淘河大橋防洪影響評價(jià)水文分析計(jì)算

王光輝，何文龍，魏兆珍

（1.山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250014；2.山東黃河河務(wù)局山東黃河信息中心，山東 濟(jì)南 250014；3.山東交通學(xué)院，山東 濟(jì)南 250357）

跨河橋梁作為交通運(yùn)輸建設(shè)項(xiàng)目跨越河流的重要工程手段，在河道管理范圍內(nèi)的建設(shè)將導(dǎo)致行洪斷面的壓縮束窄以及洪水流態(tài)的改變，這不僅影響工程本身安全，而且可能損害河道管理范圍內(nèi)已建成的防洪工程體系，因此，為避免橋梁對河道防洪安全造成威脅，防止洪水對橋梁的安全運(yùn)行產(chǎn)生不利影響，跨河橋梁的防洪影響評價(jià)是非常必要的。為確保河道管理范圍的防洪安全、河勢穩(wěn)定以及跨河橋梁本身的運(yùn)行安全，本文對青蘭高速公路萊蕪至泰安段改擴(kuò)建工程跨越淘河大橋進(jìn)行了系統(tǒng)、詳細(xì)的水文計(jì)算與分析。

1 工程概況

淘河大橋?yàn)榍嗵m高速公路萊蕪至泰安段改擴(kuò)建工程跨越淘河新建橋梁，該工程路線全長63.802km，所跨河流及水域主要有大汶河、淘河、惠河、崔莊河、明堂河、泮汶河、梳洗河等。淘河大橋在泰安市岱城區(qū)蘇莊村西北190m處跨越淘河，橋梁跨徑布置為5×30m（孔數(shù)×跨徑），全橋共1聯(lián)，橋梁全長156.0m，河道范圍內(nèi)梁底設(shè)計(jì)最低標(biāo)高為143.91m。淘河為大汶河支流，河道總長度26km，流域總面積153km2。淘河為山丘區(qū)河流，枯水季節(jié)基本無水，但汛期遇到暴雨特別是流域內(nèi)發(fā)生連續(xù)暴雨時(shí)，河道易出現(xiàn)洪水或較大洪水過程。

淘河大橋橋址處河道現(xiàn)有規(guī)劃為《山東省泰安市岱岳區(qū)角峪鎮(zhèn)淘河生態(tài)治理工程規(guī)劃》，淘河規(guī)劃防洪標(biāo)準(zhǔn)按20年一遇。淘河大橋跨河處河道中泓線樁號(hào)6+120，位于規(guī)劃治理范圍內(nèi)。橋址處淘河規(guī)劃河槽底寬93m，河槽底高程137.07m，邊坡1∶3，河道縱向比降為30.6‰，堤頂高程140.12m。

2 水文分析計(jì)算

2.1 防洪標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《山東省泰安市岱岳區(qū)角峪鎮(zhèn)淘河生態(tài)治理工程規(guī)劃》，淘河大橋跨越河段河道設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇。根據(jù)橋梁設(shè)計(jì)資料，淘河大橋橋梁設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇。

2.2 橋址處設(shè)計(jì)洪水的推求

淘河大橋橋址以上流域面積為143.2km2，橋址以上河道干流長度18.15km，干流平均比降0.00306。橋址處上游8.15km處有中型水庫彩山水庫，控制流域面積37.5km2，干流長度10km，干流坡度32‰。

根據(jù)橋址以上流域內(nèi)的水利工程情況，將橋址以上流域劃分為3個(gè)計(jì)算單元，即橋址以上總流域、彩山水庫以上流域及彩山水庫與橋址區(qū)間3個(gè)計(jì)算單元。淘河大橋橋址以上至彩山水庫區(qū)間流域面積為105.7km2，彩山水庫流域面積為37.5km2。

橋址處洪水由兩部分組成，一部分為彩山水庫—橋址區(qū)間105.7km2流域面積產(chǎn)生的洪水；另一部分為彩山水庫下泄的洪水。以上兩部分設(shè)計(jì)洪水錯(cuò)時(shí)段疊加即為橋址處設(shè)計(jì)洪水。

