西安5号地铁线浐河大桥防洪评价的水文分析计算

(陕西省咸阳水文水资源勘测局，陕西 咸阳 712000)

地铁五号线是西安市轨道交通线网中第二条东西向的主骨架线路，该线路联接纺织城火车站、浐灞生态区、曲江新区、高新区、西咸新区等城市近期重点建设区域，中部缓解主城区交通拥堵问题，两端带动城市近期重点建设区域开发，是典型的中心交通疏导、两端开发引导型的线路。

西安5号地铁线浐河大桥位于浐河上，其中浐河在本段河道顺直，河槽宽阔。该项区域已建成有百年一遇标准的防洪堤；堤顶道路为沥青路面，宽12 m，路面两侧为5 m宽的绿化带，综合考虑浐河河道的泄洪、河堤道路通行的需求，本处采用(45+68+45)m连续梁方案；其中跨越浐河两岸道路采用48 m边跨跨越，浐河河槽采用68 m主跨跨越；两主墩基础均落在浐河河堤边坡上。桥梁走向与浐河河道主流方向成58度夹角。桥墩在浐河上布设5跨，其中3跨在浐河河道上，另外2跨在河堤上。连续梁采用悬臂灌注法施工。

依据我国《水法》、《防洪法》及相关法律、法规规定，应进行防洪评价，为西安5号地铁线浐河大桥建设单位及河道管理决策提供依据，防洪评价内容比较多，本文就桥位处的水文分析计算进行讨论。

依照浐河5号线浐河桥梁布设图的设计，设计桥梁底部高程为431.734 m，通过计算桥位处洪水位421.15，静空高度10.584 m.按照规范要求，行洪净高高度不低于5 m，满足河道行洪要求。

1 浐河概况

浐河发源于西安市蓝田县西南秦岭北坡汤峪乡月亮石沟，至西安市谭家乡广太庙注入灞河。浐河全长64.6 km，流域面积760 km2，河床平均比降8.9‰，多年平均径流量19 980万 m3，平均流量为6.34 m3/s,为常年流水河，水量受季节影响较大，本线路经过浐河河床段两岸已人工衬砌。

2 浐河流域暴雨洪水特征

2.1 暴雨特征

浐河流域暴雨发生的月份，最早出现在4月份，最迟出现在10月份，但较大的暴雨一般发生在7～9月份，多年平均降雨量为833.3 mm，6-9月降水量占全年降水量的58.4%。

西安地区夏季多处在暖气团之中，天气晴朗、气压低、气温高，而这时从东北和西北来的冷气团会主动进入，从而在冷暖风下，产生锋面雨，从而产生短时间的暴雨(下雨主要看原来所控制本地区的气团是否含有水量)。

2.2 洪水特征

根据《陕西省洪水调查资料》(陕西省水利厅，1984年)、《西安市实用水文手册》(西安市水电局，1988)等有关资料，蓝田县水利局在浐河上游支流汤峪河峪口调查有1940年8月发生洪水，最大洪峰为354 m3/s。在岱峪河峪口调查有1920年8月发生洪水，洪峰流量279 m3/s，下游蒋家湾村调查到浐河1953年8月2日发生洪水，洪峰流量777 m3/s。以上调查历史洪水成果均为可靠，可作为浐河设计洪水计算中的重要参考依据。

3 设计洪水分析及复核

3.1 洪水资料选择

项目区所在浐河干流，未设立水文站，浐河相邻流域设立的水文站中，罗李村水文站位于灞河上游，控制流域面积754 km2，断面以上主要为山区，山区面积占水文站控制流域面积的81%；马渡王水文站位于灞河中游，控制流域面积为1 601 km2，马渡王水文站控制面积中山区面积占总流域面积的70%；沣河秦渡镇水文站控制流域面积566 km2，山区面积占水文站控制流域面积的91%；潏河高桥水文站控制流域面积632 km2，山区面积占水文站控制流域面积的57%。

项目所在位置处于西安市灞桥区浐河下游处，流域降雨、植被均与相邻流域灞河、沣河流域较为接近，分别采用马渡王水文站、罗李村文站、高桥水文站、秦镇水文站作为项目区断面设计洪水的参证站比拟项目区断面设计洪水。

