寧縣九龍河新建橋梁對(duì)水文站的影響分析
2021-07-09 05:21:46田亞蘭
農(nóng)業(yè)科技與信息 2021年12期
田亞蘭
（甘肅省慶陽(yáng)水文水資源勘測(cè)局，甘肅慶陽(yáng)745000）
1 概述
1.1 九龍河新建橋項(xiàng)目概況
寧縣新建九龍河1 號(hào)橋、2 號(hào)橋是銀西高鐵寧縣站至縣城連接線項(xiàng)目，為寧縣縣城骨架路網(wǎng)之一，是縣城的交通主干道，起點(diǎn)與寧縣東濱河路相接，終點(diǎn)至銀西高鐵寧縣站站前廣場(chǎng)東側(cè)，與既有縣鄉(xiāng)道路相接，自西向東依次與東濱河、沙灘路及規(guī)劃的大同路相交，道路全長(zhǎng)3.14 km。道路全線2 次跨越九龍河，新建大橋上部結(jié)構(gòu)采用30 m 預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩臺(tái)、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為100 年一遇洪水。
1.2 流域概況
九龍河位于寧縣東南部，古稱九陵水，元稱瀘水，發(fā)源于子午嶺西麓的龍池，于寧縣匯入馬蓮河，是流進(jìn)寧縣境內(nèi)七條河流之一，九龍河流經(jīng)米橋、平子、良平、早勝、九峴、石鼓、春榮、城關(guān)8 個(gè)鄉(xiāng)（鎮(zhèn)），流域面積為642 km2，河道總長(zhǎng)度為56 km，平均坡降4.7‰，年平均流量為0.71 m3/s，多年平均徑流量為1 434 萬(wàn)m3，寧縣境內(nèi)流域面積444 km2。九龍河水系如圖1。
2 新建橋設(shè)計(jì)洪水計(jì)算
2.1 水文分析計(jì)算
2.1.1 水文資料 九龍河2 號(hào)橋上游2.65 km 處建有寧縣水文站，該站建于1983 年，地處寧縣新寧鎮(zhèn)龍二村，控制流域面積632 km2，距縣城3.5 km，屬國(guó)家基本水文站，區(qū)域代表站?，F(xiàn)存有1983 年至2019年37 年實(shí)測(cè)水文資料，觀測(cè)資料經(jīng)過(guò)整編審查、正式刊印，資料精度高。
2.1.2 暴雨洪水特性 九龍川流域內(nèi)洪水主要是由降水暴雨形成，暴雨主要發(fā)生在7—8 月，強(qiáng)度大而集中。暴雨路徑多由南北向東南，持續(xù)時(shí)間僅1～3 d，暴雨歷時(shí)一般2～3 h。九龍川流域?qū)冱S土丘陵溝壑區(qū)，植被覆蓋率低，水土流失嚴(yán)重，形成洪水陡漲陡落，泥沙含量大。
2.1.3 歷史洪水 九龍川歷史洪水及重現(xiàn)期以《甘肅省歷史洪水調(diào)查資料》為依據(jù)。調(diào)查斷面位于九龍川楊圪臺(tái)，流域面積601 km2。寧縣水文站流域面積為632 km2，流域面積相差31 km2，面積差小于5%，因此該歷史洪水可以直接采用到寧縣水文站使用。
圖1 九龍河水系圖
表1 寧縣站洪水頻率計(jì)算成果
2.1.4 洪水頻率計(jì)算 根據(jù)寧縣水文站洪峰流量系列，用矩法初估統(tǒng)計(jì)參數(shù)，采用P-Ⅲ型曲線，用適線法進(jìn)行頻率分析計(jì)算。歷史洪水重現(xiàn)期有變動(dòng)范圍時(shí)，定線時(shí)作適當(dāng)考慮。建站以來(lái)最大洪峰流量456 m3/s，相應(yīng)水位996.91 m，采用寧縣站37 年實(shí)測(cè)資料系列，洪峰流量均值111.7 m3/s，洪峰流量采用P-Ⅲ型配線，離差系數(shù)Cv=1.48，偏差系數(shù)Cs=3.0Cv。頻率計(jì)算結(jié)果見表1。
2.2 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算
寧縣水文站控制流域面積632 km2，新建九龍河1 號(hào)橋、2 號(hào)橋均在下游處，橋址位置與水文站相距較近，流域內(nèi)洪水主要是降水暴雨形成的。與水文站之間再無(wú)其他較大支流匯入，流域面積接近，新建橋梁處的洪水可采用寧縣水文站的計(jì)算成果進(jìn)行分析，即對(duì)應(yīng)100 年洪水流量為863 m3/s。因此，本次計(jì)算依照寧縣水文站設(shè)計(jì)洪水成果作為分析依據(jù)。
3 河道水面線的推算
九龍河水面曲線按一般天然河道恒定非均勻流形態(tài)計(jì)算。計(jì)算過(guò)程中河寬按自然河寬計(jì)算，坡降以實(shí)測(cè)值計(jì)，根據(jù)河道地貌特性，在各涉河橋梁橋址處布設(shè)不同長(zhǎng)度河道斷面分別計(jì)算洪水位。經(jīng)初步分析計(jì)算，九龍河設(shè)計(jì)洪水均為緩流，故水面線計(jì)算應(yīng)由下游控制水位向上游推算。九龍河以1 號(hào)橋下游100 m 處K1+000 所在河道為控制斷面，由下游向上游推算各斷面不同頻率洪水位，用水力學(xué)曼寧公式計(jì)算控制斷面洪水位，采用天然河道恒定非均勻流能量守恒方程按全斷面計(jì)算水面線，考慮沿程水頭損失和局部水頭損失，計(jì)算公式：
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、下游斷面的流量模數(shù)平均值，即：
式中，A 為上、下游斷面的面積（m2）；R 為上、下游斷面的水力半徑（m）；C 為上、下游斷面的謝才系數(shù)，即為河段糙率；ξ 為局部水頭損失系數(shù)；下標(biāo)1 和2 表示上、下游斷面。