2.2.1 彩山水庫—橋址區(qū)間設(shè)計(jì)洪水

根據(jù)淘河規(guī)劃資料，彩山水庫—橋址區(qū)間設(shè)計(jì)洪水計(jì)算采用直接面雨量法推算設(shè)計(jì)洪水。

1）設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算。對于中小河流，設(shè)計(jì)雨期一般取24h即可滿足設(shè)計(jì)要求，因此本次計(jì)算中設(shè)計(jì)雨期確定為24h。根據(jù)《山東省泰安市岱岳區(qū)角峪鎮(zhèn)淘河生態(tài)治理工程規(guī)劃》，彩山水庫—橋址區(qū)間流域多年平均最大24h面雨量為100.2mm，Cv為0.50，查P-Ⅲ型曲線模比系數(shù)Kp表，得各設(shè)計(jì)頻率的Kp值，相應(yīng)設(shè)計(jì)頻率面暴雨量為H24h。橋址斷面20年一遇和100年一遇的流域最大24h暴雨設(shè)計(jì)面雨量見表1。

表1 彩山水庫—橋址區(qū)間設(shè)計(jì)雨量成果表

2）設(shè)計(jì)凈雨計(jì)算及時(shí)程分配。本文采用降雨徑流相關(guān)法進(jìn)行產(chǎn)流計(jì)算[1]，也就是設(shè)計(jì)凈雨量的推算，彩山水庫—橋址區(qū)間流域位于大汶河流域津浦鐵路以東地區(qū)，山丘區(qū)采用降雨徑流關(guān)系4號(hào)線，前期影響雨量Pa取40mm；平原區(qū)采用降雨徑流關(guān)系13號(hào)線，前期影響雨量Pa取40mm。由H24+Pa分別求20年一遇不同時(shí)段的設(shè)計(jì)凈雨量和100年一遇不同時(shí)段的設(shè)計(jì)凈雨量。本文根據(jù)“泰沂山南區(qū)1h設(shè)計(jì)雨型”對流域內(nèi)各單元設(shè)計(jì)凈雨時(shí)程進(jìn)行分配[2]。

3）匯流計(jì)算。彩山水庫—橋址區(qū)間匯流計(jì)算采用山丘平原混合區(qū)瞬時(shí)單位線綜合公式[3-5]，根據(jù)流域設(shè)計(jì)凈雨和瞬時(shí)單位線進(jìn)行匯流演算，從而推求彩山水庫—橋址區(qū)間的設(shè)計(jì)洪水過程線，其中基流按每100km2加1.0m3/s進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，彩山水庫—橋址區(qū)間20年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為667m3/s，100年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為969.3m3/s。

2.2.2 彩山水庫下泄洪水

考慮到彩山水庫的調(diào)蓄作用，首先計(jì)算彩山水庫不同頻率的泄水流量過程，然后將其與彩山水庫—橋址區(qū)間設(shè)計(jì)洪水錯(cuò)時(shí)段疊加作為橋址處不同頻率的設(shè)計(jì)洪水過程。

1）彩山水庫入庫洪水。根據(jù)設(shè)計(jì)洪水地區(qū)組成部分有關(guān)規(guī)定，上游彩山水庫不同頻率的相應(yīng)設(shè)計(jì)洪水由橋址以上全流域不同頻率的設(shè)計(jì)洪水扣除彩山水庫—橋址區(qū)間流域不同頻率的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算求得。

為保證設(shè)計(jì)成果的一致性，采用實(shí)測暴雨資料法推求橋址以上全流域的20年一遇和100年一遇設(shè)計(jì)洪水，然后由上面公式分析計(jì)算彩山水庫的相應(yīng)頻率設(shè)計(jì)洪水。

橋址以上全流域設(shè)計(jì)面雨量、設(shè)計(jì)凈雨量計(jì)算同區(qū)間計(jì)算方法與彩山水庫—橋址區(qū)間洪水推求相同。經(jīng)計(jì)算，橋址以上全流域20年一遇和100年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量分別為833m3/s和1218m3/s。

