浅析韩城市盘河水库下游段交通桥洪水分析计算

王海强

（咸阳水文水资源勘测中心,陕西 咸阳 712000）

盘河水库下游段交通桥洪水过程计算,是现有河道实际情况洪水计算的要求,做好水库下游设计洪水计算工作,为水库下游交通桥水文设计方案提供依据。根据《河道管理范围内建设项目管理的有关规定》,水库下游河段河道的演变、防洪及行洪能力带来的影响,出具防洪评价意见和结论,其中最重要是准确计算设计洪水,因此本文对盘河水库下游段交通桥洪水计算进行探讨。

1 概况

盘河系黄河一级支流,发源于陕北黄龙山区东麓黄龙、韩城交界处的西子峙山,由韩城市的西庄镇杨村寨出山,在昝村南汇入汶水入黄河,全长46.6 km,流域面积194.8 km2,河长平均比降 21‰,属渭北土石山区。

在盘河流域内建有盘河水库,其位于防洪工程段上游。盘河水库坝址以上控制流域面积144.4 km2,主河道长35.1 km,枢纽工程主要由大坝、放水洞和溢洪道三部分组成。除险加固后确定防洪标准为50 年一遇设计,500 年一遇洪水校核。相应洪峰流量分别443 m3/s、754 m3/s,50 年一遇洪峰下泄流量为303 m3/s、500 年一遇洪峰下泄流量为555 m3/s。水库总库容795.5万m2,其中死库容73万m2,兴利库容578.2万m2,调洪库容144.3万m2。

交通桥位于盘河水库下游10 km处,桥梁全长22.4 m, 桥墩为2个,桥墩尺寸1.3 m～2.2 m,桥梁主流夹角为90 °。上部结构采用预应力混凝土预制空心板,下部结构采用桩接盖梁,计算行车速度为20 km/h,汽车荷载等级标准为公路-2 级,抗震设防烈度为6度,水平向设计基本地震动峰值加速度0.05 g。

桥位处至盘河水库坝址区间流域面积为21.1 km2,河道长度为10.0 km,比降为38‰。

2 设计洪水分析计算

2.1 设计洪水标准

交通桥为202 县道主干路Ⅱ级桥梁,总跨长约22.4 m,汽车荷载等级为Ⅱ级,按照《公路桥涵设计通用规范》（CJGD 60-2015）表1.0.5 划分为中桥,依据《防洪标准》（GB50201-2014）其相应的设计防洪标准确定为50年一遇。

表1 汇水面积相关法洪峰流量成果表

2.2 计算方法

水库下游区间设计洪水计算分为两步,第一步计算水库坝址以下至交通桥桥墩以上区间洪水计算；第二部计算水库下泄的洪水过程线。洪水演进与区间过程错峰叠加,得到项目区河道设计洪水过程线。

设计洪水计算方法：盘河流域无实测资料和历史调查洪水资料,能够精确可靠的计算洪水,对洪水计算采用“多种途径,多种方法,综合比较,合理选定”的原则,本次盘河水库设计洪水,采用经验公式法、推理公式法、瞬时单位线法三种方法计算,综合分析后,确定采用洪水成果。

2.3 水库坝址至桥位处（区间河段）洪水分析计算

（1）经验公式法

参照《渭南地区暨铜川市实用水文手册》提供的经验公式——汇水面积相关法,以及经验参、指数进行计算。计算公式为：

式中：QN为重现期为N的设计洪峰流量,m3/s；KN为重现期为N的经验参数；n为经验指数,丘陵北沟壑区为0.68；F为设计流域面积（21.1 km2）。

（2）推理公式法

1）设计暴雨的计算

①设计点雨量的计算

查《渭南地区暨铜川市实用水文手册》,年最大点雨量等值线图,得设计1、3、6小时点暴雨量值见表2。

表2 50年一遇设计点雨量计算表

②设计面雨量计算

计算公式：

式中：Ht面为设计历时为t的流域面平均雨量,mm；Ht为设计历时为t的暴雨点面系数； at为设计历时为t的点雨量,mm,at=1/（1+ atF）bt；F 为设计流域面积（21.1 km2）； at、bt为线性拟合参数。

计算结果见表3。

表3 50年一遇设计面雨量计算成果表

2）设计洪水计算

①产流计算

渭河北区域的产流方式以蓄满产流为主,按《渭南地区暨铜川市实用水文手册》规定,流域最大土壤蓄水量Im为100 mm,设计情况下的前期影响雨量Pa=1/2Im=50 mm。按照蓄满产流的计算方法,由设计暴雨的时程分配,即可进行产流计算,见表4。

