山區(qū)高速公路大橋水文計(jì)算分析

秦曉燕，王艷軍，王雪松

（中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津市 300074）

1 工程概況

廣西荔浦至玉林的高速公路是桂林、梧州、貴港、玉林通往北海、湛江等沿海城市最便捷的高速公路通道。起自廣西荔浦縣城東北蒙村，接在建的汕頭至昆明的國(guó)家高速公路陽(yáng)朔至鹿寨段，經(jīng)新圩、文圩、官成、馬皮、社步、大洋、仁厚，止于廣西玉林市福綿區(qū)新橋鎮(zhèn)，接已建的呼和浩特至北海的國(guó)家高速公路玉林至鐵山港段，全長(zhǎng)約263 km。

本文采用廣西荔浦至玉林的高速公路第四合同段福綿南流江大橋進(jìn)行水文計(jì)算分析。

2 橋位概況

（1）里程樁號(hào)：K257+669（推薦線）。

（2）河道類型：徑流河道。

（3）河道形狀：平面較順直，平均縱坡較大。

（4）河床組成：河槽為粗砂，橋址岸邊有卵石。

（5）植被情況：河槽內(nèi)有少量水生雜草，河堤外為水稻田，橋址處一面靠山。

3 初擬結(jié)構(gòu)物形式

8-30預(yù)應(yīng)力箱梁橋，柱式墩，肋板臺(tái)，鉆孔灌注樁。

4 設(shè)計(jì)流量計(jì)算分析

4.1 水文基本數(shù)據(jù)

玉林市福綿區(qū)南流江大橋下游的南流江干流上有橫江水文站。橫江水文站為國(guó)家布點(diǎn)觀測(cè)站，控制集雨面積為1 550 km2。該觀測(cè)站觀測(cè)儀器設(shè)備精良，其各項(xiàng)測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目均按國(guó)家規(guī)范[1]規(guī)定進(jìn)行觀測(cè)，數(shù)據(jù)采集和整編符合國(guó)家規(guī)范要求，數(shù)據(jù)整編完整可靠、精度高。該站觀測(cè)有水位、流量、降雨等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)系列長(zhǎng)，且該水文站距離本橋最近，其數(shù)據(jù)代表性較好，故本次設(shè)計(jì)直接采用橫江水文站實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)作為本工程設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。

4.2 歷史洪水調(diào)查

據(jù)橫江水文站記載，1971年6月1日洪水水位最大，實(shí)測(cè)洪水水位為68.85 m（珠江基面）。另?yè)?jù)村民介紹，1914年最高洪水水位曾達(dá)到68.67 m。

4.3 設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

利用理論頻率曲線（皮爾遜-Ⅲ型曲線）求設(shè)計(jì)頻率流量。此法是利用橋位上游或下游已有水文站歷年實(shí)測(cè)系列流量計(jì)算求得。該計(jì)算方法符合中國(guó)國(guó)情，早已被水利、交通、鐵路等部門(mén)廣泛應(yīng)用，其計(jì)算值最為準(zhǔn)確。

位于南流江大橋下游1.5 km處的南流江干流上的橫江水文觀測(cè)站有1959年以來(lái)的洪峰流量資料。橫江水文站為國(guó)家布點(diǎn)測(cè)站，控制集雨面積1 550 km2，本次設(shè)計(jì)收集了1959年~2007年的實(shí)測(cè)洪峰流量，部分年份數(shù)據(jù)如表1所示。表1中，年最大流量系列的年平均流量均值Q為690 m3/s；變差系數(shù)Cv為0.52，它是系列中各隨機(jī)變量的均方差σ與均值Q的比值，反映各個(gè)隨機(jī)變量對(duì)均值 Q 的離均程度，如式（1）、式（2）所示。

表1 橫江水文站部分洪峰流量統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)文獻(xiàn)[2]，橫江水文站部分洪峰流量與頻率的皮爾遜-III型曲線如圖1所示。圖1中，Cs為偏差系數(shù)，反映系列中隨機(jī)變量大小對(duì)其均值的對(duì)稱性，其表達(dá)式如式（3）所示：

根據(jù)適線法反復(fù)調(diào)整統(tǒng)計(jì)參數(shù)的數(shù)值，最終確定Q=690 m3/s,Cv=0.58,Cs=3.5Cv。

由圖1可讀出橫江水文站百年一遇洪水流量 Q1%為 2 139 m3/s，5年一遇洪水流量 Q20%為932 m3/s。

圖1 橫江水文站部分洪峰流量與頻率的皮爾遜-III型曲線

玉林市福綿區(qū)南流江大橋位于橫江水文站上游1.5 km處，且之間無(wú)較大支流匯入，橋位處匯水面積與水文站處匯入面積的面積差為10 km2，10/1 550小于5%，因此本橋設(shè)計(jì)流量采用橫江水文站百年一遇和5年一遇流量。

5 設(shè)計(jì)水位計(jì)算

5.1 水位流量關(guān)系曲線

結(jié)合橫江水文站水位-流量關(guān)系曲線和水文站上游的實(shí)測(cè)斷面，推求得本次實(shí)測(cè)斷面的水位-流量關(guān)系見(jiàn)表2（表中的水位為黃海高程），其曲線圖見(jiàn)圖2。上游其余斷面的水位-流量關(guān)系曲線可參考此斷面反推的河床比降和河道糙率，根據(jù)實(shí)測(cè)橫斷面推求得到。

