唐河樞紐跨河大橋防洪水文分析

吳 蕾

1 工程概況

唐河樞紐跨河大橋位于渾源縣王莊堡鎮(zhèn)北670m處，是《山西省高速公路網(wǎng)規(guī)劃》中“3縱11橫11環(huán)”高速路網(wǎng)主骨架東縱王莊堡至繁峙高速公路的重要組成部分，線路全長59.134km。

1.1 工程特性

擬建公路全線采用全封閉、全立交的雙向六車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計速度100km/h，路基寬33.5m。

1.2 河道概況

唐河屬海河流域大清河水系，發(fā)源于渾源縣，山西境內(nèi)全長96km，流域面積2193km2，河道平均縱坡11‰，平均河床糙率0.0275。

項目高速公路擬建大橋位于渾源縣王莊堡北約670m，河段地形地貌主要為土石山區(qū)—黃土覆蓋基巖中低山區(qū)，山區(qū)內(nèi)山巒疊嶂、溝壑縱橫，地形切割嚴(yán)重，高差懸殊。河床為石質(zhì)基巖，較穩(wěn)定。河流斷面寬度130m，左岸有在建的靈（丘）山（陰）高速公路和防洪堤，河底至防洪堤頂在4～5m，右岸有鄉(xiāng)村公路及殘缺不全的防洪堤，河底至防洪堤頂1.5～2m。橋位左岸西北角建一鐵廠，橋位處周圍2000m無水利及其他工程。

2 防洪水文計算

2.1 河道演變趨勢分析

該段河道位于山谷區(qū)，河道平坦，屬侵蝕河谷區(qū)河流。隨著河道的梯級開發(fā)，水資源利用率將進(jìn)一步提高，水沙矛盾更加突出，中小水年份淤積程度加劇，但大水年份的輸沙效果會有所提高?？傮w來說，該段河道呈逐年上淤的趨勢。

下面以唐河（王莊堡）樞紐B、D匝道橋為例進(jìn)行水文分析計算。

2.2 現(xiàn)狀條件下設(shè)計水位推算

唐河（王莊堡）樞紐B、D匝道橋橋位斷面處流域面積268km2，河道比降21.53‰，河長30.54km，屬無資料地區(qū)，因此，采用《山西省暴雨洪水計算實用手冊》和《大同市唐河流域規(guī)劃》作為水文分析計算的基本依據(jù)。

2.3 設(shè)計洪水位計算成果

洪峰流量根據(jù)《山西省暴雨洪水計算實用手冊》經(jīng)驗公式計算，計算公式為：

式中：Qp——頻率為p的設(shè)計洪峰流量，m3/s；

H1，p——計算流域形心處設(shè)計頻率1h點雨量，mm；

F——涉水工程控制的流域面積，km2；

N——綜合面積指數(shù)；

Cp——隨經(jīng)驗公式地類劃分表及頻率而異的經(jīng)驗性系數(shù)。

根據(jù)上式求得，100年一遇洪峰流量為1335m3/s，50年一遇洪峰流量為1171m3/s，20年一遇洪峰流量為849m3/s。

根據(jù)《大同市唐河流域規(guī)劃》設(shè)計洪水比擬計算，唐河水電站集水面積為457km2，橋位處集水面積為268km2，計算公式為：

式中：Q計——設(shè)計斷面流量，m3/s；

Q參——參照斷面流量，m3/s；

F計——設(shè)計斷面集水面積，km2；

F參——參照斷面集水面積，km2。

根據(jù)公式求得，大橋橋位處設(shè)計流量100年一遇洪峰流量為 1385m3/s，50年一遇洪峰流量為1091m3/s，20年一遇洪峰流量為727m3/s。

通過計算可知，采用《山西省暴雨洪水計算實用手冊》經(jīng)驗公式計算的洪水結(jié)果與唐河水電站初步設(shè)計報告中的設(shè)計成果基本一致，因此，《山西省暴雨洪水計算實用手冊》的計算結(jié)果適宜采用。

