唐河枢纽跨河大桥防洪水文分析

吴 蕾

1 工程概况

唐河枢纽跨河大桥位于浑源县王庄堡镇北670m处，是《山西省高速公路网规划》中“3纵11横11环”高速路网主骨架东纵王庄堡至繁峙高速公路的重要组成部分，线路全长59.134km。

1.1 工程特性

拟建公路全线采用全封闭、全立交的双向六车道高速公路标准，设计速度100km/h，路基宽33.5m。

1.2 河道概况

唐河属海河流域大清河水系，发源于浑源县，山西境内全长96km，流域面积2193km2，河道平均纵坡11‰，平均河床糙率0.0275。

项目高速公路拟建大桥位于浑源县王庄堡北约670m，河段地形地貌主要为土石山区—黄土覆盖基岩中低山区，山区内山峦叠嶂、沟壑纵横，地形切割严重，高差悬殊。河床为石质基岩，较稳定。河流断面宽度130m，左岸有在建的灵（丘）山（阴）高速公路和防洪堤，河底至防洪堤顶在4～5m，右岸有乡村公路及残缺不全的防洪堤，河底至防洪堤顶1.5～2m。桥位左岸西北角建一铁厂，桥位处周围2000m无水利及其他工程。

2 防洪水文计算

2.1 河道演变趋势分析

该段河道位于山谷区，河道平坦，属侵蚀河谷区河流。随着河道的梯级开发，水资源利用率将进一步提高，水沙矛盾更加突出，中小水年份淤积程度加剧，但大水年份的输沙效果会有所提高。总体来说，该段河道呈逐年上淤的趋势。

下面以唐河（王庄堡）枢纽B、D匝道桥为例进行水文分析计算。

2.2 现状条件下设计水位推算

唐河（王庄堡）枢纽B、D匝道桥桥位断面处流域面积268km2，河道比降21.53‰，河长30.54km，属无资料地区，因此，采用《山西省暴雨洪水计算实用手册》和《大同市唐河流域规划》作为水文分析计算的基本依据。

2.3 设计洪水位计算成果

洪峰流量根据《山西省暴雨洪水计算实用手册》经验公式计算，计算公式为：

式中：Qp——频率为p的设计洪峰流量，m3/s；

H1，p——计算流域形心处设计频率1h点雨量，mm；

F——涉水工程控制的流域面积，km2；

N——综合面积指数；

Cp——随经验公式地类划分表及频率而异的经验性系数。

根据上式求得，100年一遇洪峰流量为1335m3/s，50年一遇洪峰流量为1171m3/s，20年一遇洪峰流量为849m3/s。

根据《大同市唐河流域规划》设计洪水比拟计算，唐河水电站集水面积为457km2，桥位处集水面积为268km2，计算公式为：

式中：Q计——设计断面流量，m3/s；

Q参——参照断面流量，m3/s；

F计——设计断面集水面积，km2；

F参——参照断面集水面积，km2。

根据公式求得，大桥桥位处设计流量100年一遇洪峰流量为 1385m3/s，50年一遇洪峰流量为1091m3/s，20年一遇洪峰流量为727m3/s。

通过计算可知，采用《山西省暴雨洪水计算实用手册》经验公式计算的洪水结果与唐河水电站初步设计报告中的设计成果基本一致，因此，《山西省暴雨洪水计算实用手册》的计算结果适宜采用。

根据唐河（王庄堡）枢纽B、D匝道桥桥位处水位—流量关系曲线图查得：100年一遇洪峰流量1335m3/s的相应水位为1160.71m；50年一遇洪峰流量1171m3/s的相应水位为1160.60m；20年一遇洪峰流量849m3/s的相应水位为1160.35m。

2.4 现状条件下壅水分析计算

唐河（王庄堡）枢纽B、D匝道桥桥位所在河段100年一遇洪水的相应水位为1160.71m，断面宽度为206m，桥面高程1167.484m。建桥后河道内桥墩占据了部分行洪面积，使过水面积减小，同时增加了水流阻力，使桥位上游一定范围内水位壅高，行洪能力降低，有7个桥墩影响阻水面积。

按下式进行壅水计算：

式中：Δz——桥前最大壅水高度，m；

η——水流进入大桥桥孔阻力系数，根据断面处河滩大小取0.10；

νm——建桥后桥下平均流速，m/s；

ν0——建桥前断面平均流速，m/s。

计算得：100年一遇壅水高度为0.26m，50年一遇壅水高度为0.25m，20年一遇壅水高度为0.21m。100年一遇壅水长度为42.3m，50年一遇壅水长度为40.4m，20年一遇壅水长度33.1m。

建桥后，大桥底高程1165.884m，100年一遇设计洪水位1160.71m，加上壅水高度0.26m，实际水位1160.97m，比大桥底部低4.91m，根据《公路工程水文勘测设计规范》规定，不通航河道桥下净空高度取0.5m，因此100年一遇洪水对大桥没有影响，满足设计要求。

右岸坝堤为20年一遇洪水标准设计，高度为1160.85m，20年一遇洪水标准设计水位为1160.35m，依据规划的河宽，推求20年一遇洪水标准设计水位为1160.75m，加上壅水高度0.21m，实际水位达到1160.96m，比坝顶高0.11m，建桥后对坝堤有一定影响。

2.5 现状条件下桥位冲刷与淤积分析计算

桥梁冲刷根据交通部行业标准《公路工程水文勘测设计规范》有关公式和设计方案进行分析计算。唐河（王庄堡）枢纽B、D匝道桥自然冲刷按零处理，一般冲刷计算和局部冲刷计算根据《公路工程水文勘测设计规范》，采用规范非黏性土河床的一般冲刷修正式和局部冲刷修正式计算，结果见表1。

表1 桥墩最大冲刷计算结果表

根据《公路工程水文勘测设计规范》非岩石河床墩台基底埋深安全值确定的标准，通过对唐河（王庄堡）枢纽B、D匝道桥桥位最大冲刷河床标高与桩基标高比算，认为唐河（王庄堡）枢纽B、D匝道桥断面基底埋深均大于安全值。

3 结语

唐河（王庄堡）枢纽B、D匝道桥设计防洪标准为100年一遇，与《防洪标准》规定一致。项目所在地防护区防洪标准为20年一遇，桥梁设计防洪标准高于所在河段防护区防洪标准。因此，项目建设符合防洪标准、有关技术和管理要求，其防洪标准与规划的数据基本一致，项目的实施不会增加规划实施难度，符合水利规划的总体要求与整治目标。

拟建的唐河大桥B、D匝道下右岸坝堤为20年一遇洪水标准设计，坝顶高度为1160.85m，20年一遇洪水标准设计水位加壅水高后为1160.96m，高于坝顶0.11m，需加高0.61m，以保证行洪安全。依据《中华人民共和国河道管理条例》《河道管理范围内建设项目管理的有关规定》《山西省河道管理条例》等相关规定，认为在设计洪水得以顺利通过的情况下，项目建设对当地水利规划不会产生很大影响。