表2 橫江水文站附近水位-流量關(guān)系

圖2 橫江上游水位-流量關(guān)系曲線

本橋位于橫江水文站的上游1.5 km處，該區(qū)間無(wú)明顯水頭跌落和擋水陂壩，其洪水水位采用橫江水文站資料查表并按照洪水比降推求，本河段處洪水比降0.000 66。推求結(jié)果為：

百年一遇洪水水位Hs=68.53 m。

5.2 橋面最低設(shè)計(jì)高程H min

本河段無(wú)流冰、流木及較大漂浮物，計(jì)算考慮橋下凈空安全值Δhj為0.5 m，壅水ΔZ1及浪高ΔZ2之和ΣΔh為0.7 m，橋梁建筑高度（梁高）為1.6 m、橋面鋪裝厚度為0.2 m、橋面橫坡為0.25 m及這三者之和ΔhD等因素后，確定橋面最低設(shè)計(jì)高程Hmin如下：

將各相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（4），得出橋面最低高程，見(jiàn)表3。

表3 橋面最低高程計(jì)算表 m

另外，由于南流江規(guī)劃為Ⅶ級(jí)航道，根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50139—2014），考慮通航要求，采用5年一遇洪水水位進(jìn)行計(jì)算：

式中：Htn為設(shè)計(jì)最高通航水位；Hm為通航安全凈空高度。

將各相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（5），得出通航橋面最低高程，見(jiàn)表4。

表4 通航橋面最低高程計(jì)算表 m

綜上所述，按百年一遇洪水水位（頻率P=1%）計(jì)算，Hmin=71.85 m；按5年一遇洪水水位（頻率P=20%）（Ⅶ級(jí)通航）計(jì)算，Hmin=72.68 m。

因此，本橋橋面最低設(shè)計(jì)高程采用通航標(biāo)準(zhǔn)控制，Hmin=72.68 m。

6 最小凈跨徑驗(yàn)算

該橋所跨越的河流河道穩(wěn)定，根據(jù)文獻(xiàn)[1]中6.2.1-1式：

式中：Lj為橋孔最小長(zhǎng)度，m；K、n為系數(shù)和指數(shù)，查文獻(xiàn)[1]中表 6.2.1；Qp為設(shè)計(jì)流量，m3/s；Qc為河槽流量，m3/s；Bc為河槽寬度，m 。

將各相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（6），得到橋梁凈跨徑值，見(jiàn)表5。

表5 橋梁凈跨徑計(jì)算

擬定橋梁凈跨徑大于Lj，滿足要求。

7 沖刷計(jì)算

7.1 一般沖刷計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)[1]中7.3.1-1式：

式中：hp為橋下一般沖刷后的最大水深，m；Q2為橋下河槽部分通過(guò)的設(shè)計(jì)流量，m3/s，當(dāng)河槽能擴(kuò)寬至全橋時(shí)取用Qp；B2為橋長(zhǎng)范圍內(nèi)的河槽寬度，m；Bc為計(jì)算斷面天然河槽寬度，m；hmc為橋下河槽最大水深，m；A為單寬流量計(jì)算系數(shù)；λ為設(shè)計(jì)水位下，橋墩阻水總面積與橋下過(guò)水面積的比值；μ為橋臺(tái)前緣和橋墩兩側(cè)的旋渦區(qū)寬度與橋孔長(zhǎng)度之比。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（7），得到河槽一般沖刷計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表6。

表6 河槽一般沖刷計(jì)算表

7.2 局部沖刷計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)[1]中7.4.1式：

式中：V0為河床泥沙啟動(dòng)流速，m/s；hb為橋墩局部沖刷深度，m；Kη為河床顆粒的影響系數(shù)；Kξ為墩形系數(shù)；V'0為墩前泥沙始沖流速，m/s；V為一般沖刷后墩前行進(jìn)流速，m/s；B1為橋墩計(jì)算寬度，m。

其余參數(shù)同前。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（8），得到的河槽局部沖刷計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7，其中d為泥沙平均粒徑，mm。

表7 河槽局部沖刷計(jì)算表

7.3 墩臺(tái)最低沖刷線標(biāo)高

經(jīng)調(diào)查未發(fā)現(xiàn)其他引起沖刷的因素，而且式（7）計(jì)算結(jié)果中已經(jīng)包括一部分自然沖刷，因此可令Δh=0，則總沖刷深度hs為：

最低沖刷線標(biāo)高Hm為

8 結(jié)語(yǔ)

（1）在進(jìn)行水文計(jì)算時(shí)應(yīng)認(rèn)真詳細(xì)地搜集資料，認(rèn)真進(jìn)行分析，去粗取精，去偽存真，相互核對(duì)比較，選擇合理的成果作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

（2）山區(qū)地形復(fù)雜、地質(zhì)復(fù)雜、山勢(shì)險(xiǎn)峻、溝壑縱橫，大橋的設(shè)計(jì)是山區(qū)高速公路設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)及難點(diǎn)，水文計(jì)算更是重中之重，水文計(jì)算的正確性對(duì)大橋整體規(guī)模及其后期運(yùn)營(yíng)有重大的影響，

（3）積極地進(jìn)行水文計(jì)算優(yōu)化設(shè)計(jì)，并且在不斷建設(shè)實(shí)踐中研究新的思路和方法，使水文計(jì)算工作更準(zhǔn)確、快速、合理和簡(jiǎn)便。