某高速公路桥梁跨河道壅水及行洪能力计算

2023-08-29赵从容

河南水利与南水北调 2023年7期

赵从容

（驻马店市河道管理局，河南驻马店 463000）

1 基本概况

1.1 项目概况

该高速公路全长99 km，设计速度120 km/h，路基宽度27 m，双向四车道。其中，跨越黄河段，设计速度120 km/h，路基宽度34.50 m，双向六车道；黄河南岸至终点段，设计速度100 km/h，路基宽度26 m，双向四车道，荷载等级为公路-I级。该高速公路项目跨河7 座桥梁。文章对几个具有代表性的大桥进行壅水和行洪能力分析计算。

1.2 水文气象

1.2.1 气候特征

河道流域地处暖温带，属北温带大陆性季风型气候，四季分明，干湿季节明显，冬季寒冷雨雪少，春季干旱风多，夏季炎热雨量大，秋季晴和多凉爽，灾害性天气时有发生。全境日照年均为2 269 h，年平均气温为13.81 ℃，多年平均降雨量为553.50 mm，集中于6-9月份。

1.2.2 暴雨特征

该河流域的暴雨主要发生在6-9月，较大暴雨发生的时间多在7 月中旬至8 月下旬，暴雨中心主要集中在上游深山区。上游降雨特点一是历时短，强度大，中心明显，历时一般均小于24 h，特点是先弱后强，集中在最后两三个小时。其次是暴雨发生时间有比较固定的规律性，一般以7月、8月份出现机会较多。从该河“58·7”“76·8”“82·8”三次暴雨可以反映出较大暴雨均发生在这一时期。

1.2.3 洪水特征

流域内洪水由暴雨形成，其变化受暴雨和地形等因素影响，洪水的时空分布与暴雨一致，洪水具有陡涨陡落、峰型尖瘦的特点。洪水多发生在6-9月份，年最大洪峰一般出现在7月初至8月中旬，一次洪水过程历时一般为3 d，由于降雨年际变幅大，加上地形的特点，以致洪水的年际幅度较大。

2 壅水和行洪能力计算

2.1 行洪能力分析计算

跨越处河道行洪能力采用明渠均匀流公式进行核算，公式如下：

式（1）中：Q—流量（m3/s）；A—过水断面面积；C—谢才系数，C=R1/6/n；R—水力半径（m），R＝A/X；i—渠道纵比降；n—河床糙率；X—过水断面湿周（m）。

经复核，某河现状河道桥位处防洪标准可满足20 年一遇防洪标准，该河现状河道桥位处防洪标准可满足5年一遇排涝标准，原该河现状河道桥位处防洪标准可满足20 年一遇防洪标准，计算成果见表1。

表1 现状河道行洪能力计算成果表

2.2 阻水分析

根据《某高速公路项目初步设计》大桥1 有4 根桥墩位于河道内，其中2 根位于主槽内，2 根位于左右二级平台上，4 根桥墩占压过水断面，缩小河道过水断面面积，300 年一遇洪水漫溢，概化计算洪水从桥下河道断面过流，桥墩阻水进行阻水比分析计算。大桥2100 年一遇洪水漫溢，4 根桥墩位于河道内，占压过水断面，缩小河道过水断面面积，概化计算洪水从桥下断面过流，桥墩阻水进行阻水比分析计算。大桥3 根桥墩位于河道主槽内，100 年一遇洪水漫溢，有7 根桥墩位于过流断面中，缩小河道过水断面面积，从而在桥梁上游形成壅水区，概化计算洪水从桥下断面过流，需桥墩阻水进行阻水比分析计算。