3.2 设计洪水分析计算

3.2.1 实测径流系列水文比拟法

根据马渡王水文站、罗李村文站、高桥水文站和秦镇水文站实测径流系列水文比拟法，实测径流系列，利用历年最大洪峰流量，采用P-Ⅲ型分布曲线进行设计洪水洪峰流量计算，计算原理如下：

1) a个特大洪水的经验频率为：

(1)

n-L个连序洪水的经验频率为：

(2)

上述式中，PM、Pm为经验频率；M、m分别为历史特大值、连序系列排列序号；N、n分别代表历史特大值首项重现期和连序系列年数。

2) 均值和变差系数CV的计算公式为：

(1)当为连序系列时：

(3)

(4)

(2)当为不连序系列时：

(5)

(6)

上式中，Qi、Qj分别代表连序系列和特大值系列变量；a、n分别代表特大值个数和实测系列个数。

本次洪水频率计算是连续处理，实测资料，采用P—Ⅲ型曲线分析计算得四个参证站统计参数如下表1；设计洪水频率曲线见图1-图4，各频率的设计流量成果详见表2。

表1 四个参证水文站各频率设计洪峰流量表 m3/s

图1 马渡王水文站设计洪水频率曲线图 图2 罗李村水文站设计洪水频率曲线图

图3 高桥站设计洪水计算频率曲线图 图4 沣河秦渡镇水文站洪峰流量频率曲线

按照参证站的计算成果，利用水文比拟法推求项目位置处设计洪水，计算公式为：

(7)

式中：Qm设、Qm参分别为设计站和参证站洪峰流量(m3/s)；A设、A参分别为设计站和参证站集水面积(km2)；N为指数(取值为0.67)。

表2 四个参证水文站实测资料推求设计洪水流量成果表

3.2.2 由暴雨资料推求设计洪水

根据《陕西省中小流域设计暴雨洪水图集》以及《西安市实用水文手册》和实测鸣犊雨量站资料，在假定设计暴雨和设计洪水频率相应，分析产流河汇流过程，进而推求设计洪水，根据《西安市实用水文手册》相关参数查算暴雨产流、汇流参数，推算设计洪水洪峰流量，根据各时段降雨量推算净雨量，采用推理公式法，计算设计洪水流量成果表3。

表3 由暴雨资料推求洪水成果表

3.2.3 项目区设计洪峰流量采用值

以上两种计算结果详见表4，从上表看出，根据《西安市实用水文手册》经验公式法与马渡王、罗李村水文站洪峰流量按水文比拟法和暴雨资料推求计算结果差别较大。

所采用的资料系列比现有马渡王水文站1952～2012年系列资料短，经验公式考虑条件较少、精度较差，其计算结果合理性较差。由于项目区与马渡王、大峪水文站的流域面积相差较大，与罗李村、秦渡镇和高桥水文站的流域面积相近，本次计算时未进行一致性处理，其水文比拟法计算结果的合理性较差。采用暴雨推求设计洪水，资料采用鸣犊雨量站计算浐河100 a一遇洪水量可靠，并且参考《浐河环山公路桥-绕城高速公路段防洪综合治理工程可研报告》(西安市水利规划设计院2013.7)和《浐河灞桥区段防洪工程可研报告》(西安市水利建筑勘察设计院2009.9)成果。

浐河无实测水文资料，根据设计洪水计算规范，采用以上方法，和参考两个《可研报告》，确定项目区100 a一遇设计洪峰流量采用数值为1 128 m3/s。

4 设计洪水位计算

4.1 桥位处水位流量关系曲线推求

根据图5拟建大桥处断面图，在垂直于洪水水流方向布设计算断面图实测成果，以综合分析的本段河床糙率、实测比降，利用曼宁公式计算断面的水位流量关系(见图6)。

表4 不同方法计算地铁5号线浐河大桥设计洪峰流量成果表

采用能量守恒方程按全断面计算水面线，计算公式为：

(8)

