淘河大桥防洪影响评价水文分析计算

2023-07-31王光辉何文龙魏兆珍

山东水利 2023年5期

王光辉，何文龙，魏兆珍

（1.山东省水利科学研究院，山东济南 250014；2.山东黄河河务局山东黄河信息中心，山东济南 250014；3.山东交通学院，山东济南 250357）

跨河桥梁作为交通运输建设项目跨越河流的重要工程手段，在河道管理范围内的建设将导致行洪断面的压缩束窄以及洪水流态的改变，这不仅影响工程本身安全，而且可能损害河道管理范围内已建成的防洪工程体系，因此，为避免桥梁对河道防洪安全造成威胁，防止洪水对桥梁的安全运行产生不利影响，跨河桥梁的防洪影响评价是非常必要的。为确保河道管理范围的防洪安全、河势稳定以及跨河桥梁本身的运行安全，本文对青兰高速公路莱芜至泰安段改扩建工程跨越淘河大桥进行了系统、详细的水文计算与分析。

1 工程概况

淘河大桥为青兰高速公路莱芜至泰安段改扩建工程跨越淘河新建桥梁，该工程路线全长63.802km，所跨河流及水域主要有大汶河、淘河、惠河、崔庄河、明堂河、泮汶河、梳洗河等。淘河大桥在泰安市岱城区苏庄村西北190m处跨越淘河，桥梁跨径布置为5×30m（孔数×跨径），全桥共1联，桥梁全长156.0m，河道范围内梁底设计最低标高为143.91m。淘河为大汶河支流，河道总长度26km，流域总面积153km2。淘河为山丘区河流，枯水季节基本无水，但汛期遇到暴雨特别是流域内发生连续暴雨时，河道易出现洪水或较大洪水过程。

淘河大桥桥址处河道现有规划为《山东省泰安市岱岳区角峪镇淘河生态治理工程规划》，淘河规划防洪标准按20年一遇。淘河大桥跨河处河道中泓线桩号6+120，位于规划治理范围内。桥址处淘河规划河槽底宽93m，河槽底高程137.07m，边坡1∶3，河道纵向比降为30.6‰，堤顶高程140.12m。

2 水文分析计算

2.1 防洪标准

根据《山东省泰安市岱岳区角峪镇淘河生态治理工程规划》，淘河大桥跨越河段河道设计洪水标准为20年一遇。根据桥梁设计资料，淘河大桥桥梁设计洪水标准为100年一遇。

2.2 桥址处设计洪水的推求

淘河大桥桥址以上流域面积为143.2km2，桥址以上河道干流长度18.15km，干流平均比降0.00306。桥址处上游8.15km处有中型水库彩山水库，控制流域面积37.5km2，干流长度10km，干流坡度32‰。

根据桥址以上流域内的水利工程情况，将桥址以上流域划分为3个计算单元，即桥址以上总流域、彩山水库以上流域及彩山水库与桥址区间3个计算单元。淘河大桥桥址以上至彩山水库区间流域面积为105.7km2，彩山水库流域面积为37.5km2。

桥址处洪水由两部分组成，一部分为彩山水库—桥址区间105.7km2流域面积产生的洪水；另一部分为彩山水库下泄的洪水。以上两部分设计洪水错时段叠加即为桥址处设计洪水。

2.2.1 彩山水库—桥址区间设计洪水

根据淘河规划资料，彩山水库—桥址区间设计洪水计算采用直接面雨量法推算设计洪水。

1）设计暴雨计算。对于中小河流，设计雨期一般取24h即可满足设计要求，因此本次计算中设计雨期确定为24h。根据《山东省泰安市岱岳区角峪镇淘河生态治理工程规划》，彩山水库—桥址区间流域多年平均最大24h面雨量为100.2mm，Cv为0.50，查P-Ⅲ型曲线模比系数Kp表，得各设计频率的Kp值，相应设计频率面暴雨量为H24h。桥址断面20年一遇和100年一遇的流域最大24h暴雨设计面雨量见表1。

