永和縣永紅橋改造工程防洪評(píng)價(jià)探討

陳運(yùn)寧

（山西路翔交通科技咨詢有限公司，山西 太原 030006）

1 項(xiàng)目概況

永紅橋是正大路跨越芝河的控制性工程，該橋建設(shè)于1970年，為1孔60 m的空腹式雙曲拱橋，橋面全長(zhǎng)80 m，橋面全寬不到9 m，車行道凈寬7 m，兩側(cè)各設(shè)50 cm的人行道。該橋橋面較窄，人車混行。作為永和縣進(jìn)出縣城中心的正大路擴(kuò)寬改造的控制性工程，永紅橋的改造勢(shì)在必行。

圖1 永紅橋現(xiàn)狀

改造后的永紅橋上部結(jié)構(gòu)采用3孔21 m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，橋?qū)?8 m，下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩、柱式臺(tái)，基礎(chǔ)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)。中墩寬1.3 m，橋面設(shè)計(jì)高程887.25 m，梁底高程885.85 m，橋梁軸線與河道軸線的夾角為60°。

2 防洪標(biāo)準(zhǔn)確定

按《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ11—2011），“城市橋梁設(shè)計(jì)宜采用百年一遇的洪水頻率，……”?！俺鞘兄蟹篮闃?biāo)準(zhǔn)較低的地區(qū)，當(dāng)按百年一遇或三百年一遇的洪水設(shè)計(jì)頻率設(shè)計(jì)，導(dǎo)致橋面高程較高而引起困難時(shí)，可按相交河道或排洪溝渠的規(guī)劃洪水頻率設(shè)計(jì)，……”[1]。

縣城段河槽兩岸均修建了高約8 m的砌石堤壩，堤防等級(jí)為四級(jí)，采用20年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。如果永紅橋的改造按照百年一遇設(shè)計(jì)，那么將導(dǎo)致永紅橋的橋面高程增加較大，兩邊道路將無法與之銜接，因此不宜將洪水頻率設(shè)計(jì)較高，而按照20年一遇的堤壩洪水頻率設(shè)計(jì)又較低。經(jīng)過計(jì)算，改造后的永紅橋基本滿足50年一遇洪水設(shè)計(jì)頻率，因此，永紅橋的設(shè)計(jì)洪水頻率為50年一遇。

3 水文分析計(jì)算

3.1 流域概況

芝河屬黃河一級(jí)支流,發(fā)源于永和縣城東北約20 km的四十里山下的坡頭鄉(xiāng)李家崖村,全長(zhǎng)62 km，河道平均縱坡為15‰，流域面積791.5 km2，流域平均寬度12.8 km。

永和縣永紅橋改造工程位于芝河河道永和縣城區(qū)段，在段家河支流匯入口的上游約300 m處，工程所在位置控制流域面積 295.05 km2，河道長(zhǎng)27.8 km，河道平均縱坡為 11‰，流域平均寬度26.6 km。流域?qū)贂x西黃土殘塬丘陵溝壑區(qū)。

芝河無水文測(cè)站，屬無資料河流。

3.2 暴雨特征

芝河流域地形屬晉西黃土殘塬丘陵溝壑區(qū)，地貌組成屬于土石山區(qū)，加上芝河目前無控制性工程，一旦發(fā)生暴雨，便可能形成洪水。洪水成因是夏季暴雨，故年內(nèi)分配不均勻，汛期是每年6—9月，最大洪峰流量多發(fā)生在7、8月份。

3.3 洪峰流量分析

芝河為無資料地區(qū)，采用山西省水利廳編著的《山西省水文計(jì)算手冊(cè)》（2011）計(jì)算洪峰流量。

3.3.1 設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算

本工程流域位于《手冊(cè)》暴雨分區(qū)圖中的“西區(qū)”，由《手冊(cè)》查得各歷時(shí)的暴雨統(tǒng)計(jì)特征值，求得各個(gè)頻率各種歷時(shí)的點(diǎn)雨量，并根據(jù)點(diǎn)面關(guān)系的各種參數(shù)，求得面雨量，見表1。

表1 控制流域暴雨計(jì)算成果表

3.3.2 產(chǎn)流分析計(jì)算

根據(jù)工程所在流域下墊面條件及設(shè)計(jì)洪水流域前期持水度BO、P進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算，頻率為2%設(shè)計(jì)洪水流域前期持水度取0.58?？刂屏饔虍a(chǎn)流地類有黃土丘陵溝壑區(qū)295.05 km2。根據(jù)《手冊(cè)》表7.3.1.2查得黃土丘陵溝壑區(qū)風(fēng)干流域吸收率Sr=20.0，流域?qū)蔏s=1.30[2]。

