淺談橋梁設計中的水文計算

郭曉英

(張家口市城市快速路管理處)

1 設計流量的計算

1.1 有流量觀測資料時推算洪峰流量

橋位附近有水文觀測站,可利用水文站的觀測資料推算橋梁的設計流量。如能獲得足夠的年最大流量值(《橋位勘測規程》中要求實測年份多于 20a),就可以采用水文統計法推求設計流量。為了提高計算結果的精度,還應通過歷史洪水的調查和文獻考證,盡量搜集歷史洪水資料,以補充和延長實測流量的資料系列。

把年最大流量資料按大小遞減次序排列,計算各項流量的經驗頻率,并在海森機率格紙上繪出經驗頻率曲線。用適線法繪制理論頻率曲線(P-Ⅲ型),并選定 Q、CV、CS三個統計參數。用選定的三個參數,計算設計洪水頻率相應的流量—設計流量。最后,參照參數的地區經驗值,審查所選定的參數值,并應采用其他方法推算設計流量與之比較。

1.2 缺乏流量資料推算洪峰流量

(1)根據調查歷史洪水資料推算設計洪峰流量。

根據歷史洪水調查資料推算洪峰流量時,應按洪痕點分布及河段的水力特性等選用適當的方法。當調查河段無實測水文資料,一般可采用比降法。如斷面及河段條件不適于用比降法計算時,則可采用水面曲線法。當調查河段有實測水文資料,或有條件能較可靠地參照上、下游水文站實測資料建立調查河段水位流量關系時,則可采用水位流量關系曲線外延辦法推求洪峰流量。當調查河段具有較好的控制斷面如急灘、卡口、堰壩等時,則可用水力學公式計算,這樣可較少依賴糙率值,成果精度較高。由洪痕推算洪峰流量,采用不同的計算方法,會得出不同的結果,因此尚應進行分析比較后合理確定。

①若調查到若干個歷史洪水資料,并能確定它們的重現期,則可采用在海森機率格紙上點繪經驗頻率曲線,將曲線外延即可粗略讀出設計洪峰流量值。

式中:KP、KN為相應于 QP及 QN的模比系數。

式中:φp、φN為相當于 QP及 QN的離均系數。

對于同一條河流,CV、CS是其固有特性,可根據河流所在地區,經驗地選用。

因此,當設計頻率 P值確定后,可以確定一近似的 KP值,同樣當 QN已知時,根據其頻率可得到 KN,這樣用式(1)就可以推求到 QP。

③當調查到的歷史洪水只有一個時,只能利用地區經驗關系,或鄰近類似河流選定CV值,計算設計洪水。

(2)根據地區洪水經驗公式推算設計洪峰流量。

②洪水經驗公式:常見的形式為

式中:QP為設計頻率 P的洪峰流量;F為流域面積;C為地區經驗性參數;n為經驗指數。

③各統計參數的經驗公式如下

式中各符號意義同式(3)。

離差系數CV各省有相應公式。

偏差系數 CS,一般采用 CS/CV=2～4。有些地區 CS/CV超過 4,根據地區情況而定。

(3)水文比擬法。

水文比擬法是選擇一個水文特征因素極為相近的參證流域(或參證站),將它相似的某一水文特征直接移用到設計流域(或站),對于洪水,要求參證流域和設計流域屬于同一暴雨洪水分區,并且影響洪水的下墊面因素,如流域特性(流域大小,形狀,坡度,形成地下水的滲透性及能力,湖泊位置等)和河道特性(斷面大小及形狀,河道坡度和糙率、河道長度等)大體相同。這樣通過參證站的資料得到設計流域(站)的資料。

2 設計洪水位的推求

2.1 流量—水位(Q-H)關系曲線法

根據已有資料繪制設計斷面的Q-H曲線,從曲線上查得相應設計流量的水位即設計水位。并需利用上下游調查的歷史洪水位、坡度等對所推求的設計水位進行核對。

也可利用勘測的水文基線及水文站斷面的曲線,查出相應的水位,以設計洪水坡度(參考歷史洪水坡),利用比降法,推求設計斷面的設計洪水位。

2.2 水位相關法

當水文站離設計斷面很近,流域面積相差小于5%,且河道的水文條件又相差不大,設計斷面處有部分水位觀測資料時,則設計水位可利用設計斷面與水文站的水位相關曲線查得。即以設計流量作為水文站觀測流量,從水文站的 Q-H曲線中,查得相應水位,再以此水位從設計斷面與水文站的水位相關曲線查得設計斷面相應設計水位。該水位應以河床、水面比降等加以校核。若設計斷面與水文站的流域面積相差大于5%時,則用經驗公式或其他辦法調整設計斷面的設計水位。