遇設計洪峰流量采用數值為1 128 m3/s。

4 設計洪水位計算

4.1 橋位處水位流量關系曲線推求

根據圖5擬建大橋處斷面圖，在垂直于洪水水流方向布設計算斷面圖實測成果，以綜合分析的本段河床糙率、實測比降，利用曼寧公式計算斷面的水位流量關系(見圖6)。

表4 不同方法計算地鐵5號線浐河大橋設計洪峰流量成果表

采用能量守恒方程按全斷面計算水面線，計算公式為：

(8)

式中：Z為斷面水位(m)；V為斷面平均流速(m/s)；α為系數(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、下游斷面流量模數平均值，即

(9)

參數確定

a 、糙率確定：依據《西安市實用水文手冊》，對浐河勘測，確定糙率取0.033。

b、局部水頭損失系數確定

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

由于計算河段無大的支流加入,因而計算斷面時,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測了3個河道橫斷面，斷面編號從上到下依次為5號線浐河大橋1、2、3斷面，施測河道長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作為水面線計算的初始斷面，以施測斷面時的枯水水面線作為設計洪水起算高程，根據確定的河段糙率、起算斷面的水位和實測斷面資料，首先計算各個斷面的水力因子，然后采用前述確定的計算方法，以下游起算斷面確定的設計水位為控制水位，從下至上推求各斷面的設計水位，以此推求出工程段現狀河道設計標準100 a一遇設計洪水水面線成果表5和水面曲線圖7。

4.2 大橋橋梁底部高程復核

根據計算橋址處設計洪水洪峰流量為1 128 m3/s。查斷面2水位流量關系得， 100 a一遇洪峰流量在斷面2相應的水位為421.15 m。依據設計地鐵5號線浐河橋梁布設圖的設計，設計橋梁底部高程為431.734 m。

根據《公路工程水文勘測設計規(guī)范》(JTG C30—2015)、《公路橋位勘測設計規(guī)范》(JTJ062—2015)和《公路橋涵設計手冊·橋位設計》(人民交通出版社2000年1月)的規(guī)定，不通航河流按設計洪水位計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為相應頻率下的洪水位(m)；∑Δh為根據河流的具體情況分別考慮橋下壅水、風壅增水、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高出的值，對于本橋位可不予考慮，風壅增水也不考慮；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系曲線圖

圖7 地鐵5號線浐河大橋水面曲線圖

橋下凈空安全值(Δhj)根據《公路工程水文勘測設計規(guī)范》(JTG C30—2015)，按設計洪水計算時取0.50 m，依據《防洪標準》(GB50201—2014)和《公路工程水文勘測設計規(guī)范》(JTG C30—2015)，浐河5號線橋處100 a一遇洪水設計以及5號線浐河橋梁布設圖的設計，橋梁底部高程復核。詳見表6。

表5 100 a一遇設計洪水水面線計算成果

表6 橋梁底部高程復核

5 結語

通過對浐河大橋洪水計算分析，說明具有代表性的浐河流域中，區(qū)域河流形成暴雨時，具有歷時短、強度高、漲落迅猛的特點，帶有沙洪水過程，采取不同的計算方法和合理性分析，推求出的水位流量關系擬合較好，表明選用參數基本合理，準確本項目洪水計算要求。

經分析計算，5號線浐河大橋處的100 a一遇的洪峰流量為1 128 m3/s，經復核浐河橋梁底高程按100 a一遇洪水計算應為421.15 m，根據5號線浐河大橋設計橋底部高程為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。符合防洪標準的要求，確保西安5號地鐵線浐河大橋洪水無影響。為西安5號地鐵線浐河大橋雍水、沖涮數據提供有力技術支撐。