使用雙曲正切模型計(jì)算設(shè)計(jì)洪水凈雨深，設(shè)計(jì)洪水凈雨深成果見表2。

表2 產(chǎn)流參數(shù)及結(jié)果

3.3.3 匯流計(jì)算

匯流計(jì)算方法采用流域模型法和推理公式法分別計(jì)算。

流域模型法:由《手冊(cè)》附圖4結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)查看實(shí)際情況，控制流域匯流地類為草坡山地。流域模型法參數(shù)根據(jù)《手冊(cè)》表7.3.2.1，β1=0.047，β2=0.19，α=0.397，草坡山地單一地類匯流參數(shù)C1=1.046，C2=0.717[2]，匯流計(jì)算成果見表3。

表3 流域模型法洪水計(jì)算成果表

推理公式法:匯流參數(shù)m根據(jù)《手冊(cè)》表7.3.3.查得，m=0.26[2]，匯流計(jì)算成果見表4。

表4 推理公式法洪水計(jì)算成果表

3.3.4 成果

設(shè)計(jì)洪峰流量采用幾種方法中的大值做為本次洪水成果。通過計(jì)算分析確定芝河在永紅橋處的洪水成果采用流域模型法計(jì)算結(jié)果，2%洪峰流量為1 947 m3/s。

3.4 永紅橋水面曲線計(jì)算

對(duì)永紅橋上下游約0.5 km的范圍內(nèi)進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量了縱橫斷面，起始縱斷樁號(hào)0+000，終點(diǎn)樁號(hào)為0+525。永紅橋位于樁號(hào)0+383.23處。

洪水位計(jì)算采用一般天然河流水面曲線計(jì)算方法。

天然河道洪水糙率《手冊(cè)》附錄Ⅱ調(diào)查洪水用表中附錄Ⅱ-1天然河道糙率表[2]，根據(jù)附近河道情況來綜合選定。河道比降采用紅衛(wèi)橋段河流處上下游一定范圍內(nèi)河流縱斷面外業(yè)測(cè)量計(jì)算成果。水力半徑、斷面面積、濕周均根據(jù)河道橫斷面測(cè)量成果，根據(jù)水位計(jì)算得到。

天然河流水面曲線計(jì)算的基本關(guān)系式為：

式中：Z上、Z下為上、下斷面的水位,m；ζ為動(dòng)能校正系數(shù)；α為河段變化局部損失系數(shù)，取值范圍為-0.5～0.5；Q 為流量，m3/s；Δs為河段長(zhǎng)度，m；J為水利坡降。

根據(jù)河道橫斷面及河段縱斷面情況，選擇河道糙率為0.03。

2%洪峰流量為1 947 m3/s。0+000斷面，2%洪水頻率的設(shè)計(jì)洪水位采用曼寧公式計(jì)算為889.47 m。

水面曲線計(jì)算采用由上游向下游逐段試算,以0+000斷面為初始斷面，計(jì)算永紅橋斷面及上下游一定范圍內(nèi)河道的水位，便可得到整個(gè)計(jì)算河道的水面曲線，橋址斷面河寬57.99 m，建橋后，河道中設(shè)兩個(gè)1.3 m寬的橋中墩，邊墩1.3 m，使該處河道斷面縮窄3.9 m，凈寬54.09 m，縮窄率6.7%。建橋前后，水面線成果見表5。

3.5 橋梁凈空高度復(fù)核

永紅橋梁底高程為885.85 m，2%洪水位為885.14 m，相差0.71 m。由于芝河所處流域表層黃土覆蓋層極易被沖刷切割，洪水中攜帶大量泥沙。橋下凈空按照《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 11—2011）要求的非通航河流且有泥石流的最小值為1.0 m[1]。該橋?yàn)?.71 m，不符合要求。

表5 五十年一遇洪水水面線計(jì)算成果

經(jīng)與橋梁設(shè)計(jì)部門及建設(shè)單位協(xié)商溝通，考慮兩側(cè)道路的接線高程，可適當(dāng)提高橋梁的設(shè)計(jì)高程。因此建議將橋面高程提高0.3 m，同時(shí)梁底調(diào)整為886.15 m，橋下凈空高度為886.15 m-885.14 m=1.0 m，滿足規(guī)范要求。

3.6 沖刷分析

永紅橋所在河段河床為砂巖地段，橋梁采用擴(kuò)大基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋置在砂巖內(nèi)，河道沖刷對(duì)橋梁基礎(chǔ)無影響，不再進(jìn)行沖刷計(jì)算。

4 結(jié)語

我國在20世紀(jì)中期修建了大量的拱橋，隨著城市的發(fā)展，這些橋梁無論在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還是美觀程度上都漸漸不能適應(yīng)現(xiàn)代城市的要求，需要加以改造。在改造過程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際河流情況結(jié)合規(guī)范要求適當(dāng)提高建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，以滿足道路發(fā)展的需求。