式中：Z为断面水位(m)；V为断面平均流速(m/s)；α为系数(取α=1)；g为重力加速度(m/s2)；Q为河段平均流量(m3/s)； ΔL为断面间距(m)；K为河段上、下游断面流量模数平均值，即

(9)

参数确定

a 、糙率确定：依据《西安市实用水文手册》，对浐河勘测，确定糙率取0.033。

b、局部水头损失系数确定

对于逐渐收缩的河段，局部水头损失很小，可忽略不计，对于扩散河段，局部水头损失视扩散的急剧程度不同来选定，一般选用-0.3～-1.0，本次计算河道断面为漫滩。属逐渐扩散河段，取ξ=-0.6。

由于计算河段无大的支流加入,因而计算断面时,采用曼宁公式Q=AJ1/2R2/3/n

起始断面的选择及初始水位的拟定。本次在工程河段共实测了3个河道横断面，断面编号从上到下依次为5号线浐河大桥1、2、3断面，施测河道长450 m。断面处河道比较顺直，两岸有堤防工程，河段控制条件较好，本次选用浐河断面3作为水面线计算的初始断面，以施测断面时的枯水水面线作为设计洪水起算高程，根据确定的河段糙率、起算断面的水位和实测断面资料，首先计算各个断面的水力因子，然后采用前述确定的计算方法，以下游起算断面确定的设计水位为控制水位，从下至上推求各断面的设计水位，以此推求出工程段现状河道设计标准100 a一遇设计洪水水面线成果表5和水面曲线图7。

4.2 大桥桥梁底部高程复核

根据计算桥址处设计洪水洪峰流量为1 128 m3/s。查断面2水位流量关系得， 100 a一遇洪峰流量在断面2相应的水位为421.15 m。依据设计地铁5号线浐河桥梁布设图的设计，设计桥梁底部高程为431.734 m。

根据《公路工程水文勘测设计规范》(JTG C30—2015)、《公路桥位勘测设计规范》(JTJ062—2015)和《公路桥涵设计手册·桥位设计》(人民交通出版社2000年1月)的规定，不通航河流按设计洪水位计算桥面下弦高程公式为：

Hmin=Hs+∑Δh+Δhj

(10)

式中：Hmin为桥面最低高程(m)；Hs为相应频率下的洪水位(m)；∑Δh为根据河流的具体情况分别考虑桥下壅水、风壅增水、局部股流涌高、河床淤积等影响的高度。局部股流涌高是指在我国西北半山区和山前区的河流上，洪水主流成股奔放，集中股流所在处水流较两侧高出的值，对于本桥位可不予考虑，风壅增水也不考虑；Δhj为桥下净空安全值(m)。

图5 拟建桥位处断面图

图6 浐河拟建桥位处水位流量关系曲线图

图7 地铁5号线浐河大桥水面曲线图

桥下净空安全值(Δhj)根据《公路工程水文勘测设计规范》(JTG C30—2015)，按设计洪水计算时取0.50 m，依据《防洪标准》(GB50201—2014)和《公路工程水文勘测设计规范》(JTG C30—2015)，浐河5号线桥处100 a一遇洪水设计以及5号线浐河桥梁布设图的设计，桥梁底部高程复核。详见表6。

表5 100 a一遇设计洪水水面线计算成果

表6 桥梁底部高程复核

5 结语

通过对浐河大桥洪水计算分析，说明具有代表性的浐河流域中，区域河流形成暴雨时，具有历时短、强度高、涨落迅猛的特点，带有沙洪水过程，采取不同的计算方法和合理性分析，推求出的水位流量关系拟合较好，表明选用参数基本合理，准确本项目洪水计算要求。

经分析计算，5号线浐河大桥处的100 a一遇的洪峰流量为1 128 m3/s，经复核浐河桥梁底高程按100 a一遇洪水计算应为421.15 m，根据5号线浐河大桥设计桥底部高程为431.734 m，梁底高程差值10.584 m,大桥桥梁最低高程满足河道防洪要求。符合防洪标准的要求，确保西安5号地铁线浐河大桥洪水无影响。为西安5号地铁线浐河大桥雍水、冲涮数据提供有力技术支撑。