锦州机场路小凌河特大桥水文计算分析

陈林(辽宁省交通规划设计院)

锦州机场路小凌河特大桥水文计算分析

陈林
(辽宁省交通规划设计院)

摘要:通过对桥位处小凌河流域组成的调查分析，对不同流域采用了不同的方法计算设计流量，最终计算出桥位处300年一遇的设计流量。通过得到的设计流量，对小凌河特大桥的桥长、桥面高程、冲刷进行计算分析，为设计方案提供基础的设计资料。

关键词:小凌河特大桥;流量计算;桥位计算

中图分类号:U442

文献标识码:C

文章编号:1008－3383(2015)04－0136－02

1　工程概况

小凌河特大桥是锦州机场路的控制性工程，桥址位于小凌河流域下游，距离入海口约7．8 km。

小凌河是辽宁省西部较大河流之一，该河发源于朝阳县的助安喀喇山，自西北向东南流经朝阳、连山、凌海、锦州等市、县(区)，于凌海市娘娘官乡南注入辽东湾，干流河长206 km，流域面积5 153 km2。

小凌河流域呈长方形，东西长90 km，南北宽60 km，地势自西向东，由南北向中部倾斜。小凌河山河营子以上，河流穿行山谷之间，河道弯曲，两岸植被较差，河床比降为1．27‰～1．52‰。自山河营子以下河道进入丘陵及沿海平原区，河床比降为1．13‰左右。

2　水文计算要点

由小凌河流域示意图可以看出，桥位处设计流量可以分为四个区间:小凌河干流汇流处;女儿河汇流处;百股河汇流处;汇流处至桥位区间。对四区间根据流域情况按不同方法分别计算300年一遇的设计流量，然后对四部分设计流量进行叠加，最终确定桥位处的设计流量。

桥位上游约3．6 km处小凌河有分岔，根据现场调查，洪水时该岔分担约20%左右的洪水流量。根据《锦州龙栖湾新区小凌河防洪方案论证报告》中建议封闭该支汊，洪峰流量全部由主河道承担，计算桥位处水位及流速时，偏安全考虑，桥位处流量采用计算的洪峰流量，不进行折减。

桥孔长度及壅水、冲刷均采用现行规范公式计算。其中桥孔长度除采用公式计算确定外，还按照桥位处地形、并参考上下游桥梁情况，以及水利部门的意见综合确定。

3　设计流量计算

3．1小凌河干流汇流处设计流量

锦州水文站位于小凌河干流汇流处上游约6公里处，可以根据锦州水文站的观测资料数据按数理统计法推算其设计流量。由于水文站资料内大洪水较少，因此把洪水调查和水文站观测的年最大流量资料按不连续系列进行处理。其中1930～1953年为调查期，1954～1998年为实测期，则在调查期N =68年内有特大洪水a =4项，其中有L =1项是发生在n =33年的实测系列之内的，则a = 4项特大洪水的经验频率按PM = M/(N +1)进行计算，实测系列中其余的(n－ L)项的经验频率按进行计算，经计算得到经验频率。

根据经验频率在海森机率格纸上经验频率点群分布，采用适线法绘制理论频率曲线。首先确定统计参数，Cv和Cs:其中= 1 751．456 m3/s，Cv = 1．374，通过试选，稍微加大Cv值，取Cv =1．55，Cs =2．1Cv，

绘出相应的理论P－Ⅲ型频率曲线，经过与经验频率点群分布比较发现，理论频率曲线与点群总体分布配合较好。则最终统计参数= 1 751．456 m3/s，Cv = 1．55，Cs = 3．26。根据《桥位设计》则可计算出锦州水文站处300一遇的设计流量为Q0．33%=17 220．7 m3/s。

