桥梁工程对水文测验河段影响分析

黄 攀，彭光辉

(湖北省随州市水文水资源勘测局，湖北 随州 441300)

1 概 述

1.1 分析背景及方法

近年来，随着经济社会的发展,涉水工程频繁建设。汉十高铁位于湖北中部至西北部。线路自汉孝城际铁路孝感东站引出西行，经孝感市、云梦县、安陆市、随州市、随县、枣阳市、襄阳市、谷城县、丹江口市至十堰市，线路全长399.005 km。

汉十铁路浪河特大桥跨越浪河，共设有49个桥墩。特大桥跨浪河桥段位于何店水文测验断面下游80 m(中泓线距离)。根据2011-05-23日，水利部颁布了第 43 号令——《水文监测环境和设施保护办法》和《水文监测环境和设施保护办法》第九条规定“在水文测站上下游各二十公里(平原河网区上下游各十公里)河道管理范围内，新建、改建、扩建下列工程影响水文监测的，建设单位应当采取相应措施，在征得对该水文测站有管理权限的流域管理机构或者水行政主管部门同意后方可建设”，工程包括：①水工程；②桥梁、码头和其他拦河、跨河、临河建筑物、构筑物，或者铺设跨河管道、电缆；③取水、排污等其他可能影响水文监测的工程。

为此收集汉十高铁浪河特大桥工程建设基本资料，主要包括工程规模、影响范围等；收集整理项目上下游河流基本状况等资料，主要包括工程所在地自然地理、气候特征、水文特征、区域泥沙状况等。通过分析计算桥梁工程建成后，各种暴雨频率下的桥址设计洪水、桥址设计洪水位、桥址雍水高、桥址雍水长度等，进一步论证桥梁工程建成后对何店水文站现有测验设施、测验环境、测验方案的影响。并根据影响程度，提出补救措施主要包括测验设施维护、测验方式方法变更等[1]。

1.2 流域及水文概况

浪河流域总集水面积417 km2，本项目以上299 km2，总河长47.8 km，本项目以上河长27.5 km。流域河道坡度为1.07‰，流域平均高程为124 m，流域弯曲系数为1.6，河网密度为0.4 km/km2。流域暴雨类型以锋面雨、气旋雨为主。流域多年平均降雨量977.6 mm，其中4～9月降雨量占全年的75.8%，6～8月降雨量占全年的46.5%，尤以梅雨期最为集中。工程以上流域内实测最大梅雨量为三里岗站2007年梅雨期雨量895.6 mm(6月19日～7月26日)，重现期150年一遇。浪河流域容易出现“短时局部强降雨”俗称“坨子雨”，类型多为对流雨，主要由流域地形造成。该流域地形呈南北高、中间低的盆地形状，受热气流更容易在垂直方向形成对流，从而引发暴雨。暴雨特点是雨区范围小、时间短、强度大。工程以上流域水系及水文站位置，见图1，汉十高铁桥梁工程平面图，见图2。

图1 随州市流域水系及汉十高铁线路示意图

何店水文站位于随州市曾都区何店镇浪河街上游，是浪河流域唯一水文站，控制集水面积299 km2。该站监测的项目有水位、流量、降水量。主要设施有水文站房、水文缆道、水尺、降水量和水位遥测终端等。该站主要功能是为防洪、水资源管理及收集水文资料。水文信息实时向国家防汛总指挥部、省防汛指挥部、省水文水资源局、随州市防汛办、孝感市防汛办、安陆解放山电站报送。

2 桥梁工程水文分析计算

工程所在流域有何店水文站，但资料系列不足。故本次设计洪水计算采用暴雨途径推求，设计暴雨参数采用湖北省水文水资源局编制的2008年版《湖北省暴雨统计参数等值线图》(以下简称《等值线图集》)及邻近随州(二)、环潭等水文站，随州、解家河、洛阳店、黑屋湾、环潭等雨量站实测资料分析，结合《湖北省暴雨径流查算图表》(以下简称《查算图表》)计算设计洪水。所采用水文站点均为国家基本站，实测水文资料系列较长、具有较好的代表性和一致性，经审查、复审、汇编、流域验收等程序，资料可靠性较好。

图2 汉十高铁浪河特大桥桥梁工程平面图

2.1 水文分析计算

1)设计点雨量。据《等值线图集》及对洛阳店、随州等雨量站暴雨资料分析，设计点暴雨成果见表1。

考虑到《等值线图集》进行了地区综合，成果符合地区规律且偏于安全，本阶段设计暴雨采用《等值线图集》成果。

2)设计面暴雨量。受资料条件限制，桥址以上流域面雨量采用点面查算图表系数法计算。桥址流域面积不大，该区位于水文分区第六区，点面系数可直接由《查算图表》查得，各桥址点面系数、设计面雨量见表2。

