312國道改擴建工程公路橋防洪評價

陳澤鋒，胡輝

（商南縣十里坪鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)站，陜西商洛726306）

1 概況

312國道是陜西西北至東南方向的一條十分重要的出省公路。隨著區(qū)域經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，近年來，G312公路交通量呈迅速增長態(tài)勢，日過車輛達(dá)千輛，大型以上貨車比重接近50%，路段服務(wù)水平已降至四級。為了提升服務(wù)能力，規(guī)劃改建路線全長53.970 km，新建及改擴建里程44.821 km，工程建設(shè)中有公路橋6座，按照百年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計。為了確保工程安全建設(shè)，需對6座公路橋百年一遇洪水進行復(fù)核評價。

2 暴雨洪水及河道演變分析

2.1 暴雨洪水分析

6座公路橋涉及的河流均為丹江支流，其河流特性與丹江相似，具有亞熱帶氣候和暖濕帶氣候特點，年平均降水量730.4～862.3 mm。丹江流域的洪水主要由暴雨或連陰雨形成。暴雨具有集中、量大、面廣、歷時短的特點，主要集中在7～9月，尤以7月中旬至8月下旬為最。丹江水系洪水是由暴雨產(chǎn)生，并具有陡漲陡落、洪峰高，歷時短的特點，對下游防洪安全影響較大。

2.2 河道演變分析

根據(jù)調(diào)查成果和歷史資料分析，工程項目區(qū)所在河流為丹江及其較大支流，河流性狀基本接近。工程項目區(qū)河道河床雖有沖淤變化，一般河道變化規(guī)律是小水時候河床橫向變化較大，大水的時候河床橫向相對保持走向不變，沖淤加劇。當(dāng)?shù)睾拥赖目偟淖兓厔菔侵鹉晗虑?，下切趨勢與河道取沙規(guī)模和數(shù)量成一定的正向?qū)?yīng)關(guān)系。受山區(qū)地形限制，加之堤防工程的控制，項目區(qū)河段平面變化趨勢已基本穩(wěn)定，今后河勢不會發(fā)生大的變遷。

3 參證站及洪水確定

丹江流域內(nèi)目前設(shè)有水文觀測站5處，雨量站43處。麻街、板橋水文站觀測資料在30年以上，丹鳳、武關(guān)水文站觀測資料均在50年以上。312國道商州至商南公路擴建項目所在區(qū)域距丹鳳水文站較近，該站具有完整的實測水文資料系列。項目所在區(qū)域位于丹江干流及其支流，因各形態(tài)斷面與丹鳳水文站為同一氣候區(qū)，同為丹江流域，自然地理因素相同，根據(jù)水文計算技術(shù)，設(shè)計洪水計算以丹鳳水文站作為參證站。

根據(jù)丹鳳水文站1921、1935年的歷史調(diào)查洪水和1957～2012年共58年實測洪峰流量系列，按照《水利水電工程洪水計算規(guī)范》（SL44—93）推薦的方法，以年最大值法選樣，加入歷史調(diào)查洪水，按不連續(xù)系列計算經(jīng)驗頻率。根據(jù)矩法計算出統(tǒng)計參數(shù)，采用皮爾遜Ⅲ型理論頻率曲線適線（計算時采用黃河水利委員會水文局的洪水頻率計算程序計算），求得的丹鳳水文站10年一遇設(shè)計洪峰流量為1 263 m3/s，100年一遇設(shè)計洪峰流量為2 710 m3/s。

