中小河流桥梁设计中的防洪评价计算

唐建萍

摘要：中小型河流防洪评价计算是公路桥梁设计中的一项重要内容,包括水文资料的分析、设计洪水流量及洪水高程计算、桥孔行洪设计计算等。本文以内江市长江大道小青龙河大桥防洪评价计算为应用实例，概述了中小型河流公路桥梁所处流域有实测水文资料时的防洪评价计算的计算方法。

关健词 ：中小型河流桥梁设计 防洪评价计算

Abstract: the middle and small rivers flood control evaluation calculation in design of the highway bridge is an important content, including hydrological data analysis and design flood flow and flood elevation calculation, QiaoKong flood design calculation, etc. This paper NaJiangShi Yangtze river avenue little QingLongHe bridge flood control evaluation calculation for application examples, this paper Outlines the small and medium river highway bridge in a river basin of the hydrological data flood control evaluation, the calculation method.

Key words: small and medium-sized river bridge design flood control evaluation calculation

中图分类号：U445文献标识码：A文章编号：

内江市长江大道小青龙河大桥位于东兴区新建村右岸和东兴区高桥镇圣林村左岸。根据本工程桥位河段位置，工程以上流域集水面积380.5Km2，为中小型河流的桥梁设计类型，根据工作内容,分为下面几个步骤.

一、水文资料的分析

在防洪评价计算中，要对所选取的水文资料进行审查，分析作为大桥断面依据水文站资料的代表性和一致性，选出一个能代表大桥断面流域内的水文特征的依据站点。一般采用和大桥断面相近水文站作为依据站,要求将依据站点的年最大流峰流量资料，根据公式根cv=[]/X，（式中Xi代表年最大洪峰流量，X为多年平均洪峰流量）计算变差和逐年的累进变差过程,如果丰水年组和枯水年组均交替出现，且其间有平水年出现,丰枯水年大致相近,年最大洪峰流量均值大多数年份趋于稳定,我们就视这样的水文站年最大洪峰流量资料代表性好。如果选取依据水文站点的资料代表性不好，可以将大桥附近的水文站作参考站,再选一个邻近流域的水文资料代表性好且流域特征和下垫面因素相似的水文测站作依据站点，然后采用比拟法将依据站的最大洪峰流量资料移用到大桥断面作为防洪评价计算中的水文资料。

在运用依据水文站的水文资料时，还需作一致性分析，看依据站的流域内有无较大蓄、引水工程及人类活动的影响，如有则需作还原计算，在还原计算中，消除这些影响的造成的误差，得出正确的依据水文站的水文资料系列。

在对内江市长江大道小青龙河大桥进行防洪评价计算中，选出在大桥断面上游10.7公里处的田家水文站只有6年(1961年至今1966年)的最大洪峰流量资料,资料代表性不好,因此作为参考站。而临近流域乌龙河的凌家场水文站有28年(1966年至2009年)的最大洪峰流量资料系列，根据cv=[]/x（式中Xi代表年最大洪峰流量，X为多年平均洪峰流量）计算出凌家场水文站年最大洪峰流量变差及累进变差过程，并绘制成图如下：

从图中可以看出该站丰水年组和枯水年组均交替出现，且均间有平水年出现，丰枯水年大致相近，年最大流峰流量均值在25年左右趋于稳定。故作为依据站的凌家场水文站的最大洪峰流量资料系列具有较好的代表性，可供使用。同时凌家场水文站所处的乌龙河流域内无较大蓄、引水工程及人类活动影响，只有些调蓄能力低的小型水库，对洪峰流量影响很小，可以忽略，因此凌家场水文站的年最大流量资料系列具有较好的代表性，不需作还原计算。

二、历史洪水调查

在防洪评价计算中，历史洪水调查对设计洪水高程和设计流量的计算至关重要。在做历史洪水调查时先要了解清楚大桥所处流域内的洪水发生的主要时间和地区分布是否和暴雨特征一致，再根据这些特征找出洪水发生的主要时间和地区分布，通过访问和洪痕测量的形式，调查出流域内特大洪水和洪水发生的相隔年限，为以后的设计洪水高程和设计流量的计算积累重要的水文资料。

在对大桥所处流域小青龙河流域做历史洪水调查中发现，小青龙河流域的洪水为季节性洪水，主要为夏秋暴雨点所致，洪水发生时间和地区分布与暴雨基本一致，依暴雨持续时间和降水强度，以及地形条件所形成。据调查和统计，建国后小青龙河上的洪水灾害主要有以下几次：