表1 设计点暴雨设计基本参数表

表2 各桥址设计暴雨点面系数及面雨量成果表

3)区间设计洪峰流量。根据湖北省水科所的改进公式：

流域参数选取，按照随州市1∶5万的地形图，勾绘流域分水线，量算浪河流域面积F=299 km2、主河道长度L=47.8 km、计算主河道平均比降J=0.001 07。

将上述参数带入水科所改进公式，求得桥址设计洪水成果计算见表3。

表3 桥址设计洪水成果表

2.2 桥址设计洪水位推求

桥址设计洪水位采用实测纵横断面资料，据工程河段河床组成特性，依据《湖北省水文手册》上列出的糙率表选取糙率[2]，比降参照邻近水文站或依据1∶5万地形图量取局部河道坡降，由曼宁公式推得[3]，计算各桥址断面的水位流量关系，由设计洪峰流量推求桥址设计洪水位。汉十高铁浪河特大桥桥址横断面见图3。

图3 汉十高铁浪河特大桥桥址横断面图

根据横断面资料和计算的水位流量关系，桥址断面设计洪水位成果见表4。

表4 桥址断面设计洪水成果表

2.3 行洪影响计算

计算桥梁工程建成后对断面行洪的阻水面积，22、23号桥墩位于主河槽内，16～21号桥墩位于边滩、24号桥墩位于左岸边坡上。高水漫滩，有部分桥墩阻水。漫滩水位63.05 m时，22、23号桥墩，阻水面积为51.5 m2，相对减少为12.9%。50年一遇水位65.27 m，阻水面积为144 m2，相对减少为19.2%。百年一遇水位65.58 m，阻水面积为156 m2，行洪面积相对减少为18.8%。计算建桥前后过水面积及平均流速见表5。

表5 建桥前后过水面积及平均流速对照表

2.4 雍水分析计算

1)天然河道桥梁建桥后壅水推求采用《公路桥工程水文勘测设计规范》推荐的建桥水位壅高经验公式[4]，计算出各设计洪水桥址最大壅高及影响长度。最大壅高计算公式为

ΔZm=η(Vm2-V02)

式中：η为河滩过水能力系数；V0为河道断面平均流速，m/s，为设计流量被全河过水断面积(包括边滩和河滩)除得之商；Vm为桥下平均流速，m/s。

Vm=Qs/wj(按《桥涵水文》大卵石河床组成推荐的经验公式)

式中：Qs为设计流量；wj为建桥后净过水面积。

2)壅水曲线全长计算采用根据《公路桥工程水文勘测设计规范》推荐的公式[4]。

L=2ΔZ/i

式中：L为壅水曲线全长；ΔZ为桥前最大壅水高度；i为水面比降‰。

按照上述方法计算，桥址设计洪水最大壅高及最大雍水长度计算成果见表6。

表6 桥址设计洪水最大壅高及最高雍水长度计算成果表

3 水文监测影响分析

高铁桥梁工程的兴建对何店水文站水文测验断面的水位、流速产生明显影响，从而造成对该站水文测验设施、测验环境和测验方案产生影响[1]。

3.1 对现有测验设施的影响分析

工程位于何店水文站测验保护区内，水文测验断面距工程约80 m。水文站主要测验设施有岸上断面标志、基本水尺、水位自记设备、缆道以及站房等。通过分析计算可知，工程的修建对上下游一定范围内的水位、流速产生明显的影响，水文测验断面附近由于受到水位壅高影响，流速减缓，通过桥址设计洪水最大壅高及最高雍水长度计算成果表(见表6)，在P=1%的情况下雍水影响长度超过250 m已经涵盖何店水文站的基本水尺断面、测流断面等，将会引起局部河段冲淤性质发生变化，冲淤发生变化可能对水文站涉水设施产生影响。总体上对于水位自记、站房及缆道观测等水文测验设施影响较大。

3.2 对工作环境的影响分析

桥梁工程距离水文测验断面距离较近，以上计算结果表明桥梁工程的修建对水文测验断面的水位及流速产生明显影响，桥梁工程对工作环境的影响主要表现在水位、流量等工作环境方面的影响。桥梁工程修建后，何店水文站水文监测断面水位及流速产生明显影响，在100年一遇的洪水条件下影响最大，测验断面水位最大壅高3 cm。

由于水文测验断面附近水位、流速在桥梁工程施工期及修建后运行期发生调整，对水位、流速观测的工作环境产生一定影响。一方面，水文观测断面水位壅高、流速减小将引起局部冲淤发生变化，观测断面附近水尺及道路可能发生淤积，水位自记探头附近发生淤积影响水位自记，从而影响水位观测工作环境；另一方面，水位变化、断面流速分布的调整需要调整工作方案。