4 公路橋設(shè)計洪水分析

公路橋分別采用匯水面積相關(guān)法、綜合參數(shù)法、水文比擬法和推理公式4種方法進行計算。公路橋流域特征數(shù)據(jù)情況詳見表1。

表1 公路橋流域特征數(shù)據(jù)表

4.1 匯水面積相關(guān)法

依據(jù)《商洛地區(qū)實用水文手冊》提供的匯水面積相關(guān)法的相關(guān)參數(shù)，用下式計算：

式中：QP——設(shè)計頻率P的洪峰流量（m3/s）；

F——設(shè)計流域面積（km2）；

KP、n——設(shè)計頻率為P的經(jīng)驗參數(shù)，n為0.59，100年一遇、10年一遇KP分別為42、18。

式中參數(shù)取值見表1，洪峰流量計算成果見表2。

表2 公路橋斷面洪峰綜合對比表

4.2 綜合參數(shù)法

依據(jù)《商洛地區(qū)實用水文手冊》提供的綜合參數(shù)法的相關(guān)參數(shù)，應(yīng)用下列公式計算：

式中：QP——設(shè)計頻率P的洪峰流量（m3/s）；

F——設(shè)計流域面積；

J——主河道平均比降；

HP——設(shè)計頻率為P的六小時暴雨量（mm）；

KP——經(jīng)驗參數(shù)，100年一遇、10年一遇KP分別為2.23、1.24；

n、α、β——經(jīng)驗指數(shù)，分別取值為0.626、0.023、0 561。

式中參數(shù)取值見表1，計算成果見表2。

4.3 水文比擬法

計算公式為：

式中：Qm設(shè)、Qm參——分別為設(shè)計站和參證站洪峰流量（m3/s），Qm參10年一遇取值1 263 m3/s，100年一遇取值2 710 m3/s。

A設(shè)、A參——分別為設(shè)計站和參證站集水面積（km2）；

n——指數(shù)（取值為0.667）。

式中參數(shù)取值見表1，以商南水文站為參證站比擬項目區(qū)10年、100年一遇設(shè)計洪峰流量見表2。

4.4 推理公式法

暴雨是產(chǎn)生洪水的主要原因。小橋流域河段控制面積小，用板橋、棣花站暴雨資料，采用推理公式法推求設(shè)計洪水。由暴雨間接推求洪水，首先假定設(shè)計暴雨與設(shè)計洪水是同頻率的，在設(shè)計暴雨確定時，其分析的主要內(nèi)容是產(chǎn)流和匯流的計算。

4.4.1 設(shè)計暴雨計算

設(shè)計點暴雨歷時可按流域面積大小分為兩級：當(dāng)流域面積＜100 km2，設(shè)計歷時采用6或12 h；當(dāng)流域面積＞100 km2，設(shè)計歷時采用12或24 h。當(dāng)設(shè)計點暴雨歷時確定之后，由各歷時年最大點暴雨均值、變差系數(shù)等值線圖分別查得不同歷時年最大點暴雨均值和變差系數(shù)Cv。以Cs/Cv=3.5的倍比，由皮氏Ⅲ型曲線表查得模比系數(shù)Kp，求得設(shè)計歷時的暴雨量。中、小流域的設(shè)計洪水，一般是以洪峰控制。根據(jù)板橋、棣花及全市較大暴雨自記資料，采用雨峰對齊、算術(shù)平均、滑動挑選的方法，分析概化出6、12 h同頻率分時段控制雨型。設(shè)計頻率為100年一遇的設(shè)計面暴雨量的時程分配，分別以1、3、6、12 h為控制，要求控制歷時內(nèi)的時段累計雨量與相應(yīng)歷時的面雨量相等。其方法是：先將最大1 h面暴雨量放置于雨峰位置，由最大3 h面暴雨量減去最大1 h面暴雨量，所得的差值乘以時程分配百分?jǐn)?shù)，即得3 h以內(nèi)的分配過程；由最大6 h面暴雨量減去最大3 h面暴雨量，所得的差值乘以時程分配百分?jǐn)?shù)，即得6 h設(shè)計面暴雨時程分配雨型；由最大12 h面暴雨量減去最大6 h面暴雨量，所得的差值乘以時程分配百分?jǐn)?shù)，即得12 h設(shè)計面暴雨時程分配雨型。

4.4.2 設(shè)計情況下前期影響雨量P的確定

根據(jù)《商洛地區(qū)實用水文手冊》，商洛市潛流量按占產(chǎn)流總量的20%計算。潛流量的計算由總產(chǎn)流總量乘以潛流所占的百分比所得。以潛流量再除以產(chǎn)流歷時得時段平均潛流量。由產(chǎn)流過程中扣除時段平均潛流量，即得凈雨過程。當(dāng)某一時段的產(chǎn)流量小于時段平均潛流量時，其產(chǎn)流量全部視為潛流。首先從潛流量中扣除該時段的產(chǎn)流量，其次從產(chǎn)流歷時中扣除相應(yīng)的時間，然后再重新計算時段平均前流量。

