且末公路车尔臣河1号大桥洪水分析

王正勇

(新疆巴音郭楞水文勘测局，新疆 巴州 841000)

0 引言

新疆巴州尉犁至且末公路全长度333.186 km，其中车尔臣河1号大桥位于且末县塔提让乡阿亚克塔提让村以东2 km，且末水文站下游52 km处。车尔臣河1号大桥桥梁起点桩号k331+716.5，中心桩号k331+810，终点桩号k331+903.5，桥长187 m，采用Ⅱ级公路标准，荷载等级为Ⅰ级公路，设计防洪标准为100 a一遇，洪水校核标准300 a一遇。根据工程建设需求，需对桥梁处的洪水进行分析。

1 历史洪水分析

发源于昆仑山北坡的木孜塔格峰的车尔臣河，全长813 km，流域面积26822 km2。流域属暖温带极端干旱大陆性荒漠气候，光照充足，热量丰沛，多年平均降水量24.4 mm，年蒸发能力为2500 mm。查阅《车尔臣河流域规划报告》，2001年11月2日～4日，新疆巴州水文勘测局曾对车尔臣河洪水进行过调查，洪水调查断面位置在第一分水枢纽巴什克其克断面下游0.75 km处，根据调查情况反映，1999年、2000年巴什克其克断面年最大洪峰流量分别为820 m3/s、595 m3/s。另外，2006年12月，巴州水文勘测局对车尔臣河2005年发生的洪水进行调查，洪水调查位置与2001年11月调查洪水的位置相同，根据调查情况，2005年巴什克其克断面年最大洪峰流量为622 m3/s。

2 洪水特性分析

车尔臣河洪水类型为三种。由于其成因及其发生时间不同，各自具有不同类型特征，现以车尔臣河且末水文站实测洪水流量资料分析说明各类洪水的主要特征。

(1)融雪型洪水：洪水发生时间相对集中，一般出现在3月～4月。洪水过程历时长，峰并不高，而量则较大。

(2)暴雨型洪水：发生时间较融雪型洪水晚，多出现在7月～8月。洪水过程单一，洪峰过程陡涨陡落，总历时较融水型洪水短，但通常情况下洪峰流量较融雪型洪水大。

(3)降雨、融雪混合型洪水：兼备前述两类洪水的大部分特征。在每年5月～8月都有可能发生。该种洪水由于峰高量大，且持续时间长，对水利工程、河堤等造成的危害较大。

(4)洪水发生时间：根据收集到的车尔臣河且末水文站各年(1958年～1989年、1999年、2001年～2005年、2011年～2013年)实测各月最大(合成)流量，绘制且末水文站历年各月最大流量分布图，见图1。

图1 车尔臣河且末水文站历年各月最大(合成)流量分布图

由图1可以看出，车尔臣河历年年最大洪峰流量主要出现在4月～8月，其中7月～8月为主汛期，4月～6月为前汛期，9月～次年3月为比较稳定的平水期、枯水期。根据本阶段收集到的资料，在且末水文站(合成)43场年最大洪水中，7月发生年最大洪水的比例最高，为32.56%；其次为6月和8月，均为25.58%。

3 设计洪水分析

3.1 且末水文站设计洪水

且末水文站控制了车尔臣河全部山区的集水面积。水文站以上流域集水面积为26822 km2，海拔高程为1240 m。该站是车尔臣河上唯一的国家基本水文站，分设有两个基本断面，即车尔臣河河道断面和且末大渠断面。自建站以来，水文部门一直是将两断面的合成流量值作为且末站的流量资料。两断面有1958年～2016年的同步水文观测资料，资料观测年限长，成果可靠性强。按照《水利水电工程设计洪水计算规范》(SL 44-2006)推荐的方法，以年最大值法选样，使用矩法计算统计参数，采用皮尔逊-Ⅲ型曲线进行适线，求得且末水文站设计洪水成果(表1)及洪峰流量频率曲线(图2)。

表1 且末水文站设计洪水成果分析

图2 且末水文站最大洪水频率曲线图

3.2 大石门水库设计洪水

由于大石门水库电站是筑坝拦水发电，会对设计洪水造成一定影响。大石门水利枢纽工程位于新疆巴州且末县境内的车尔臣河干流上，坝址位于车尔臣河出山口与支流托其里萨依交汇口下游约300 m处，坝址以上流域面积达24692 km2。通过查阅《新疆车尔臣河大石门水利枢纽工程项目建议书报告》可知：大石门水利枢纽设计洪水标准为100 a一遇。在设计洪水来临时，表孔加底孔共同泄洪，最大下泄流量为1256 m3/s。

3.3 拟建车尔臣河1号大桥设计洪水分析

车尔臣河1号大桥上游有大石门水库、第一分水枢纽、且末水文站、第二分水枢纽和第三分水枢纽等水利工程。大石门水库下距且末水文站83 km，下距第一分水枢纽33 km。且末水文站下距拟建车尔臣河1号大桥工程53.6 km，是距离桥位断面最近的水文站，中间无支流汇入，区间不产流且存在沿程洪峰削减。根据《车尔臣河流域规划》，且末水文站到水文站上游的各节点损失率按照式(1)计算。末水文站到下游节点的损失率按照式(2)计算，相关参数取值及计算结果见表2。

表2 各节点至且末水文站利用历史洪水调查值计算的每公里洪水损失率

S损=[(Q调-Q且)/Q调]/L1

(1)