糙率選?。壕琵埡硬糠趾影兑r砌工程，河床面一般沒有襯砌，經(jīng)綜合分析、計(jì)算，兩處河道各河段工程區(qū)上下游均采用n=0.035 進(jìn)行分析計(jì)算洪水。
控制斷面水位—流量關(guān)系的確定：本次以1 號(hào)橋下游100 m 處K1+000 所在河道斷面作為九龍河推求設(shè)計(jì)洪水水面線的起始斷面，該斷面附近河道順直，斷面穩(wěn)定。參考實(shí)測(cè)的河道深泓點(diǎn)比降，分析確定九龍河河道比降采用4.7‰。按曼寧公式經(jīng)計(jì)算控制斷面處水位流量，計(jì)算結(jié)果見表2。
式中，n 為河道糙率（0.035）；R 為水力半徑（m）；J 為河道實(shí)測(cè)比降；A 為實(shí)測(cè)斷面面積（m2）。
根據(jù)此斷面由下游向上游逐段進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水位推算，即可推求出各斷面的洪水位，計(jì)算結(jié)果見表3。
4 雍水曲線計(jì)算
4.1 壅水高度計(jì)算
本次分析針對(duì)新建橋梁后會(huì)產(chǎn)生壅水現(xiàn)象進(jìn)行壅水高度計(jì)算。橋梁的壅水計(jì)算常采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，本次壅水計(jì)算采用根據(jù)《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJC30-2015）公式進(jìn)行計(jì)算橋前最大壅水高度，橋前最大壅水高度計(jì)算結(jié)果見表4、表5。
九龍河1 號(hào)橋、2 號(hào)橋均為跨河橋梁，橋墩采用樁柱一體墩，橋墩形狀為圓柱，根據(jù)《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄B，確定單墩阻水寬度計(jì)算公式：
式中，B 為單頓單墩阻水寬度（m）；d 為橋墩直徑（m）。
九龍河1 號(hào)橋?yàn)? 跨跨河橋梁，根據(jù)水面線計(jì)算結(jié)果可知河道k1+000 斷面、k1+100 斷面、k1+200各斷面處均有一排橋墩阻水，橋墩直徑為1.4 m，每排橋墩處有4 個(gè)橋柱阻水，橋軸線與河道洪水主流夾角（a=180°），阻水深度為個(gè)橋墩深泓點(diǎn)高程至水面線高度，阻水寬度分?jǐn)嗝娣謩e計(jì)算。
表2 九龍河控制斷面水位流量關(guān)系
表3 新建橋梁橋址處未建前100 年一遇河道水面線計(jì)算成果
表4 100 年一遇洪水原河道公路橋位勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范壅水計(jì)算結(jié)果
表4 （續(xù)）
表5 100 年一遇洪水拓寬河道公路橋位勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范壅水計(jì)算結(jié)果
表5（續(xù)）
九龍河2 號(hào)橋?yàn)? 跨跨河橋梁，根據(jù)水面線計(jì)算結(jié)果可知河道內(nèi)只有3 排橋墩阻水，橋墩直徑為1.4 m，橋軸線與河道洪水主流夾角（a=90°），阻水深度為原地面線至水面線高度，K2+100 斷面處總阻水寬度為4.2 m。
式中，Δz 為橋前最大壅水高度（m）；KY為修正系數(shù)；KN為定壅系數(shù)；Vom為天然狀態(tài)下橋孔部分的平均流速（m/s）；Vm為橋下平均流速（m/s）；Vm=KP*QP/ωj。
4.2 壅水長(zhǎng)度計(jì)算
壅水曲線的全長(zhǎng)L 可按下式計(jì)算：
式中，L 為壅水曲線長(zhǎng)度（m）；J 為河床比降（以小數(shù)計(jì)），采用實(shí)測(cè)比降；Δz 為橋前最大壅水高度（m）。
根據(jù)規(guī)范本計(jì)算各橋梁橋前壅水采用最大值的一半進(jìn)行分析。經(jīng)過(guò)計(jì)算可知九龍河1 號(hào)橋原河道時(shí)壅水長(zhǎng)度為306 m，河道拓寬后壅水長(zhǎng)度為298 m，九龍河2 號(hào)橋壅水長(zhǎng)度為204 m。
5 新建橋?qū)λ恼镜挠绊懛治?/h2>
由于九龍河屬于天然河道，相對(duì)順直，過(guò)水?dāng)嗝嫘螤詈偷灼戮爻套兓?，河道糙率相?duì)穩(wěn)定，天然河道流量隨時(shí)間而變化微小，因此，本文通過(guò)工程區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算，采用天然河道恒定非均勻流能量守恒方程按全斷面計(jì)算水面線，從而求得新建九龍河1號(hào)橋和2 號(hào)橋址處雍水高度和雍水長(zhǎng)度。由于寧縣水文站位于新建橋上游2.65 km 處，而本次求得1號(hào)橋雍水長(zhǎng)度為298 m，2 號(hào)橋雍水長(zhǎng)度為204 m，所以新建九龍河橋梁不會(huì)對(duì)水文測(cè)驗(yàn)工作正常開展構(gòu)成影響，也不會(huì)改變水流條件，對(duì)水文站測(cè)驗(yàn)數(shù)據(jù)（水位、流速、流量等）精度、水文資料的一致性、連續(xù)性和水位流量關(guān)系等造成明顯的影響。
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