3.3 对测验方案的影响分析

根据计算结果，工程在施工期及修建后运行期对何店水文站水位有明显影响。由于断面流速和含沙量分布的改变，势必会引起河床冲淤局部的调整，在经过一定时期后达到新的相对平衡。考虑到水文站水位自记探头附近的水域可能受工程附近河段河床的冲淤调整而产生相应的变化，影响浮子水位计从而影响水位观测精度。

3.4 对流量测验方案的影响分析

根据分析结果，工程的修建对该站测验断面处的水位具有明显影响，由于何店水文站目前流量关系呈单一曲线，因此上下游落差的改变势必引起水位流量关系的改变，需要经过上下游落差的比降观测，分析水位流量关系受到的影响程度[5]。

计算结果显示，工程修建后，对该站测验断面流速大小影响明显，需要对原有流速测验垂线布置方案进行比测分析，确定原有的测速垂线是否能够真实反映和代表水文测验断面的流速分布，是否需要进行测速垂线调整。

由于断面流速和含沙量分布的改变，势必会引起河床冲淤局部的调整，在经过一定时期后达到新的相对平衡。局部河床冲淤发生变化对水文测验断面附近的流向产生影响，需要增加流向观测次数和局部地形测量，对比分析水文测验断面附近地形变化和流向变化，为断面流量测验方案的调整提供基本资料。

综上所述，工程施工期及运行期，测流断面水位、流速的变化，可能会导致该站的水位～流量关系、测速垂线布置和流向出现变化，进而对改站流量测验方案造成影响，需要进行比对观测分析研究流量测验方案。

4 水文监测补救措施分析

根据上述分析，工程修建后引起水文站测验断面水位、水流流速及流态发生变化，对何店水文站水位观测、流量及泥沙测验会造成影响，需在工程建设期的2～3年内开展水文项目比对观测，掌握建设过程中水文要素的变化趋势；还需在工程运行初期的3年内继续开展对比观测，掌握工程建成运行后各水文要素的变化规律，重新分析拟定流量、输沙率测验方案。

1)水位监测补救观测。工程在施工期和运行期均对水文测验断面水文产生明显的影响，水位的壅高不仅会对水位观测系列产生明显影响，而且可能会改变上下游落差水尺的比降，造成水位资料工程前后一致性发生变化，并且在水尺断面有可能会发生淤积变化，进而对水位观测基本设施设备造成破坏，影响水位的正常观测。

2)流量项目补救观测。目前，何店水文站流量测验一般采用5～10线一点法，流量测次按水位校正流量单一线法布点。由于工程的建设，有可能会引起水文站测验断面流速分布变化及水位流量关系变化，需要采用连时序法布点，采用多线多点法，为流量测验方案分析提供资料。根据各站每年多线多点法测验的流量资料分析各测点流速、垂线流速的代表性，达到精简垂线测点流速，减少测速垂线的目的；分析流量多线多点法与现有测验方案的误差；根据5年的实测资料分析流量测验方案；分析实测水位流量关系与目前单值化关系的差别，判定目前单值化关系的适应性，编制流量精简分析报告及水位流量关系分析报告。

5 结 语

大桥工程位于何店水文站测验保护区内，拟建大桥工程跨越浪河上游80 m有何店水文站，何店水文站主要测验设施有岸上断面标志、基本水尺、水文缆道、水位和雨量传输设备以及水文站房等。

1)工程距离水文站较近，从计算结果来看，工程的修建引起水文站测验断面附近水位壅高、流速变小，造成测验断面附近河道冲淤性质发生变化，从而造成对水文站自记水位、水尺及观测道路等测验设施产生影响，对水位、流速、等水文观测的工作环境产生影响。

2)工程的兴建引起何店站测验断面附近水位壅高，改变了该站水位变化规律，对水位观测系列产生影响，对水文测验断面附近水面比降产生影响，需要通过对比观测分析进行测验方案调整。

3)工程的修建引起水文测验断面流速值、流态等发生一定变化，将造成测验河段冲淤发生变化，需要增加水文测验断面附近局部地形测量，通过分析对比，以此来验证工程对测验河段冲淤变化的影响。

4)工程施工期及运行期，对水文测验断面流速、流向横向分布以及水位～流量关系等影响均将产生明显影响，对何店站流量测验方案会造成明显影响。有关对何店站测验河段流速具体影响，需要进行比对观测，视具体变化情况，重新制定科学的测验方案。

综上所述，汉十高铁浪河特大桥工程在何店水文站基本水尺断面下游80 m建设，将直接影响本站水位、流量、流速和河道形态发生变化，改变水流固有规律，如果不采取补救措施，将使得何店水文站部分功能丧失，无法满足防汛和水资源管理以及科学研究的要求，因此必须增加人力、物力最大限度消除或降低损失。