根據(jù)唐河（王莊堡）樞紐B、D匝道橋橋位處水位—流量關(guān)系曲線圖查得：100年一遇洪峰流量1335m3/s的相應(yīng)水位為1160.71m；50年一遇洪峰流量1171m3/s的相應(yīng)水位為1160.60m；20年一遇洪峰流量849m3/s的相應(yīng)水位為1160.35m。

2.4 現(xiàn)狀條件下壅水分析計算

唐河（王莊堡）樞紐B、D匝道橋橋位所在河段100年一遇洪水的相應(yīng)水位為1160.71m，斷面寬度為206m，橋面高程1167.484m。建橋后河道內(nèi)橋墩占據(jù)了部分行洪面積，使過水面積減小，同時增加了水流阻力，使橋位上游一定范圍內(nèi)水位壅高，行洪能力降低，有7個橋墩影響阻水面積。

按下式進(jìn)行壅水計算：

式中：Δz——橋前最大壅水高度，m；

η——水流進(jìn)入大橋橋孔阻力系數(shù)，根據(jù)斷面處河灘大小取0.10；

νm——建橋后橋下平均流速，m/s；

ν0——建橋前斷面平均流速，m/s。

計算得：100年一遇壅水高度為0.26m，50年一遇壅水高度為0.25m，20年一遇壅水高度為0.21m。100年一遇壅水長度為42.3m，50年一遇壅水長度為40.4m，20年一遇壅水長度33.1m。

建橋后，大橋底高程1165.884m，100年一遇設(shè)計洪水位1160.71m，加上壅水高度0.26m，實際水位1160.97m，比大橋底部低4.91m，根據(jù)《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，不通航河道橋下凈空高度取0.5m，因此100年一遇洪水對大橋沒有影響，滿足設(shè)計要求。

右岸壩堤為20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，高度為1160.85m，20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計水位為1160.35m，依據(jù)規(guī)劃的河寬，推求20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計水位為1160.75m，加上壅水高度0.21m，實際水位達(dá)到1160.96m，比壩頂高0.11m，建橋后對壩堤有一定影響。

2.5 現(xiàn)狀條件下橋位沖刷與淤積分析計算

橋梁沖刷根據(jù)交通部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》有關(guān)公式和設(shè)計方案進(jìn)行分析計算。唐河（王莊堡）樞紐B、D匝道橋自然沖刷按零處理，一般沖刷計算和局部沖刷計算根據(jù)《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》，采用規(guī)范非黏性土河床的一般沖刷修正式和局部沖刷修正式計算，結(jié)果見表1。

表1 橋墩最大沖刷計算結(jié)果表

根據(jù)《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》非巖石河床墩臺基底埋深安全值確定的標(biāo)準(zhǔn)，通過對唐河（王莊堡）樞紐B、D匝道橋橋位最大沖刷河床標(biāo)高與樁基標(biāo)高比算，認(rèn)為唐河（王莊堡）樞紐B、D匝道橋斷面基底埋深均大于安全值。

3 結(jié)語

唐河（王莊堡）樞紐B、D匝道橋設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，與《防洪標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定一致。項目所在地防護(hù)區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，橋梁設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)高于所在河段防護(hù)區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)。因此，項目建設(shè)符合防洪標(biāo)準(zhǔn)、有關(guān)技術(shù)和管理要求，其防洪標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)劃的數(shù)據(jù)基本一致，項目的實施不會增加規(guī)劃實施難度，符合水利規(guī)劃的總體要求與整治目標(biāo)。

擬建的唐河大橋B、D匝道下右岸壩堤為20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，壩頂高度為1160.85m，20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計水位加壅水高后為1160.96m，高于壩頂0.11m，需加高0.61m，以保證行洪安全。依據(jù)《中華人民共和國河道管理條例》《河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項目管理的有關(guān)規(guī)定》《山西省河道管理條例》等相關(guān)規(guī)定，認(rèn)為在設(shè)計洪水得以順利通過的情況下，項目建設(shè)對當(dāng)?shù)厮?guī)劃不會產(chǎn)生很大影響。