锦州站年最大洪峰流量PⅢ型曲线适线图

由于锦州水文站处汇水面积为3 076 km2，小凌河干流汇流处汇水面积为3 150 km2，两者相差极小，且全流域暴雨分布均匀，区间无分洪、滞洪，可采用流域面积比拟法，来推算汇流处P =0．33%的设计流量，即: Q0．33%= (3 150/3 076) ×0．75×17 220．7 =17 530．468 m3/s。

3．2女儿河汇流口处设计流量

根辽宁省洪水调查资料汇编，女儿河乌金塘站处历史洪水排第一位为1930年，洪峰流量为3 960 m3/s，第二位为1949年，洪峰流量为2 990 m3/s。可以计算出1930年洪水频率P1930=2/(2 014－1 849 +1) =1．205%，1949年洪水频率P1949=3/(2 014－1 849 +1) =1．807%，

考虑锦州站与乌金塘站属同一流域，故可以与锦州站采用相同统计系数Cv及Cs。根据《桥位设计》公式Q0．33%= QP1%×K0．33%/KP1%。其中KP= Cv×Φ+ 1。分别根据《桥位设计》查取各频率的Φ值，即可根据1930年和1949年频率下洪水流量分别计算出相应的设计洪水流量。两者取大值，最终乌金塘站处Q0．33%=5 466．6 m3/s。

由于乌金塘站处汇水面积为925．2 km2，女儿河汇流处汇水面积为1 490 km2，流域区间暴雨分布均匀，区间无分洪、滞洪，可采用流域面积比拟法，来推算女儿河汇流处P = 0．33%的设计流量，即: Q0．33%= (1 490/925．2)×0．75×5 466．6 =7 814．692 m3/s。

3．3百股河汇流口处流量

根据调查，百股河有记载的洪水分别为1949和1994年，其中1994年洪水后百股河河道治理后与现行河道变化

较大，如采用形态断面法得出的流量与1994年实际流量差别较大，故对百股河采用利用暴雨资料及全国水文分区等方法计算设计水位。

(1)采用辽宁省经验公式: Q1%= 0．278×φ1%×F× S1%÷τn。其中河道参数汇水面积F =331．9 km2，主河道长度LZ=30．588 km，主河道平均纵坡IZ= 4．12%，其他参数分别根据辽宁省水文图集可以得出，最终计算结果Q1%= 1 051．993 m3/s。

(2)采用全国水文分区经验公式: Q1%=(K1%/K2%) K×Fn。其中汇水面积F =331．9 km2，查辽宁省洪峰流量Cv等值线图得Cv =0．55，其中Cs/ Cv =2．5，根据桥位设计可计算出K1% = 2．79，K2% =2．48，最终计算结果Q1%=953．53 m3/s。

(3)采用杨则乙辽宁省公路小桥涵设计流量计算公式Q2%=0．278×ф×S2%×F/τn。其中S2%= H24×K2%×24n2－1，τ= K1×(L/J0．5)m，其中参数Cs/ Cv =3．5，Cv =0．55，历年暴雨均值H24=90，其他参数根据相关图表得出，最终Q1%=1．2×Q2%=1 100．328 m3/s。

根据以上三种方法比较，最终取Q1%=1 051．993 m3/s，则百股河汇流口处设计流量Q0．33%= Q1%×K0．33%/K1%= 1 162．168 m3/s。

3．4汇流口至桥位处处流量计算

汇流口至桥位处距离30．7 km，属于沿海平原区，该流域面积为177 m2，洪水计算采用采用黄淮海平原洪峰流量公式及采用平原区排水模数法比较验证。

(1)采用黄淮海平原洪峰流量公式: Q1%= 0．094 8× 2．530．813NM0．813F0．244N +0．571η0．813。其中M为暴雨量系数，即一般暴雨强度公式中的Sp值。根据桥位设计及辽宁省水文图集中相关系数，最终结果Q1%=143．265 m3/s。

(2)采用平原区排水模数法: Q = MF。其中排水模数M = K×Rm×Fn，设计径流深R = K1%×R均，根据公路工程水文勘测设计规范及水文手册可以查得相关参数，最终得到Q1%=166．549 m3/s。