1955年7月3日和8日内江县北部降下120mm以上的大暴雨；1962年8月29日田家、高梁降148mm至于220mm大暴雨，小青龙河水位猛涨5-10m；1974年8月16日至18日，高梁降雨313.9mm,团结水库降雨400.5mm，使小青龙河水上涨7至11m左右；1981年7月2至3日、10至11日、12至14日连续降水，以7月12至14日特大暴雨危害，普降雨200mm左右；1983年8月，流域普降100至150mm暴雨，洪水达到建国以来最高水位，经考证，洪水的重现期为100余年。

凌家场水文站通过审查发现1974年、1983年两年年最大流量属特大洪水，访问当80余岁的村民，经多人证实，该洪水均属他们一生未见的洪水，故两次洪水的重现期可推至1919年，均为100年一遇。

三、设计洪峰流量的分析计算

在防洪评价计算中，设计洪峰流量也是至关重要的，在选择好作为大桥断面水文计算的依据站后，先根据历史洪水调查确定出依据站年最大洪峰流量的特大洪水年份，确定其重现期，再将依据站的年最大洪峰流量按大小排序，计算出各数据占最大数据的百分数，用百分数和数据建立关系绘制理论频率曲线，水文上把这个曲线叫皮尔逊Ⅲ型曲线，简称P—Ⅲ型曲线。先用P—Ⅲ型曲线适线法求出设计站各个重现期的设计流量，再用水文比拟法求出大桥的设计流量。当设计站和作为依据站的参考站的流域内的气候和下垫面两方面条件接近时，可以将流域内某一水文特征直接或加以适当修正后移用到设计流域，这种方法叫水文比拟法，水文比拟法的计算公式是：

Q设=

式中：Q设、Q参—为设计站和参证站的洪峰流量，m3/s；F设、F参—为设计站和参证站的集水面积，㎞2；n、 面积比指数。

作为小青龙河大桥水文设计站的田家水文站由于年最大洪峰流量资料年限较短只有六年，其代表性有一定的局限性，而临近流域乌龙河有凌家场水文站，虽然本工程断面位置以上集水面积（380.5km2）与凌家场水文站的集水面积（183 km2）相差较大，但由于都处于同一行政区域，下垫面条件基本一致；同时，从降水量的分布来看，小青龙河高桥（本工程位置处）以上流域的多年平均降水量（948.6mm）与凌家场水文站以上流域的多年平均降水量(950.0mm)非常相近，因此，本工程断面的年最大洪峰流量移用凌家场水文站实测年最大洪峰流量频率计算成果。根据凌家场水文站多年洪峰流量过程，用每年最大洪峰流量和多年最大洪峰流量的比值（百分数）和年洪峰流量建立关系，得到凌家场水文站年最大洪峰流量P—Ⅲ型频率曲线如下图：

图中横坐标为频率（%），纵坐标为流量。通过对凌家场水文站年最大洪峰流量的频率曲线进行CV和CS统计计算，得出CV=1.10, CS=2.5CV

再将凌家场的积水面积和设计洪峰流作为F参和Q参,小青龙河流域积水面积为F设,使用水文比拟法: Q设=,推求出长江大道小青龙河大桥断面设计洪峰流量Q设。以下为小青龙河大桥设计洪峰流量计算成果:

工程断面水文站年最大流量频率计算成果表

这样就得出小青龙河大桥百年一遇的最大洪峰流量为1040 m3/s。

四、设计洪水高程计算

在对桥梁作防洪评价计算中,设计洪水高程的计算非常重要,关系到大桥高度,大桥桥高必须高于设计的洪水高程,才能保证在洪水的重现期内桥梁的安全运行. 在对洪水高程设计前,我们必须根据历史洪水调查中的洪水高度，对大桥断面进行断面测量,得出大断面成果资料,然后绘制用河底高程和起点距建立关系的大断面图.再跟据大断面图各转折点的河底高程,利用水力学原理,采用曼宁公式计算出各转折点处水位时的流量值,然后将它们一一对应建立水位流量—关系，并绘制成水位—流量关系曲线，再通过关系曲线求出各个设计流量重现期的水位值。

在对小青龙大桥作洪水高程设计中，先根据“1981.7”、“1983.8”等多次洪水调查资料对大桥断面进行断面测量,得出实测大断面成果资料,绘制成大断面图如下:

再利用曼宁公式:Q=A*V= *AR *I 求出各大断面高程转折处断面的流量值,绘制水位流量关系,如下图:

再根据水位流量关系曲线得出各个设计流量重现期的水位值如下表:

长江大道小青龙河大桥设计水位流量关系表

这样我们得出小青龙大桥的百年一遇的洪水高程为319.60M.

