倒灌河段桥梁水文分析与计算

冯英杰张泽洲

（1.西北民族大学土木工程学院 甘肃兰州 730124 2.兰州有色金属设计研究院 甘肃兰州 730000）

倒灌河段桥梁水文分析与计算

冯英杰1张泽洲2

（1.西北民族大学土木工程学院 甘肃兰州 730124 2.兰州有色金属设计研究院 甘肃兰州 730000）

桥梁跨越支流，距支流与大河交汇处较近，大河上游建有水库。通过对河流交汇处的水文分析，确定了桥梁设计洪水位。计算时既考虑了水库对大河洪水的滞洪影响又考虑了大河倒灌对支流的回水影响，推算出合理的桥面设计标高。

设计洪水位 倒灌 水库 设计标高

1 前言

刘家沟桥位于刘家沟支流上，距甘肃礼县城区燕子河与刘家沟河交汇口仅15m。燕子河系西汉水的一级支流，是礼县境内西汉水上第四大支流。刘家沟河水主要来源于大气降水，其中以雨水补给为主，雪水补给为辅，在桥位处汇入燕子河，见图1。因此，设计时既要考虑刘家沟河的设计洪水流量，又要考虑燕子河水涨引起倒灌对刘家河水位的影响。

图1 刘家沟桥位置示意图

2 燕子河设计洪水流量计算

2.1 天然洪水分析

燕子河位于礼县西北部，发源于岷县东南双燕山，自西北向东南流入礼县境内。流域面积764.Km2，流域海拔2875～1400m，平均比降1.9%。礼县境内流域面积542Km2，海拔2060～1400m，比降1.23%。上游属中切割石质山区，植被较好，降雨量较多，径流系数大。

燕子河上游罗坝乡苗家村峡口处1976年修建了苗河水库，对燕子河洪水有一定的滞洪作用，所以计算桥址处燕子河设计洪水必须考虑苗河水库的影响。

2.2 设计洪水分析10

桥址处设计洪水组成可以有以下三种情况：

（1）上、下同频，区间相应。即苗河水库发生设计频率洪水遭遇了苗河水库～桥址处区间相应的洪水后组成桥址处燕子河设计频率的洪水。

（2）区、下同频，上游相应。即苗河水库～桥址处区间发生设计频率洪水遭遇了苗河水库相应洪水后组成桥址处燕子河设计频率的洪水。

（3）其他比例组成，下游同频。即苗河水库～桥址处发生较大洪水，但都没有达到设计频率，二者遭遇后在下游桥址处达到设计频率洪水。

对比以上三种情况，第二种对桥梁影响为最不利，因此，选择第二种情况进行计算。

2.3 设计洪水计算

桥址处的集水面积F=11.4km2,苗河水库集水面积F=421km2，苗河水库～桥址处区间集水面积F=409.6km2。

通过两种方法计算燕子河桥址处设计洪水：

（1）根据《甘肃省暴雨洪水图集》提供的地区综合经验公式计算：F=764.7km2，计算得P=1%，Q=1106.4m3/s。

（2）苗河水库集水面积F=421km2，2000年安全鉴定复核成果P=1%，Q=790m3/s，以面积指数公式计算，指数n=0.67,计算得桥址处设计频率洪峰流量P=1%，Q=1178.4m3/s。

以上两种方法计算结果差别不大，考虑到苗河水库1980年加固工程设计与2000年安全鉴定采用了多种方法计算复核，成果都很接近，经分析本次设计采用第二种方法计算结果，天然情况下P=1%，Q=1178.4m3/s。

表1 苗河水库设计洪水计算成果

由面积指数n=0.67，计算得苗河水库～桥址处区间（F区=409.6km2）设计洪水Q1%=775.6m3/s，与此相应的苗河水库洪水为QM1=402.8 m3/s。经过调洪计算，苗河水库的下泄洪量为：QM2=1022.0 m3/s。

3 刘家沟设计流量计算

刘家沟宽约13～25m，沟两岸基本为企事业单位和村庄。沟道狭窄，纵坡较大，在洪峰期产生泥石流，河床淤积很快，经常堵塞，并在沟口已形成洪积堆、扇型的堆积区，对桥梁低级物质及总体布置有一定影响。鉴于上述泥石流的影响，礼县县政府加大泥石流的防护措施，在刘家沟上游山坡植树造林，在上游沟口修建拦河坝，把泥石流拦于山脚下，基本消除了泥石流的影响，设计时未考虑其影响。

