有水庫控制的河流橋梁計算方法淺析

任淑加

(黑龍江省公路勘察設計院)

1 概述

呼蘭河大橋是綏化至北安高速公路綏化至通肯河段的一座重要大橋，在綏化市與望奎縣之間跨越呼蘭河干流。呼蘭河是松花江較大支流之一。橋位與上游的秦家水文站之間的河段上有呼蘭河的支流諾敏河(包括其支流克音河)匯入，所以，橋位以上的流域面積應為秦家水文站控制的流域面積與諾敏河全流域面積之和，即9 809+5 328 km2=15 137 km2。

在橋位下游約10 km處望奎縣衛星鎮附近的呼蘭河段上有一座建于20世紀90年代的綏望呼蘭河大橋。該橋跨徑組成為16×35 m，全長566 m。該橋設計洪水頻率為100年一遇，與本橋相同，其橋長可作為確定本橋長度的參考。

經水利部門調查，呼蘭河流域本橋位上游秦家水文站自1911年以來，先后發生過1911年、1914年、1985年、1945年、1962年及1961年洪水，洪水流量數據及重現期見表1。

表1 歷史洪水成果表

由表1可知，1911年是近百年以來第1位大洪水，其重現期95年一遇，非常接近100年一遇，所以，在確定本橋100年一遇洪水流量時，應大于1911年的流量才是合理的。

橋位附近河道情況。

橋位附近河道為平原區寬灘性河流，河灘地勢低洼，洪水汛濫寬度較大，大洪水時河灘流量約占60%以上。河槽平均寬50～80 m，最寬處達170 m，河床粒徑組成為細、中砂，平均粒徑約5 mm;岸邊及灘地為細砂、粉質亞粘土。總體上來看，無論主槽還是灘地，抗沖能力均較差。

2 設計流量計算

(1)計算依據。

依據《公路工程技術標準》的規定，本次設計路線為高速公路，大橋按100年一遇洪水頻率進行水文孔徑計算。

(2)設計流量推求的方法。

首先采用數理統計法對秦家水文站的流量系列進行流量—頻率分析，然后適線法求出該站100年一遇的流量。本次計算結果采用該站不連續的長系列計算結果，并經兩次適線求得該站100年一遇的流量Q=4 309 m3/s(詳見“秦家水文站不連續系列數理統計分析1911年～2004年經驗頻率計算成果及理論曲線計算成果表)。其中第二次適線后的經驗頻率與理論頻率曲線吻合程度較好，推求的100年一遇流量大于1911年的歷史洪水流量，因而是合理的(詳見頻率曲線圖)。

表2 理論頻率曲線及流量成果表(第一次適線)

P/% 1 2 5 10 20 50注5.55 4.56 3.29 2.37 1.51 0.56 Qp/(m3/s) 4309 3842 2772 1997 1273 472統計參數 Cr=1.14 Cs/Cr=2.5 Cs=2.85Q=842.5(m3/s)Kp采用值

(3)設計流量的計算與確定。

利用流域面積比擬法按下式將水文站100年一遇的流量轉換到橋位(或水文計算斷面)的相應設計流量。

式中:Q1、F1為橋位處設計流量和流域面積;Q2、F2為水文站處100年一遇的流量和流域面積;n為流域面積指數。

采用上式計算的100年一遇的流量作為本橋的設計流量，并以此作為推橋孔長度、設計流速、設計水位及其他所需資料的依據。

(4)設計水位和設計流速的推求。

根據橋位斷面或水文計算斷面上水位高度與流量之間的關系，利用水文計算軟件直接求出設計流速和設計水位。其中斷面上各級水位下的流量和流速按滿寧公式Q=VW(m3/s)及V=mh2/3i1/2分別求算，再根據采用的100年一遇的設計流量及求出相應的設計水位和設計流速如下

3 橋孔長度計算

(1)舊橋類比法。

本橋位下游約10 km處呼蘭河上有一座綏化至望奎公路舊橋，建于20世紀90年代，設計洪水頻率與本橋相同，均為100年一遇。該橋橋孔凈長為15×35 m=525 m，本橋不應小于此長度。

(2)公式計算法。

采用寬灘河段單寬流量公式

考慮到橋軸線與洪水流向有80°的交角，因此橋孔凈長應大于500 m。

3.1 橋前雍水高度控制法

按水利部門的防洪要求要求，本橋的橋前雍水高度應在0.35 m左右，此時橋孔凈長應為16×35 m=560 m。

3.2 橋孔長度的采用

綜合以上計算結果，參照舊橋長度并結合橋前雍水高度及河道水流方向，橋長采用16×35 m=560 m。