五、桥孔行洪设计计算

在对大桥作行洪论证计算时，除了计算出大桥断面的设计洪峰流量和设计洪水高程外，桥孔的设计计算也非常重要，只有正确计算出桥梁的桥孔对水流的行洪影响，才能保证在大桥修建后各方面的安全运行。桥孔设计在行洪计算中一般有以下三个方面的内容。

（一）桥孔过水面积的计算

在大桥过水断面中，桥墩占有很大一部份面积，桥墩的面积直接影响水流通过的水量，所以正确计算出桥墩的阻水面积，才能大桥行洪计算的正确。一般我们用宽窄率来表示桥墩的阻水因素，宽窄率（%）=桥墩面积/原过水断面面积。在我们测出大桥断面在不计桥墩影响的各桥墩间的过水面积后，再根据大桥设计施工图计算出各桥墩的面积，就会得出宽窄率。

（二）、壅水计算

在桥梁修建中，大桥的桥墩在水流通过时，会造成上下游水流流线的收缩和扩散，加上桥墩的摩擦阻力，会造成水流能量的损失，必然在桥墩的上游形成壅水，这样将影响行洪，所以必须计算桥墩和部分桥台的壅水影响。桥墩阻水的壅水经验公式很多，根据小青龙河大桥梁所处水库坎库区，两岸为紫砂岩互层，选用《公路桥位勘测设计规矩（JTJ062-82）》公式：

式中： —最大壅水高度；—系数，由 值表查取，阻挡流量和设计流量的比值小于10%时为0.05； —全断面平均流速（m/s）；

—桥下平均流速（m/s），根据土壤类别本河段按下式计算：

式中： —设计流量；—桥下净过水面积； —天然状态下桥下平均流速。

河段壅水曲线全长公式为：

式中：j —水面比降，取值1.0‰左右；L —壅水长度。

(三)流向倾角效正计算:

在防洪评价计算中,大桥断面的总流向必须和大桥断面垂直,所得才是正确的结果,如果不垂直就必须做倾角效正,其计算公式为:垂直断面的流量值=倾斜角的流量值*流向倾角的余弦。通过对小青龙河大桥断面进行流向测量，得出该断面的总流向垂直于大桥断面，故不需要作流向倾角效正。

根据前面的设计流量和设计水位计算，再综合上面的桥孔行洪设计计算，我们得出长江大道小青龙河大桥的行洪影响表

长江大道小青龙河大桥行洪影响表

在作出大桥行洪影响表后，就可以根据表上的数据对大桥行洪设计作出结论，一般从水位壅水范围和大桥占河道面积二个方面的数据来对大桥的行洪作出最后的结论，且二者的值越小，大桥对行洪的影响也越小。长江大道小青龙河大桥行洪影响表中我们看出，水位壅水范围在此30至25CM之间，变化较小。大桥占河道的面积（宽窄率）为7.4%—8.9%之间，对过水断面影响不大。根据施工方提供的大桥施工图，桥梁底缘最低处为320.81M，高于百年一遇的设计洪水高程319.60M,完全能满足防洪要求.大桥百年一遇的过水断面为7.4%，因此对河势的影响较小。

在作出防洪评价计算后，还要看大桥所处的河段内有无河道整治工程和其他水利设施，如有就要和这些部门调协处理好防洪问题和合法水利权的问题。如果河道有冲刷也要作冲刷计算，使计算结果恢复到不受影响的值。小青龙河大桥河段内无河道整治工程和其他水利设施，故而不会影响防洪抢险的实施，更不会影响对第三人合法水利权益的影响，大桥河段水库坎库区，两岸为紫砂岩互层，故冲刷很小，可以勿略，不需作冲刷计算。

六、结论

小青龙河大桥的防洪评价计算中遇到问题，是一般防洪评价计算比较普通且共同的问题，通过此例我们可以对有实测水文资料情况下小河流桥梁的防洪评价计算的方法有一个比较全面的了解。当然我们在作一些中小河流桥梁防洪评价计算中，还会遇到一些其他的问题，也会有其他形式的计算方法，比如用降径关系进行防洪评价计算，但在水文站网布局合理的流域内，用大桥断面流域内水文站或相邻流域水文站的实测最大洪峰流量资料来作大桥的防洪评价计算，更为简明合理。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。