桥墩在洪水行洪断面中阻水，在桥梁上游形成壅水区，壅水高度不仅决定桥梁高度，而且可能涉及两岸工程的高度和安全，需桥墩阻水进行阻水比分析计算。

2.3 阻水比计算

阻水面积百分比，就是设计水位条件下，工程阻水结构在垂直水流方向上投影面积与河道过水断面面积之比。即表示阻水面积与整个河道过水面积的比值，该指标主要直观反映混凝土桥墩对河道过流能力的影响，阻水比越大混凝土桥墩对河道过流能力影响越大，反之则影响越小。得出整个河道断面的阻流占比。经计算，大桥1，遇20 年一遇洪水时，主槽过水，桥墩阻水，阻水比7.04%；遇300年一遇洪水时，主槽过水，桥墩阻水，阻水比9.77%；大桥2，遇5 年一遇洪水时，主槽过水，桥墩阻水，阻水比6.86%；遇100 年一遇洪水时，主槽过水，桥墩阻水，阻水比7.75%；大桥3，遇20年一遇洪水时，主槽过水，一跨跨越主槽，主槽内无桥墩；遇100 年一遇洪水时，主槽滩地过水，桥墩阻水，阻水比2.53%。

2.4 最大壅水高度计算

壅水高度计算采用《公路工程水文勘测设计规范》桥前最大壅水高度计算公式，公式如下：

式（2）中：ΔZ—桥前最大壅水高度（m）；n—系数，桥墩的阻水面积和过水断面的比值小于10%时，ν取0.05；V—桥下平均流速，V=Q/W净；V0—桥前全断面平均流速，V0=Q/W。

2.5 回水影响长度

回水长度计算公式如下：

式（3）中：L—回水曲线全长（m）；ΔZ—桥前最大壅水高度（m）；I—水面坡降（采用河道纵比降）。

根据分析，大桥1以20年一遇防洪标准作为计算工况，壅水高度为4.50×10-2m，回水长度为161 m，300年一遇防洪标准作为计算工况，壅水高度为0.25 m，回水长度为884 m；大桥2以5年一遇防洪标准作为计算工况，壅水高度为7×10-3m，回水长度为88 m；100 年一遇防洪标准作为计算工况，壅水高度为7×10-3m，回水长度为87 m；大桥3 以20 年一遇防洪标准作为计算工况，壅水高度为0 m，回水长度为80 m，100 年一遇防洪标准作为计算工况，壅水高度为2×10-3m，回水长度为6.50 m。

2.6 临时建筑物壅水

大桥1修建时主槽内26#、27#、28#、29#桥墩施工时修筑施工围堰，堰顶高程108.24 m，施工期洪水施工围堰采用土石围堰。围堰占用河道底宽10 m，施工期洪水可从围堰外侧过流，河道水位107.24 m，施工期洪水流量为5 m3/s，由于施工期洪水流量较小，土石围堰不会对水流形成壅高。

大桥2修建时主槽内2#、3#桥墩施工时修筑施工围堰，堰顶高程109.47 m，施工期洪水施工围堰采用土石围堰。围堰占用河道底宽8 m，施工期洪水可从围堰外侧过流，河道水位108.47 m，施工期洪水流量为5 m3/s，由于施工期洪水流量较小，土石围堰不会对水流形成壅高。

2.7 相邻建筑物的影响

河道1上游260 m为国道G207公路桥，大桥120年一遇来水产生的壅水回水长度161 m，壅水高度为4.50×10-2m，回水长度距离G207公路桥约100 m，壅水高度较小，影响较小。大桥2上游160 m为农村生产桥，该河大桥产生的壅水回水长度88 m，壅水高度为7×10-3m，壅水高度较小，影响较小。

2.8 洪水位计算

桥梁处设计河底高程106.58 m，左右岸岸顶宽6 m，右岸堤顶高程为112.78 m，左岸堤顶高程为112.73 m，经计算，20年一遇洪水位为111.73 m。300年一遇洪水位为115.66 m。桥梁位处设计河底高程105.69 m，左岸顶高程为110.27 m，右岸顶高程为110.95 m。经计算，5 年一遇洪水位为水位119.99 m，100年一遇洪水位为110.81 m。干渠大桥跨越原该河位于贾营断面上游2 400 m，断面河道20年一遇设计洪峰流量为109 m3/s。经计算，桥位处20 年一遇洪水位为109.31 m，100 年一遇洪水位为109.94 m。