且末公路車爾臣河1號大橋洪水分析

王正勇

(新疆巴音郭楞水文勘測局，新疆 巴州 841000)

0 引言

新疆巴州尉犁至且末公路全長度333.186 km，其中車爾臣河1號大橋位于且末縣塔提讓鄉阿亞克塔提讓村以東2 km，且末水文站下游52 km處。車爾臣河1號大橋橋梁起點樁號k331+716.5，中心樁號k331+810，終點樁號k331+903.5，橋長187 m，采用Ⅱ級公路標準，荷載等級為Ⅰ級公路，設計防洪標準為100 a一遇，洪水校核標準300 a一遇。根據工程建設需求，需對橋梁處的洪水進行分析。

1 歷史洪水分析

發源于昆侖山北坡的木孜塔格峰的車爾臣河，全長813 km，流域面積26822 km2。流域屬暖溫帶極端干旱大陸性荒漠氣候，光照充足，熱量豐沛，多年平均降水量24.4 mm，年蒸發能力為2500 mm。查閱《車爾臣河流域規劃報告》，2001年11月2日～4日，新疆巴州水文勘測局曾對車爾臣河洪水進行過調查，洪水調查斷面位置在第一分水樞紐巴什克其克斷面下游0.75 km處，根據調查情況反映，1999年、2000年巴什克其克斷面年最大洪峰流量分別為820 m3/s、595 m3/s。另外，2006年12月，巴州水文勘測局對車爾臣河2005年發生的洪水進行調查，洪水調查位置與2001年11月調查洪水的位置相同，根據調查情況，2005年巴什克其克斷面年最大洪峰流量為622 m3/s。

2 洪水特性分析

車爾臣河洪水類型為三種。由于其成因及其發生時間不同，各自具有不同類型特征，現以車爾臣河且末水文站實測洪水流量資料分析說明各類洪水的主要特征。

(1)融雪型洪水：洪水發生時間相對集中，一般出現在3月～4月。洪水過程歷時長，峰并不高，而量則較大。

(2)暴雨型洪水：發生時間較融雪型洪水晚，多出現在7月～8月。洪水過程單一，洪峰過程陡漲陡落，總歷時較融水型洪水短，但通常情況下洪峰流量較融雪型洪水大。

(3)降雨、融雪混合型洪水：兼備前述兩類洪水的大部分特征。在每年5月～8月都有可能發生。該種洪水由于峰高量大，且持續時間長，對水利工程、河堤等造成的危害較大。

(4)洪水發生時間：根據收集到的車爾臣河且末水文站各年(1958年～1989年、1999年、2001年～2005年、2011年～2013年)實測各月最大(合成)流量，繪制且末水文站歷年各月最大流量分布圖，見圖1。

圖1 車爾臣河且末水文站歷年各月最大(合成)流量分布圖

由圖1可以看出，車爾臣河歷年年最大洪峰流量主要出現在4月～8月，其中7月～8月為主汛期，4月～6月為前汛期，9月～次年3月為比較穩定的平水期、枯水期。根據本階段收集到的資料，在且末水文站(合成)43場年最大洪水中，7月發生年最大洪水的比例最高，為32.56%；其次為6月和8月，均為25.58%。

3 設計洪水分析

3.1 且末水文站設計洪水

且末水文站控制了車爾臣河全部山區的集水面積。水文站以上流域集水面積為26822 km2，海拔高程為1240 m。該站是車爾臣河上唯一的國家基本水文站，分設有兩個基本斷面，即車爾臣河河道斷面和且末大渠斷面。自建站以來，水文部門一直是將兩斷面的合成流量值作為且末站的流量資料。兩斷面有1958年～2016年的同步水文觀測資料，資料觀測年限長，成果可靠性強。按照《水利水電工程設計洪水計算規范》(SL 44-2006)推薦的方法，以年最大值法選樣，使用矩法計算統計參數，采用皮爾遜-Ⅲ型曲線進行適線，求得且末水文站設計洪水成果(表1)及洪峰流量頻率曲線(圖2)。

表1 且末水文站設計洪水成果分析

圖2 且末水文站最大洪水頻率曲線圖

3.2 大石門水庫設計洪水

由于大石門水庫電站是筑壩攔水發電，會對設計洪水造成一定影響。大石門水利樞紐工程位于新疆巴州且末縣境內的車爾臣河干流上，壩址位于車爾臣河出山口與支流托其里薩依交匯口下游約300 m處，壩址以上流域面積達24692 km2。通過查閱《新疆車爾臣河大石門水利樞紐工程項目建議書報告》可知：大石門水利樞紐設計洪水標準為100 a一遇。在設計洪水來臨時，表孔加底孔共同泄洪，最大下泄流量為1256 m3/s。

3.3 擬建車爾臣河1號大橋設計洪水分析

車爾臣河1號大橋上游有大石門水庫、第一分水樞紐、且末水文站、第二分水樞紐和第三分水樞紐等水利工程。大石門水庫下距且末水文站83 km，下距第一分水樞紐33 km。且末水文站下距擬建車爾臣河1號大橋工程53.6 km，是距離橋位斷面最近的水文站，中間無支流匯入，區間不產流且存在沿程洪峰削減。根據《車爾臣河流域規劃》，且末水文站到水文站上游的各節點損失率按照式(1)計算。末水文站到下游節點的損失率按照式(2)計算，相關參數取值及計算結果見表2。

表2 各節點至且末水文站利用歷史洪水調查值計算的每公里洪水損失率

S損=[(Q調-Q且)/Q調]/L1

(1)