4.5 設(shè)計洪峰流量的計算

采用推理公式計算，分析的途徑是將暴雨形成洪水的過程，分為產(chǎn)流與匯流兩個階段，然后在一定的假定和概化的基礎(chǔ)上，利用等流時線原理，經(jīng)過一定的推理過程，得出洪峰流量的計算公式。其基本假定有兩條：一是假定流域匯流時間τ內(nèi)的凈雨強度it不變，即可用平均凈雨強度it來表達(dá)；二是把匯流面積曲線αW（τ）/ατ[即匯流面積W（τ）隨時間的變率]概化為矩形，且沿程匯流速度不變。計算步驟如下：

（1）確定流域特征參數(shù)θ，本次采用《商洛地區(qū)實用水文手冊》中的經(jīng)驗公式θ=L2/FJ1/3，得出流域特征參數(shù)θ。

（2）確定匯流參數(shù)m。m參數(shù)是一個具有流域匯流特點的綜合性經(jīng)驗參數(shù)，它與雨強的大小，降雨歷時的長短，雨量時空分布的不均勻性，暴雨中心的移動以及下墊面的干濕等情況有關(guān)。由于以上原因從而使同一流域各次洪水的m值變化范圍較大。但從有關(guān)資料分析，m值又與本次洪水的凈雨深h有關(guān)，即m隨凈雨深h的增大而減少，并逐漸趨于穩(wěn)定。本次采用《商洛地區(qū)實用水文手冊》中的經(jīng)驗公式m=0.190θ0.575計算，得出匯流參數(shù)m。

（3）根據(jù)凈雨計算成果表，自最大凈雨強度開始向前后相鄰時段連續(xù)累加，并除以相應(yīng)的時距，得出時段平均最大凈雨強度ht/t，求得與t相應(yīng)的洪峰流量Qt，其計算公式Qt=0.278（ht/t）F。

（4）根據(jù)流域面積大小，假定幾個洪峰流量，計算出各假設(shè)洪峰流量所對應(yīng)的匯流歷時τ，即：τ=0.278L/（）。

（5）在普通方格紙上點繪t～Qt和Qτ～τ兩組相關(guān)曲線，其兩條曲線的交點對應(yīng)的縱橫坐標(biāo)，即為所求的設(shè)計洪峰流量Qm和匯流歷時τ。各小橋位求得10年、100年一遇設(shè)計洪峰流量成果見表2。

4.5 設(shè)計洪峰流量采用值

從計算結(jié)果可以看出，《商洛地區(qū)實用水文手冊》匯水面積法最大，綜合參數(shù)法計算的結(jié)果居中，根據(jù)商南水文站洪峰流量按水文比擬法計算結(jié)果較小。經(jīng)綜合比較分析，公路橋采用推理公式法計算結(jié)果，見表2。

5 結(jié)語

通過對312國道商州至商南公路改擴建工程6座防洪橋所在河段河床演變趨勢以及設(shè)計洪水的分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）312國道商州至商南公路改擴建工程，是充分發(fā)揮商洛市資源優(yōu)勢，釋放潛能，加強循環(huán)產(chǎn)業(yè)支撐能力的重要工程。公路橋采用100年一遇洪水設(shè)計，其設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)符合《防洪標(biāo)準(zhǔn)》（GB50201-94）中對于Ⅰ級干線公路防洪標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

（2）經(jīng)分析計算，改擴建工程中6座公路橋設(shè)計的防洪標(biāo)準(zhǔn)，基本高于本次復(fù)核要求的洪峰取值，滿足橋位段的防洪要求。經(jīng)評價復(fù)核認(rèn)為，在發(fā)生設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)以下的洪水時，該工程項目基本安全，可以進行建設(shè)。