彩山水庫不同頻率的相應(yīng)設(shè)計(jì)洪水可以由橋址以上全流域及彩山水庫—橋址區(qū)間流域不同頻率的設(shè)計(jì)洪水推求。經(jīng)計(jì)算，彩山水庫20年一遇和100年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量分別為309m3/s和462m3/s。

2）調(diào)洪演算。根據(jù)《山東省岱岳區(qū)彩山水庫除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告》，彩山水庫調(diào)洪演算起調(diào)水位為興利水位，即179.40m。20年一遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水控制下泄流量為335m3/s。當(dāng)彩山水庫不同頻率設(shè)計(jì)洪水入庫后，由水庫多年平均汛中水位175.45m開始蓄水，當(dāng)水位蓄至興利水位時(shí)，開閘泄洪，并按水庫20年一遇安全泄量控泄；當(dāng)水位超過20年一遇防洪高水位時(shí)，水庫敞泄。經(jīng)調(diào)算，彩山水庫20年一遇和100年一遇洪水下泄洪峰流量分別為279m3/s和335m3/s。

2.3 橋址處設(shè)計(jì)洪水及設(shè)計(jì)成果選定

將彩山水庫下泄洪水及彩山水庫—橋址區(qū)間設(shè)計(jì)洪水錯(cuò)時(shí)段疊加，計(jì)算得到橋址處20年一遇和100年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量分別為667m3/s和1159m3/s，詳見表2。根據(jù)《山東省泰安市岱岳區(qū)角峪鎮(zhèn)淘河生態(tài)治理工程規(guī)劃》，橋址處20年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為667m3/s。由于橋址處20年一遇設(shè)計(jì)洪水有規(guī)劃成果，本次水文計(jì)算結(jié)果與規(guī)劃成果一致，但是由于100年一遇設(shè)計(jì)洪水沒有規(guī)劃成果，因此，橋址處20年一遇設(shè)計(jì)洪水采用規(guī)劃成果，100年一遇的設(shè)計(jì)洪水采用本次計(jì)算成果。

表2 淘河大橋橋址以上設(shè)計(jì)洪峰流量成果選定表m3·s-1

2.4 橋址處設(shè)計(jì)洪水

橋址處設(shè)計(jì)洪水位根據(jù)謝才公式及曼寧公式計(jì)算，河槽糙率取0.03，河道縱坡比降0.00306。橋址洪水位成果見表3。

表3 淘河大橋橋址以上設(shè)計(jì)洪水成果表

3 壅水分析計(jì)算

淘河大橋建成后，由于受到布置在河道內(nèi)橋墩的阻水影響，導(dǎo)致橋址處河道斷面有效過水面積減小，水流形態(tài)發(fā)生變化，從而會(huì)造成橋梁上游水位的一定程度壅高。該橋在現(xiàn)狀河道內(nèi)布置了2排橋墩，在規(guī)劃河道斷面內(nèi)布置了4排橋墩，每排6個(gè)橋墩。橋墩布置方向與水流方向夾角為0°，橋墩直徑1.4m，根據(jù)《橋涵水文》中的壅水計(jì)算公式和方法進(jìn)行壅水計(jì)算[6]，壅水計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 淘河大橋橋址處斷面壅水計(jì)算成果表

4 沖刷與淤積分析計(jì)算

淘河大橋橋址處河槽底部為細(xì)砂，根據(jù)《公路工程水文勘測設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGC30-2015）中的有關(guān)規(guī)定，本文采用規(guī)范中適用于非黏性土河床的相應(yīng)公式進(jìn)行一般沖刷和局部沖刷計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 淘河大橋橋址處斷面沖刷計(jì)算成果表

5 結(jié)語

本文通過詳細(xì)的計(jì)算分析，得出橋址處設(shè)計(jì)洪水位、流量、壅水、沖刷等一系列計(jì)算結(jié)果，對淘河大橋進(jìn)行防洪影響評價(jià)及后期的防治、補(bǔ)救措施提供了數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)也希望能夠?qū)绾訕蛄旱脑O(shè)計(jì)提供一定參考，對山東省內(nèi)其他河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目的防洪影響評價(jià)工作提供技術(shù)借鑒。