根据以上两种方法比较，最终取Q1%=166．549 m3/s，则百股河汇流口处设计流量Q0．33%= Q1%×K0．33%/K1%= 183．992 m3/s。

3．5桥位处流量计算分析

最终桥位处设计流量由以上四部分组成Q0．33%= 17 530．5 +7 814．9 +1 162．2 +184．0 =26 691．6 m3/s。

桥位处洪水流量分析:桥位处设计流量采用四区间分别计算300年一遇洪峰流量，然后四部分洪峰流量叠加。未考虑洪峰在汇流口的遭遇关系，实际洪峰存在错峰时间差。与水利部门计算汇流口流量Q0．33%= 17 200 m3/s相比，结果偏大。偏于安全考虑，采用四区间汇合后的流量: 26 691．59 m3/s。

4　设计水位、流速确定

以桥址断面为准，计算不同水位时对应得设计流量，并绘制水位与流量、过水面积、流速关系曲线。查关系曲线，由设计流量Q0．33%= 26 691．59 m3/s，查得设计洪水位Hs = 9．105 m，根据设计水位反算流量与设计流量差值小于5%，满足要求。所以最终设计水位Hs =9．105 m，设计流速Vs = 4．05 m/s。

5　桥长及桥面高程计算

采用《公路桥位勘测设计规范》中河槽宽度公式Lj = Kq (Qp/Qc)n3Bc计算最小桥孔净长Lj=707．4 m。当采用单宽流量公式Lj= Qs/(β×qc)计算最小桥孔净长Lj= 571 m，取两者大值桥孔净长Lj=707．4 m。由于路线与河流夹角为120度，故计算最小桥长L = Lj/cos(a) = 816．8 m。通过对上下游桥梁孔径的调查及根据小凌河在桥位处的河坝规划位置，最终按辽宁省凌河保护区管理局对小凌河大桥的防洪批复意见，桥孔采用46－30 m，桥长为1 380 m。

按设计洪水位计算高程Hmin= Hs +∑△h +△hj+ △h0，其中Hs为设计水位。计算得壅水高度△z = 0．44 m，浪高△h =0．887 m，桥面高程计算壅水高计入1/2，浪高计入2/3，本桥不考虑通航要求，安全值△hj= 0．5 m，考虑梁高，桥面横坡及漂浮物0．2 m，最终桥面高程Hmin=13．04 m。

6　冲刷计算

一般冲刷深度采用《公路桥位勘测设计规范》中64－1修正公式计算得hp=14．486 m，采用64－2简化公式进行计算得hp= 14．640，最终一般冲刷线为9．105－14．640 =－5．535 m。

局部冲刷深度采用《公路桥位勘测设计规范》中65－1修正公式计算得hb=2．672 m，采用65－2公式进行计算得hb=2．775，最终桥墩局部冲刷线标高为－5．535－2．775 = －8．31 m。其中河床泥沙平均粒径取3 mm。

7　结语

从小凌河大桥的水文计算分析中可以看出，对于大型的桥梁工程，水文计算既要考虑各方面资料的准确性，又要考虑到各种计算方法不同的适应性。只有通过对水文资料充分而细致的调查与研究，运用正确合理的计算方法，综合考虑各方面的影响，才能做出合理的方案设计，同时保证桥梁的安全、适用及经济合理。

参考文献:

［1］公路工程水文勘测设计规范(JTJC30－2002)［S］.

［2］高冬光．公路桥涵设计手册(桥位设计)［M］．人民交通出版社，2011．

［3］顾克明，等．公路桥涵设计手册(涵洞)［M］．人民交通出版社，2001．

［4］杨则乙．辽宁省小桥涵设计流量的计算［M］．1990．

作者简介:陈林(1982－)，男，湖北石首人，工程师，研究方向:道桥设计。

收稿日期:2015－02－28