表4 50年一遇设计产流计算表

②设计洪峰流量计算

汇流参数m的确定。计算公式为：

式中：m为汇流参数,无量纲； 为特征参数,=L/（FJ）1/3；F为设计流域面积,21.1 km2；J为主河道平均比降,38‰。

经计算,50 年、30 年一遇的m值分0.74、0.79。

τ用试算法求出,计算公式为：

式中：m为汇流参数,无量纲；L为河长,10 km；F为设计流域面积,21.1 km2；J为主河道平均比降,无量纲,38‰；Qm为设计的洪峰流量,m3/s。

用此公式进行试算见表5。

表5 50年一遇Qm-τ曲线计算表

将表5中重现期净雨过程由大到小进行累计,并按公式Qm=0.278ΣhtF/t计算相应的Qm-t曲线,见表6。

表6 50年一遇Qm-t曲线计算表

用表5至表6中Qm为纵坐标,τ（t）为横坐标绘制关系线,两曲线的交点即为所求,见图1。从图中可知,50年一遇设计洪峰流量为120 m3/s,汇流时间为3.05 h,见表7。

图1 50 年一遇Qm-τ与Qm-t关系曲线图

表7 重现期50年洪水流量及汇流时间表

（3）瞬时单位线法

1）设计暴雨的计算

设计面雨量、面降雨过程、产流过程及净雨过程计算同推理公式法,据韩城雨量、下垫面等资料分析盘河流域的潜流总量约为产流总量的15%,计算得到P=2%的净雨过程见表8。

表8 区间流域重现期50年（P=2%）净雨过程计算表

2）设计洪水计算

①瞬时单位线参数n、k的查算

根据《渭南地区暨铜川市实用水文手册》由“各分区瞬时单位线参数（mli=1Q）综合图”查算盘河净雨强度为10 mm的参数mli=10；再由“各分区瞬单位线非线性改正指数（b）综合图”查算非线性改正指数b；然后计算造峰历时tp和平均雨强i、临界雨强ik。

根据求得的参数按公式m1=m1i=10（10/i）b计算参数m1,当i＞ik时取i = ik；再由“各分区瞬时单位线参数（m2）综合图”查算m2值。然后根据公式m1=nk和 m2=1/n计算参数n、k。计算结果见表9。

表9 不同重现期的瞬时单位线参数n、k值

②设计洪水过程线

以n和t/k查“瞬时单位线表”可得时段单位线,用各时段的净雨分别乘“时段单位线”,并依时序各错后一个时段叠加,即得地面径流过程线,再加潜流和基流过程得设计洪水过程线。

经计算,区间不同设计频率的洪峰量见表10。

表10 区间不同设计频率的洪峰流量表 单位：m3/s

（4）计算成果的采用

以上三种方法计算盘河水库坝址至交通桥区间50年一遇设计洪水成果比较,见表11。

表11 设计洪水计算方法及成果比较表

从表11及以上计算结果可以看出,汇水面积相关法和综合参数法参数均采用《渭南地区暨铜川市实用水文手册》,而该手册编制于1987年,所采用的资料系列比现有系列资料短,经验公式考虑条件较少、精度较差,其计算结果合理性较差。瞬时单位线法使用300 km2～1000 km2,供参考使用,推理公式法,使用于流域面积在50 km2～300 km2。经比较分析,确定项目区50年一遇设计洪峰流量采用推理公式法值为120 m3/s。

2.4 盘河水库调洪演算成果

（1）盘河水库设计洪水过程线

根据《渭南地区暨铜川市实用水文手册》《韩城市盘河水库出险加固工程初步设计报告》中介绍的方法,进行盘河水库坝址设计洪水计算,得出洪水过程线成果见表12。

表12 设计洪水过程线成果表

（2）盘河水库下泄洪水

依据《韩城市盘河水库除险加固工程初步设计报告》（通过评审并实施）,50 年一遇的下泄洪峰流量为303 m3/s,入库洪峰流量为443 m3/s,该水库除险加固后,堰顶净宽为25 m,堰顶高程为601.60 m,库容曲线、泄流曲线见表13。

表13 盘河水库水位-库容曲线、下泄流量曲线表

从表13可以计算出盘河水库50年一遇的演算成果见表14。

表14 盘河水库50年一遇洪水调洪演算成果表

3 洪水计算成果

当50 年一遇盘河水库下泄洪水时,河道最大平均流速为2.9 m/s,根据水库下泄的洪水过程线,考虑洪水演进,与区间过程错峰叠加,得到项目区河道设计洪水过程线,见图2。

图2 50年一遇洪水过程线图

根据盘河水库坝址至交通桥处50年一遇洪水过程线分析,水库坝址至交通桥处（区间河道）50年一遇洪水位323 m3/s,出现的时间为6.8 h。

4 结语

韩城市盘河水库下游段交通桥洪水计算,是对河道上建有水库设施,坝址以下河道区间洪水计算的一个浅析,本文结合《河道管理范围内建设项目管理的有关规定》要求,分析水库下泄洪水演进过程,并与河道区间过程错峰叠加,从而得到符合现有河道的洪水计算的要求,为水库下游防洪和涉水建筑物提供科学依据。