山区高速公路大桥水文计算分析

2018-09-10秦晓燕王艳军王雪松

城市道桥与防洪 2018年7期

秦晓燕，王艳军，王雪松

（中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津市 300074）

1 工程概况

广西荔浦至玉林的高速公路是桂林、梧州、贵港、玉林通往北海、湛江等沿海城市最便捷的高速公路通道。起自广西荔浦县城东北蒙村，接在建的汕头至昆明的国家高速公路阳朔至鹿寨段，经新圩、文圩、官成、马皮、社步、大洋、仁厚，止于广西玉林市福绵区新桥镇，接已建的呼和浩特至北海的国家高速公路玉林至铁山港段，全长约263 km。

本文采用广西荔浦至玉林的高速公路第四合同段福绵南流江大桥进行水文计算分析。

2 桥位概况

（1）里程桩号：K257+669（推荐线）。

（2）河道类型：径流河道。

（3）河道形状：平面较顺直，平均纵坡较大。

（4）河床组成：河槽为粗砂，桥址岸边有卵石。

（5）植被情况：河槽内有少量水生杂草，河堤外为水稻田，桥址处一面靠山。

3 初拟结构物形式

8-30预应力箱梁桥，柱式墩，肋板台，钻孔灌注桩。

4 设计流量计算分析

4.1 水文基本数据

玉林市福绵区南流江大桥下游的南流江干流上有横江水文站。横江水文站为国家布点观测站，控制集雨面积为1 550 km2。该观测站观测仪器设备精良，其各项测验项目均按国家规范[1]规定进行观测，数据采集和整编符合国家规范要求，数据整编完整可靠、精度高。该站观测有水位、流量、降雨等数据，数据系列长，且该水文站距离本桥最近，其数据代表性较好，故本次设计直接采用横江水文站实测水文数据作为本工程设计的主要依据。

4.2 历史洪水调查

据横江水文站记载，1971年6月1日洪水水位最大，实测洪水水位为68.85 m（珠江基面）。另据村民介绍，1914年最高洪水水位曾达到68.67 m。

4.3 设计洪水计算

利用理论频率曲线（皮尔逊-Ⅲ型曲线）求设计频率流量。此法是利用桥位上游或下游已有水文站历年实测系列流量计算求得。该计算方法符合中国国情，早已被水利、交通、铁路等部门广泛应用，其计算值最为准确。

位于南流江大桥下游1.5 km处的南流江干流上的横江水文观测站有1959年以来的洪峰流量资料。横江水文站为国家布点测站，控制集雨面积1 550 km2，本次设计收集了1959年~2007年的实测洪峰流量，部分年份数据如表1所示。表1中，年最大流量系列的年平均流量均值Q为690 m3/s；变差系数Cv为0.52，它是系列中各随机变量的均方差σ与均值Q的比值，反映各个随机变量对均值 Q 的离均程度，如式（1）、式（2）所示。

表1 横江水文站部分洪峰流量统计表

根据文献[2]，横江水文站部分洪峰流量与频率的皮尔逊-III型曲线如图1所示。图1中，Cs为偏差系数，反映系列中随机变量大小对其均值的对称性，其表达式如式（3）所示：

根据适线法反复调整统计参数的数值，最终确定Q=690 m3/s,Cv=0.58,Cs=3.5Cv。

由图1可读出横江水文站百年一遇洪水流量 Q1%为 2 139 m3/s，5年一遇洪水流量 Q20%为932 m3/s。

图1 横江水文站部分洪峰流量与频率的皮尔逊-III型曲线

玉林市福绵区南流江大桥位于横江水文站上游1.5 km处，且之间无较大支流汇入，桥位处汇水面积与水文站处汇入面积的面积差为10 km2，10/1 550小于5%，因此本桥设计流量采用横江水文站百年一遇和5年一遇流量。

5 设计水位计算

5.1 水位流量关系曲线

结合横江水文站水位-流量关系曲线和水文站上游的实测断面，推求得本次实测断面的水位-流量关系见表2（表中的水位为黄海高程），其曲线图见图2。上游其余断面的水位-流量关系曲线可参考此断面反推的河床比降和河道糙率，根据实测横断面推求得到。

表2 横江水文站附近水位-流量关系

图2 横江上游水位-流量关系曲线

本桥位于横江水文站的上游1.5 km处，该区间无明显水头跌落和挡水陂坝，其洪水水位采用横江水文站资料查表并按照洪水比降推求，本河段处洪水比降0.000 66。推求结果为：

百年一遇洪水水位Hs=68.53 m。

5.2 桥面最低设计高程H min

本河段无流冰、流木及较大漂浮物，计算考虑桥下净空安全值Δhj为0.5 m，壅水ΔZ1及浪高ΔZ2之和ΣΔh为0.7 m，桥梁建筑高度（梁高）为1.6 m、桥面铺装厚度为0.2 m、桥面横坡为0.25 m及这三者之和ΔhD等因素后，确定桥面最低设计高程Hmin如下：

将各相关数据代入式（4），得出桥面最低高程，见表3。

表3 桥面最低高程计算表 m

另外，由于南流江规划为Ⅶ级航道，根据《内河通航标准》（GB 50139—2014），考虑通航要求，采用5年一遇洪水水位进行计算：

式中：Htn为设计最高通航水位；Hm为通航安全净空高度。

将各相关数据代入式（5），得出通航桥面最低高程，见表4。

表4 通航桥面最低高程计算表 m

综上所述，按百年一遇洪水水位（频率P=1%）计算，Hmin=71.85 m；按5年一遇洪水水位（频率P=20%）（Ⅶ级通航）计算，Hmin=72.68 m。

因此，本桥桥面最低设计高程采用通航标准控制，Hmin=72.68 m。

6 最小净跨径验算

该桥所跨越的河流河道稳定，根据文献[1]中6.2.1-1式：

式中：Lj为桥孔最小长度，m；K、n为系数和指数，查文献[1]中表 6.2.1；Qp为设计流量，m3/s；Qc为河槽流量，m3/s；Bc为河槽宽度，m 。

将各相关数据代入式（6），得到桥梁净跨径值，见表5。

表5 桥梁净跨径计算

拟定桥梁净跨径大于Lj，满足要求。

7 冲刷计算

7.1 一般冲刷计算

根据文献[1]中7.3.1-1式：

式中：hp为桥下一般冲刷后的最大水深，m；Q2为桥下河槽部分通过的设计流量，m3/s，当河槽能扩宽至全桥时取用Qp；B2为桥长范围内的河槽宽度，m；Bc为计算断面天然河槽宽度，m；hmc为桥下河槽最大水深，m；A为单宽流量计算系数；λ为设计水位下，桥墩阻水总面积与桥下过水面积的比值；μ为桥台前缘和桥墩两侧的旋涡区宽度与桥孔长度之比。

将相关数据代入式（7），得到河槽一般冲刷计算结果，见表6。