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宁县九龙河新建桥梁对水文站的影响分析

2021-07-09田亚兰

农业科技与信息 2021年12期
关键词:宁县九龙水文站

田亚兰

(甘肃省庆阳水文水资源勘测局,甘肃庆阳745000)

1 概述

1.1 九龙河新建桥项目概况

宁县新建九龙河1 号桥、2 号桥是银西高铁宁县站至县城连接线项目,为宁县县城骨架路网之一,是县城的交通主干道,起点与宁县东滨河路相接,终点至银西高铁宁县站站前广场东侧,与既有县乡道路相接,自西向东依次与东滨河、沙滩路及规划的大同路相交,道路全长3.14 km。道路全线2 次跨越九龙河,新建大桥上部结构采用30 m 预应力连续箱梁,下部结构采用柱式墩台、钻孔灌注桩基础。设计防洪标准为100 年一遇洪水。

1.2 流域概况

九龙河位于宁县东南部,古称九陵水,元称泸水,发源于子午岭西麓的龙池,于宁县汇入马莲河,是流进宁县境内七条河流之一,九龙河流经米桥、平子、良平、早胜、九岘、石鼓、春荣、城关8 个乡(镇),流域面积为642 km2,河道总长度为56 km,平均坡降4.7‰,年平均流量为0.71 m3/s,多年平均径流量为1 434 万m3,宁县境内流域面积444 km2。九龙河水系如图1。

2 新建桥设计洪水计算

2.1 水文分析计算

2.1.1 水文资料 九龙河2 号桥上游2.65 km 处建有宁县水文站,该站建于1983 年,地处宁县新宁镇龙二村,控制流域面积632 km2,距县城3.5 km,属国家基本水文站,区域代表站。现存有1983 年至2019年37 年实测水文资料,观测资料经过整编审查、正式刊印,资料精度高。

2.1.2 暴雨洪水特性 九龙川流域内洪水主要是由降水暴雨形成,暴雨主要发生在7—8 月,强度大而集中。暴雨路径多由南北向东南,持续时间仅1~3 d,暴雨历时一般2~3 h。九龙川流域属黄土丘陵沟壑区,植被覆盖率低,水土流失严重,形成洪水陡涨陡落,泥沙含量大。

2.1.3 历史洪水 九龙川历史洪水及重现期以《甘肃省历史洪水调查资料》为依据。调查断面位于九龙川杨圪台,流域面积601 km2。宁县水文站流域面积为632 km2,流域面积相差31 km2,面积差小于5%,因此该历史洪水可以直接采用到宁县水文站使用。

图1 九龙河水系图

表1 宁县站洪水频率计算成果

2.1.4 洪水频率计算 根据宁县水文站洪峰流量系列,用矩法初估统计参数,采用P-Ⅲ型曲线,用适线法进行频率分析计算。历史洪水重现期有变动范围时,定线时作适当考虑。建站以来最大洪峰流量456 m3/s,相应水位996.91 m,采用宁县站37 年实测资料系列,洪峰流量均值111.7 m3/s,洪峰流量采用P-Ⅲ型配线,离差系数Cv=1.48,偏差系数Cs=3.0Cv。频率计算结果见表1。

2.2 设计洪水计算

宁县水文站控制流域面积632 km2,新建九龙河1 号桥、2 号桥均在下游处,桥址位置与水文站相距较近,流域内洪水主要是降水暴雨形成的。与水文站之间再无其他较大支流汇入,流域面积接近,新建桥梁处的洪水可采用宁县水文站的计算成果进行分析,即对应100 年洪水流量为863 m3/s。因此,本次计算依照宁县水文站设计洪水成果作为分析依据。

3 河道水面线的推算

九龙河水面曲线按一般天然河道恒定非均匀流形态计算。计算过程中河宽按自然河宽计算,坡降以实测值计,根据河道地貌特性,在各涉河桥梁桥址处布设不同长度河道断面分别计算洪水位。经初步分析计算,九龙河设计洪水均为缓流,故水面线计算应由下游控制水位向上游推算。九龙河以1 号桥下游100 m 处K1+000 所在河道为控制断面,由下游向上游推算各断面不同频率洪水位,用水力学曼宁公式计算控制断面洪水位,采用天然河道恒定非均匀流能量守恒方程按全断面计算水面线,考虑沿程水头损失和局部水头损失,计算公式:

式中,Z 为断面水位(m);V 为断面平均流速(m/s);α 为系数(取 α=1);g 为重力加速度(m/s2);Q 为河段平均流量(m3/s)ΔL 为断面间距(m);K 为河段上、下游断面的流量模数平均值,即:

式中,A 为上、下游断面的面积(m2);R 为上、下游断面的水力半径(m);C 为上、下游断面的谢才系数,即为河段糙率;ξ 为局部水头损失系数;下标1 和2 表示上、下游断面。

糙率选取:九龙河部分河岸衬砌工程,河床面一般没有衬砌,经综合分析、计算,两处河道各河段工程区上下游均采用n=0.035 进行分析计算洪水。

控制断面水位—流量关系的确定:本次以1 号桥下游100 m 处K1+000 所在河道断面作为九龙河推求设计洪水水面线的起始断面,该断面附近河道顺直,断面稳定。参考实测的河道深泓点比降,分析确定九龙河河道比降采用4.7‰。按曼宁公式经计算控制断面处水位流量,计算结果见表2。

式中,n 为河道糙率(0.035);R 为水力半径(m);J 为河道实测比降;A 为实测断面面积(m2)。

根据此断面由下游向上游逐段进行设计洪水位推算,即可推求出各断面的洪水位,计算结果见表3。

4 雍水曲线计算

4.1 壅水高度计算

本次分析针对新建桥梁后会产生壅水现象进行壅水高度计算。桥梁的壅水计算常采用经验公式进行计算,本次壅水计算采用根据《公路工程水文勘测设计规范》(JTJC30-2015)公式进行计算桥前最大壅水高度,桥前最大壅水高度计算结果见表4、表5。

九龙河1 号桥、2 号桥均为跨河桥梁,桥墩采用桩柱一体墩,桥墩形状为圆柱,根据《公路工程水文勘测设计规范》附录B,确定单墩阻水宽度计算公式:

式中,B 为单顿单墩阻水宽度(m);d 为桥墩直径(m)。

九龙河1 号桥为6 跨跨河桥梁,根据水面线计算结果可知河道k1+000 断面、k1+100 断面、k1+200各断面处均有一排桥墩阻水,桥墩直径为1.4 m,每排桥墩处有4 个桥柱阻水,桥轴线与河道洪水主流夹角(a=180°),阻水深度为个桥墩深泓点高程至水面线高度,阻水宽度分断面分别计算。

表2 九龙河控制断面水位流量关系

表3 新建桥梁桥址处未建前100 年一遇河道水面线计算成果

表4 100 年一遇洪水原河道公路桥位勘测设计规范壅水计算结果

表4 (续)

表5 100 年一遇洪水拓宽河道公路桥位勘测设计规范壅水计算结果

表5(续)

九龙河2 号桥为4 跨跨河桥梁,根据水面线计算结果可知河道内只有3 排桥墩阻水,桥墩直径为1.4 m,桥轴线与河道洪水主流夹角(a=90°),阻水深度为原地面线至水面线高度,K2+100 断面处总阻水宽度为4.2 m。

式中,Δz 为桥前最大壅水高度(m);KY为修正系数;KN为定壅系数;Vom为天然状态下桥孔部分的平均流速(m/s);Vm为桥下平均流速(m/s);Vm=KP*QP/ωj。

4.2 壅水长度计算

壅水曲线的全长L 可按下式计算:

式中,L 为壅水曲线长度(m);J 为河床比降(以小数计),采用实测比降;Δz 为桥前最大壅水高度(m)。

根据规范本计算各桥梁桥前壅水采用最大值的一半进行分析。经过计算可知九龙河1 号桥原河道时壅水长度为306 m,河道拓宽后壅水长度为298 m,九龙河2 号桥壅水长度为204 m。

5 新建桥对水文站的影响分析

由于九龙河属于天然河道,相对顺直,过水断面形状和底坡均沿程变化,河道糙率相对稳定,天然河道流量随时间而变化微小,因此,本文通过工程区设计洪水计算,采用天然河道恒定非均匀流能量守恒方程按全断面计算水面线,从而求得新建九龙河1号桥和2 号桥址处雍水高度和雍水长度。由于宁县水文站位于新建桥上游2.65 km 处,而本次求得1号桥雍水长度为298 m,2 号桥雍水长度为204 m,所以新建九龙河桥梁不会对水文测验工作正常开展构成影响,也不会改变水流条件,对水文站测验数据(水位、流速、流量等)精度、水文资料的一致性、连续性和水位流量关系等造成明显的影响。

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