表1 彩山水库—桥址区间设计雨量成果表

2）设计净雨计算及时程分配。本文采用降雨径流相关法进行产流计算[1]，也就是设计净雨量的推算，彩山水库—桥址区间流域位于大汶河流域津浦铁路以东地区，山丘区采用降雨径流关系4号线，前期影响雨量Pa取40mm；平原区采用降雨径流关系13号线，前期影响雨量Pa取40mm。由H24+Pa分别求20年一遇不同时段的设计净雨量和100年一遇不同时段的设计净雨量。本文根据“泰沂山南区1h设计雨型”对流域内各单元设计净雨时程进行分配[2]。

3）汇流计算。彩山水库—桥址区间汇流计算采用山丘平原混合区瞬时单位线综合公式[3-5]，根据流域设计净雨和瞬时单位线进行汇流演算，从而推求彩山水库—桥址区间的设计洪水过程线，其中基流按每100km2加1.0m3/s进行计算。经计算，彩山水库—桥址区间20年一遇设计洪峰流量为667m3/s，100年一遇设计洪峰流量为969.3m3/s。

2.2.2 彩山水库下泄洪水

考虑到彩山水库的调蓄作用，首先计算彩山水库不同频率的泄水流量过程，然后将其与彩山水库—桥址区间设计洪水错时段叠加作为桥址处不同频率的设计洪水过程。

1）彩山水库入库洪水。根据设计洪水地区组成部分有关规定，上游彩山水库不同频率的相应设计洪水由桥址以上全流域不同频率的设计洪水扣除彩山水库—桥址区间流域不同频率的设计洪水计算求得。

为保证设计成果的一致性，采用实测暴雨资料法推求桥址以上全流域的20年一遇和100年一遇设计洪水，然后由上面公式分析计算彩山水库的相应频率设计洪水。

桥址以上全流域设计面雨量、设计净雨量计算同区间计算方法与彩山水库—桥址区间洪水推求相同。经计算，桥址以上全流域20年一遇和100年一遇设计洪峰流量分别为833m3/s和1218m3/s。

彩山水库不同频率的相应设计洪水可以由桥址以上全流域及彩山水库—桥址区间流域不同频率的设计洪水推求。经计算，彩山水库20年一遇和100年一遇设计洪峰流量分别为309m3/s和462m3/s。

2）调洪演算。根据《山东省岱岳区彩山水库除险加固工程初步设计报告》，彩山水库调洪演算起调水位为兴利水位，即179.40m。20年一遇设计标准洪水控制下泄流量为335m3/s。当彩山水库不同频率设计洪水入库后，由水库多年平均汛中水位175.45m开始蓄水，当水位蓄至兴利水位时，开闸泄洪，并按水库20年一遇安全泄量控泄；当水位超过20年一遇防洪高水位时，水库敞泄。经调算，彩山水库20年一遇和100年一遇洪水下泄洪峰流量分别为279m3/s和335m3/s。

2.3 桥址处设计洪水及设计成果选定

将彩山水库下泄洪水及彩山水库—桥址区间设计洪水错时段叠加，计算得到桥址处20年一遇和100年一遇设计洪峰流量分别为667m3/s和1159m3/s，详见表2。根据《山东省泰安市岱岳区角峪镇淘河生态治理工程规划》，桥址处20年一遇设计洪峰流量为667m3/s。由于桥址处20年一遇设计洪水有规划成果，本次水文计算结果与规划成果一致，但是由于100年一遇设计洪水没有规划成果，因此，桥址处20年一遇设计洪水采用规划成果，100年一遇的设计洪水采用本次计算成果。

表2 淘河大桥桥址以上设计洪峰流量成果选定表m3·s-1

2.4 桥址处设计洪水

桥址处设计洪水位根据谢才公式及曼宁公式计算，河槽糙率取0.03，河道纵坡比降0.00306。桥址洪水位成果见表3。

表3 淘河大桥桥址以上设计洪水成果表

3 壅水分析计算

淘河大桥建成后，由于受到布置在河道内桥墩的阻水影响，导致桥址处河道断面有效过水面积减小，水流形态发生变化，从而会造成桥梁上游水位的一定程度壅高。该桥在现状河道内布置了2排桥墩，在规划河道断面内布置了4排桥墩，每排6个桥墩。桥墩布置方向与水流方向夹角为0°，桥墩直径1.4m，根据《桥涵水文》中的壅水计算公式和方法进行壅水计算[6]，壅水计算结果见表4。