S损=[(Q且-Q调)/Q且]/L1

(2)

式中：S损为且末水文站至计算节点损失率；Q调为计算节点调查洪峰流量；Q且为且末水文站相应年份洪峰流量；L1为计算节点至且末水文站距离。

由表2可得，在调查年份，大石门水库和且末水文站在调查年份洪峰流量较大，特别是1999年接近100 a一遇设计洪峰流量，因此利用该损失率来推求桥位断面的设计洪水成果合理。根据以上分析可确定各节点至且末水文站的损失率采用几次同期洪水计算的洪水损失率的算术平均值，即大石门水库至第一分水枢纽每公里损失率为0.58%，第一分水枢纽至水文站每公里损失率为0.64%，水文站至第二分水枢纽每公里损失率为0.46%，水文站至塔提让每公里损失率为0.48%。划分新老河道的第三分水枢纽处于第二分水枢纽与塔提让大桥之间，距第二分水枢纽11.5 km，距塔提让大桥18.1 km。第三分水枢纽与水文站之间每公里损失率按照0.46%计算；拟建车尔臣河1号大桥距第三分水枢纽20.1 km，1号大桥与分水枢纽之间每公里损失率按照0.48%计算。且末水文站到水文站上游的各节点设计洪水按照式(3)、水文站下游的节点的设计洪水按照式(4)计算。

Q节=Q且/(1-S损×L2)

(3)

Q节=Q且×(1-S损×L2)

(4)

式中：Q节为计算节点设计洪水；S损为且末水文站至计算节点损失率；Q且为且末水文站设计年最大洪峰流量；L2为计算节点至且末水文站距离。

经计算采用大石门水库～第一分水枢纽～且末水文站河段洪水损失率计算得到且末水文站处的100 a一遇设计洪水为597 m3/s。与实测资料推出的且末水文站100 a一遇设计洪水相差很小。考虑到计算结果的合理性和严密性仍然采用实测资料推求的设计洪水，即且末水文站发生100 a一遇设计洪水时最大洪峰流量为589 m3/s。

根据车尔臣河各个时期的卫星影像图可知，在2011年以前，在车尔臣河第三分水闸之后，河水主要流经老河道，新河道水量少；2011年以后河水主要流经新河道，老河道流量少。基于工程偏安全考虑，利用洪水沿程损失率计算桥位断面设计洪峰流量时，起算设计洪水均按照且末水文站的设计洪水。根据且末水文站设计洪水，采用且末水文站～第三分水枢纽～桥位断面河段洪水损失率计算桥位断面的设计洪水，计算结果为：车尔臣河1号大桥100 a一遇设计洪峰流量为443 m3/s，300 a一遇校核洪峰流量为522 m3/s。项目直接采用大石门水库100 a一遇的设计下泄流量1250 m3/s，未考虑沿程消减，对该断面的计算精度较低，计算值偏大。

4 设计洪水位推求

4.1 计算方法

在工程断面处，用设计洪峰流量推求相应设计水位时，应首先对断面处的水位流量关系进行推求，在计算断面缺少可靠的水位流量关系时，可采用水力学公式(如曼宁公式)间接推求设计流量下相应水位。本次评价采用曼宁公式法推求设计流量下相应水位。水力学谢才公式和曼宁公式如下：

(5)

(6)

(7)

式中：v为断面平均流速，1.51 m/s；C为谢才系数，m0.5/s；R为断面水力半径，1.21 m；i为河段水面比降，1.44；Q为断面过流流量，m3/s；A为断面过流面积，49 m2；n为糙率，0.029。

经计算，车尔臣河拟建1号桥断面过流流量74.0 m3/s。在已知过流断面、河槽粗糙系数、河床比降、设计流量的条件下计算相应设计流量下的水位。由水位、断面形状即可确定相应流量下的断面平均流速等水力学要素，然后依据曼宁公式推求各级水位下的相应流量，建立计算断面处的水位～流量关系曲线，最终根据设计流量确定相应水位。

为使参数的取值更具合理性，本次防洪评价对水面比降、桥位断面处的河道流量，桥址断面等资料都进行了现场实测。经整理计算，实测断面形状见图3。

图3 拟建车尔臣河1号大桥实测断面及测时水位

4.2 设计水位计算结果

已知车尔臣河河段综合糙率、河段比降、断面形状，根据曼宁公式及谢才公式推求工程断面水位流量关系。拟建车尔臣河1号大桥桥位断面水位流量关系计算结果见表3，水位流量关系曲线见图4。

表3 拟建车尔臣河1号大桥断面水位流量关系

图4 拟建车尔臣河1号大桥断面水位流量关系

通过以上分析计算和查图得，拟建车尔臣河1号大桥100 a一遇的设计流量为443 m3/s，相应水位1131.86 m；300 a一遇的设计流量为528 m3/s，相应水位1132 m。

5 结语

车尔臣河1号大桥上游有大石门水库、第一分水枢纽、第二分水枢纽以及塔提让大桥等水利设施，增加了大桥断面处的洪水计算难度。通过分析洪水特性，以且末水文站为参证站，计算洪水损失率和合成流量，最终计算出车尔臣河1号大桥100 a一遇的设计流量为443 m3/s，相应水位1131.86 m；300 a一遇的设计流量为528 m3/s，相应水位1132 m，可为工程建设提供技术参考。