S損=[(Q且-Q調)/Q且]/L1

(2)

式中：S損為且末水文站至計算節點損失率；Q調為計算節點調查洪峰流量；Q且為且末水文站相應年份洪峰流量；L1為計算節點至且末水文站距離。

由表2可得，在調查年份，大石門水庫和且末水文站在調查年份洪峰流量較大，特別是1999年接近100 a一遇設計洪峰流量，因此利用該損失率來推求橋位斷面的設計洪水成果合理。根據以上分析可確定各節點至且末水文站的損失率采用幾次同期洪水計算的洪水損失率的算術平均值，即大石門水庫至第一分水樞紐每公里損失率為0.58%，第一分水樞紐至水文站每公里損失率為0.64%，水文站至第二分水樞紐每公里損失率為0.46%，水文站至塔提讓每公里損失率為0.48%。劃分新老河道的第三分水樞紐處于第二分水樞紐與塔提讓大橋之間，距第二分水樞紐11.5 km，距塔提讓大橋18.1 km。第三分水樞紐與水文站之間每公里損失率按照0.46%計算；擬建車爾臣河1號大橋距第三分水樞紐20.1 km，1號大橋與分水樞紐之間每公里損失率按照0.48%計算。且末水文站到水文站上游的各節點設計洪水按照式(3)、水文站下游的節點的設計洪水按照式(4)計算。

Q節=Q且/(1-S損×L2)

(3)

Q節=Q且×(1-S損×L2)

(4)

式中：Q節為計算節點設計洪水；S損為且末水文站至計算節點損失率；Q且為且末水文站設計年最大洪峰流量；L2為計算節點至且末水文站距離。

經計算采用大石門水庫～第一分水樞紐～且末水文站河段洪水損失率計算得到且末水文站處的100 a一遇設計洪水為597 m3/s。與實測資料推出的且末水文站100 a一遇設計洪水相差很小。考慮到計算結果的合理性和嚴密性仍然采用實測資料推求的設計洪水，即且末水文站發生100 a一遇設計洪水時最大洪峰流量為589 m3/s。

根據車爾臣河各個時期的衛星影像圖可知，在2011年以前，在車爾臣河第三分水閘之后，河水主要流經老河道，新河道水量少；2011年以后河水主要流經新河道，老河道流量少。基于工程偏安全考慮，利用洪水沿程損失率計算橋位斷面設計洪峰流量時，起算設計洪水均按照且末水文站的設計洪水。根據且末水文站設計洪水，采用且末水文站～第三分水樞紐～橋位斷面河段洪水損失率計算橋位斷面的設計洪水，計算結果為：車爾臣河1號大橋100 a一遇設計洪峰流量為443 m3/s，300 a一遇校核洪峰流量為522 m3/s。項目直接采用大石門水庫100 a一遇的設計下泄流量1250 m3/s，未考慮沿程消減，對該斷面的計算精度較低，計算值偏大。

4 設計洪水位推求

4.1 計算方法

在工程斷面處，用設計洪峰流量推求相應設計水位時，應首先對斷面處的水位流量關系進行推求，在計算斷面缺少可靠的水位流量關系時，可采用水力學公式(如曼寧公式)間接推求設計流量下相應水位。本次評價采用曼寧公式法推求設計流量下相應水位。水力學謝才公式和曼寧公式如下：

(5)

(6)

(7)

式中：v為斷面平均流速，1.51 m/s；C為謝才系數，m0.5/s；R為斷面水力半徑，1.21 m；i為河段水面比降，1.44；Q為斷面過流流量，m3/s；A為斷面過流面積，49 m2；n為糙率，0.029。

經計算，車爾臣河擬建1號橋斷面過流流量74.0 m3/s。在已知過流斷面、河槽粗糙系數、河床比降、設計流量的條件下計算相應設計流量下的水位。由水位、斷面形狀即可確定相應流量下的斷面平均流速等水力學要素，然后依據曼寧公式推求各級水位下的相應流量，建立計算斷面處的水位～流量關系曲線，最終根據設計流量確定相應水位。

為使參數的取值更具合理性，本次防洪評價對水面比降、橋位斷面處的河道流量，橋址斷面等資料都進行了現場實測。經整理計算，實測斷面形狀見圖3。

圖3 擬建車爾臣河1號大橋實測斷面及測時水位

4.2 設計水位計算結果

已知車爾臣河河段綜合糙率、河段比降、斷面形狀，根據曼寧公式及謝才公式推求工程斷面水位流量關系。擬建車爾臣河1號大橋橋位斷面水位流量關系計算結果見表3，水位流量關系曲線見圖4。

表3 擬建車爾臣河1號大橋斷面水位流量關系

圖4 擬建車爾臣河1號大橋斷面水位流量關系

通過以上分析計算和查圖得，擬建車爾臣河1號大橋100 a一遇的設計流量為443 m3/s，相應水位1131.86 m；300 a一遇的設計流量為528 m3/s，相應水位1132 m。

5 結語

車爾臣河1號大橋上游有大石門水庫、第一分水樞紐、第二分水樞紐以及塔提讓大橋等水利設施，增加了大橋斷面處的洪水計算難度。通過分析洪水特性，以且末水文站為參證站，計算洪水損失率和合成流量，最終計算出車爾臣河1號大橋100 a一遇的設計流量為443 m3/s，相應水位1131.86 m；300 a一遇的設計流量為528 m3/s，相應水位1132 m，可為工程建設提供技術參考。