永和县永红桥改造工程防洪评价探讨

陈运宁

（山西路翔交通科技咨询有限公司，山西 太原 030006）

1 项目概况

永红桥是正大路跨越芝河的控制性工程，该桥建设于1970年，为1孔60 m的空腹式双曲拱桥，桥面全长80 m，桥面全宽不到9 m，车行道净宽7 m，两侧各设50 cm的人行道。该桥桥面较窄，人车混行。作为永和县进出县城中心的正大路扩宽改造的控制性工程，永红桥的改造势在必行。

图1 永红桥现状

改造后的永红桥上部结构采用3孔21 m预应力钢筋混凝土连续箱梁，桥宽18 m，下部结构采用柱式墩、柱式台，基础采用扩大基础。中墩宽1.3 m，桥面设计高程887.25 m，梁底高程885.85 m，桥梁轴线与河道轴线的夹角为60°。

2 防洪标准确定

按《城市桥梁设计规范》（CJJ11—2011），“城市桥梁设计宜采用百年一遇的洪水频率，……”。“城市中防洪标准较低的地区，当按百年一遇或三百年一遇的洪水设计频率设计，导致桥面高程较高而引起困难时，可按相交河道或排洪沟渠的规划洪水频率设计，……”[1]。

县城段河槽两岸均修建了高约8 m的砌石堤坝，堤防等级为四级，采用20年一遇洪水标准设计。如果永红桥的改造按照百年一遇设计，那么将导致永红桥的桥面高程增加较大，两边道路将无法与之衔接，因此不宜将洪水频率设计较高，而按照20年一遇的堤坝洪水频率设计又较低。经过计算，改造后的永红桥基本满足50年一遇洪水设计频率，因此，永红桥的设计洪水频率为50年一遇。

3 水文分析计算

3.1 流域概况

芝河属黄河一级支流,发源于永和县城东北约20 km的四十里山下的坡头乡李家崖村,全长62 km，河道平均纵坡为15‰，流域面积791.5 km2，流域平均宽度12.8 km。

永和县永红桥改造工程位于芝河河道永和县城区段，在段家河支流汇入口的上游约300 m处，工程所在位置控制流域面积 295.05 km2，河道长27.8 km，河道平均纵坡为 11‰，流域平均宽度26.6 km。流域属晋西黄土残塬丘陵沟壑区。

芝河无水文测站，属无资料河流。

3.2 暴雨特征

芝河流域地形属晋西黄土残塬丘陵沟壑区，地貌组成属于土石山区，加上芝河目前无控制性工程，一旦发生暴雨，便可能形成洪水。洪水成因是夏季暴雨，故年内分配不均匀，汛期是每年6—9月，最大洪峰流量多发生在7、8月份。

3.3 洪峰流量分析

芝河为无资料地区，采用山西省水利厅编著的《山西省水文计算手册》（2011）计算洪峰流量。

3.3.1 设计暴雨计算

本工程流域位于《手册》暴雨分区图中的“西区”，由《手册》查得各历时的暴雨统计特征值，求得各个频率各种历时的点雨量，并根据点面关系的各种参数，求得面雨量，见表1。

表1 控制流域暴雨计算成果表

3.3.2 产流分析计算

根据工程所在流域下垫面条件及设计洪水流域前期持水度BO、P进行产流计算，频率为2%设计洪水流域前期持水度取0.58。控制流域产流地类有黄土丘陵沟壑区295.05 km2。根据《手册》表7.3.1.2查得黄土丘陵沟壑区风干流域吸收率Sr=20.0，流域导水率Ks=1.30[2]。

使用双曲正切模型计算设计洪水净雨深，设计洪水净雨深成果见表2。

表2 产流参数及结果

3.3.3 汇流计算

汇流计算方法采用流域模型法和推理公式法分别计算。

流域模型法:由《手册》附图4结合现场查看实际情况，控制流域汇流地类为草坡山地。流域模型法参数根据《手册》表7.3.2.1，β1=0.047，β2=0.19，α=0.397，草坡山地单一地类汇流参数C1=1.046，C2=0.717[2]，汇流计算成果见表3。

表3 流域模型法洪水计算成果表

推理公式法:汇流参数m根据《手册》表7.3.3.查得，m=0.26[2]，汇流计算成果见表4。

表4 推理公式法洪水计算成果表

3.3.4 成果

设计洪峰流量采用几种方法中的大值做为本次洪水成果。通过计算分析确定芝河在永红桥处的洪水成果采用流域模型法计算结果，2%洪峰流量为1 947 m3/s。

3.4 永红桥水面曲线计算

对永红桥上下游约0.5 km的范围内进行了测量，测量了纵横断面，起始纵断桩号0+000，终点桩号为0+525。永红桥位于桩号0+383.23处。

洪水位计算采用一般天然河流水面曲线计算方法。

天然河道洪水糙率《手册》附录Ⅱ调查洪水用表中附录Ⅱ-1天然河道糙率表[2]，根据附近河道情况来综合选定。河道比降采用红卫桥段河流处上下游一定范围内河流纵断面外业测量计算成果。水力半径、断面面积、湿周均根据河道横断面测量成果，根据水位计算得到。

天然河流水面曲线计算的基本关系式为：

式中：Z上、Z下为上、下断面的水位,m；ζ为动能校正系数；α为河段变化局部损失系数，取值范围为-0.5～0.5；Q 为流量，m3/s；Δs为河段长度，m；J为水利坡降。

根据河道横断面及河段纵断面情况，选择河道糙率为0.03。

2%洪峰流量为1 947 m3/s。0+000断面，2%洪水频率的设计洪水位采用曼宁公式计算为889.47 m。

水面曲线计算采用由上游向下游逐段试算,以0+000断面为初始断面，计算永红桥断面及上下游一定范围内河道的水位，便可得到整个计算河道的水面曲线，桥址断面河宽57.99 m，建桥后，河道中设两个1.3 m宽的桥中墩，边墩1.3 m，使该处河道断面缩窄3.9 m，净宽54.09 m，缩窄率6.7%。建桥前后，水面线成果见表5。

3.5 桥梁净空高度复核

永红桥梁底高程为885.85 m，2%洪水位为885.14 m，相差0.71 m。由于芝河所处流域表层黄土覆盖层极易被冲刷切割，洪水中携带大量泥沙。桥下净空按照《城市桥梁设计规范》（CJJ 11—2011）要求的非通航河流且有泥石流的最小值为1.0 m[1]。该桥为0.71 m，不符合要求。

表5 五十年一遇洪水水面线计算成果

经与桥梁设计部门及建设单位协商沟通，考虑两侧道路的接线高程，可适当提高桥梁的设计高程。因此建议将桥面高程提高0.3 m，同时梁底调整为886.15 m，桥下净空高度为886.15 m-885.14 m=1.0 m，满足规范要求。

3.6 冲刷分析

永红桥所在河段河床为砂岩地段，桥梁采用扩大基础，基础埋置在砂岩内，河道冲刷对桥梁基础无影响，不再进行冲刷计算。

4 结语

我国在20世纪中期修建了大量的拱桥，随着城市的发展，这些桥梁无论在技术标准还是美观程度上都渐渐不能适应现代城市的要求，需要加以改造。在改造过程中，应根据实际河流情况结合规范要求适当提高建设标准，以满足道路发展的需求。