3.1 径流形成法

径流形成法适用于汇水面积小于30km2的河沟，计算公式为：

式中：

QP—频率为P的洪峰流量，m3／s；

h—径流深度，mm；

z—被植被或洼地滞留的径流深度，mm；

F—流域面积，km2；

β—洪水传播影响洪峰流量的折减系数；

γ—流域内降水不均匀影响洪峰流量的折减系数；

ψ0—地貌系数。

δ—湖泊或小水库调节作用影响洪峰流量的折减系数。

根据《公路涵洞设计细则》确定各参数如表2。

表2 径流形成法各参数

代入公式经计算的设计频率洪水流量：

3.2 经验公式法

式中：PQ—频率为P的洪峰流量，m3／s；

F—流域面积，km2；

C、n—随地区及频率而变化的参数和指数，山地，当P=1%时C=22.0,n=0.621mm；

经计算得QP=155.75m3/s。

两种计算结果相近，考虑到洪水对桥梁影响的最不利情况取QP=155.75m3/s。

4 确定桥梁设计洪水位

4.1 设计洪水位分析

跨越支流的桥梁，当受大河倒灌影响时，根据大河和支流洪峰出现时间的不同，可以有三种不同情况：

（1）大河无倒灌，支流出现设计流量。

（2）支流为常水位时，大河出现设计洪水，向支流倒灌。

（3）大河倒灌后开始退水，支流发生设计洪水。

显然第三种情况为最不利情况，根据调查和观测资料证实，燕子河和刘家沟河同时出现洪峰的可能性很大，因此按第三种情况确定设计洪水位。

4.2 设计洪水位计算

考虑到刘家沟桥布设不应改动既有防堤，桥址处已有高边坡浆砌片石护堤，临水面边坡1：0.3，背水坡1：1.25。

实测刘家沟河桥址处河床标高1409.764m，河床比降Ic=0.025，稳定河宽25m，河床糙率n=0.04。由天然状态下Q1%=155.75m3/s，平均水深h=1.29，经计算天然状态下百年一遇设计洪水位H1%=1411.054m。

桥址距刘家沟河汇入燕子河汇合口15m，燕子河在刘家沟段Q1%=1022.0m3/s，护堤临水面边坡1：0.3，背水坡1：0.5，稳定河宽90m，河床比降Ic=0.012，河床糙率n=0.04计算得，H1%=1412.004m。河流交汇口处流量在155.75m3/s时H=1410.524m。

根据铁道部第三勘察设计院编著的《桥渡水文》，确定梁底和路肩标高采用受大河倒灌影响的回水水位，支流河口交汇处壅水高度

桥址处受到大河倒灌影响的回水水位为：H=1411.054+1.148=1412.202m。

5 桥梁纵断面设计

5.1 桥梁总跨径确定

刘家沟桥以上左右岸0+000-0+783及桥以下右岸0+783-1+252有浆砌片石护岸，且在桩号0+260-0+360段已有的高边坡护堤，刘家沟现有的防洪堤高度已能满足防洪设计要求，因此，考虑到刘家沟桥布设不应改动既有防堤，设计为2 ×20m预应力空心板简支梁桥。

5.2 桥面标高确定

由于该桥位河段为不通航河流，且不考虑流冰，故只需计算设计水位控制的桥面最低高程。梁高取1.25m。

按设计水位计算桥面最低高程：

Hmin=1412.206+1.25+0.5=1413.956m

6 结语

受线路影响，桥位跨越支流，处于河流交汇口。支流和主河道均已修建防洪堤，主河道上游建有水库，在不改变既有防洪设施的条件下对桥位处水文情况进行分析计算，计算过程中采用简单计算、经验公式等多种方法相互校核，得出相对准确的计算结果，最后对桥梁的纵断面进行了设计。与实际情况符合较好。

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10.3969/j.issn.1672-2469.2014.08.010

U442.3

A

1672-2469（2014）08-0028-03

10作者简介：冯英杰(1978年—)，女，讲师。