312国道改扩建工程公路桥防洪评价

陈泽锋，胡辉

（商南县十里坪镇农业综合服务站，陕西商洛726306）

1 概况

312国道是陕西西北至东南方向的一条十分重要的出省公路。随着区域经济社会的快速发展，近年来，G312公路交通量呈迅速增长态势，日过车辆达千辆，大型以上货车比重接近50%，路段服务水平已降至四级。为了提升服务能力，规划改建路线全长53.970 km，新建及改扩建里程44.821 km，工程建设中有公路桥6座，按照百年一遇防洪标准进行设计。为了确保工程安全建设，需对6座公路桥百年一遇洪水进行复核评价。

2 暴雨洪水及河道演变分析

2.1 暴雨洪水分析

6座公路桥涉及的河流均为丹江支流，其河流特性与丹江相似，具有亚热带气候和暖湿带气候特点，年平均降水量730.4～862.3 mm。丹江流域的洪水主要由暴雨或连阴雨形成。暴雨具有集中、量大、面广、历时短的特点，主要集中在7～9月，尤以7月中旬至8月下旬为最。丹江水系洪水是由暴雨产生，并具有陡涨陡落、洪峰高，历时短的特点，对下游防洪安全影响较大。

2.2 河道演变分析

根据调查成果和历史资料分析，工程项目区所在河流为丹江及其较大支流，河流性状基本接近。工程项目区河道河床虽有冲淤变化，一般河道变化规律是小水时候河床横向变化较大，大水的时候河床横向相对保持走向不变，冲淤加剧。当地河道的总的变化趋势是逐年下切，下切趋势与河道取沙规模和数量成一定的正向对应关系。受山区地形限制，加之堤防工程的控制，项目区河段平面变化趋势已基本稳定，今后河势不会发生大的变迁。

3 参证站及洪水确定

丹江流域内目前设有水文观测站5处，雨量站43处。麻街、板桥水文站观测资料在30年以上，丹凤、武关水文站观测资料均在50年以上。312国道商州至商南公路扩建项目所在区域距丹凤水文站较近，该站具有完整的实测水文资料系列。项目所在区域位于丹江干流及其支流，因各形态断面与丹凤水文站为同一气候区，同为丹江流域，自然地理因素相同，根据水文计算技术，设计洪水计算以丹凤水文站作为参证站。

根据丹凤水文站1921、1935年的历史调查洪水和1957～2012年共58年实测洪峰流量系列，按照《水利水电工程洪水计算规范》（SL44—93）推荐的方法，以年最大值法选样，加入历史调查洪水，按不连续系列计算经验频率。根据矩法计算出统计参数，采用皮尔逊Ⅲ型理论频率曲线适线（计算时采用黄河水利委员会水文局的洪水频率计算程序计算），求得的丹凤水文站10年一遇设计洪峰流量为1 263 m3/s，100年一遇设计洪峰流量为2 710 m3/s。

4 公路桥设计洪水分析

公路桥分别采用汇水面积相关法、综合参数法、水文比拟法和推理公式4种方法进行计算。公路桥流域特征数据情况详见表1。

表1 公路桥流域特征数据表

4.1 汇水面积相关法

依据《商洛地区实用水文手册》提供的汇水面积相关法的相关参数，用下式计算：

式中：QP——设计频率P的洪峰流量（m3/s）；

F——设计流域面积（km2）；

KP、n——设计频率为P的经验参数，n为0.59，100年一遇、10年一遇KP分别为42、18。

式中参数取值见表1，洪峰流量计算成果见表2。

表2 公路桥断面洪峰综合对比表

4.2 综合参数法

依据《商洛地区实用水文手册》提供的综合参数法的相关参数，应用下列公式计算：

式中：QP——设计频率P的洪峰流量（m3/s）；

F——设计流域面积；

J——主河道平均比降；

HP——设计频率为P的六小时暴雨量（mm）；

KP——经验参数，100年一遇、10年一遇KP分别为2.23、1.24；

n、α、β——经验指数，分别取值为0.626、0.023、0 561。

式中参数取值见表1，计算成果见表2。

4.3 水文比拟法

计算公式为：

式中：Qm设、Qm参——分别为设计站和参证站洪峰流量（m3/s），Qm参10年一遇取值1 263 m3/s，100年一遇取值2 710 m3/s。

A设、A参——分别为设计站和参证站集水面积（km2）；

n——指数（取值为0.667）。

式中参数取值见表1，以商南水文站为参证站比拟项目区10年、100年一遇设计洪峰流量见表2。

4.4 推理公式法

暴雨是产生洪水的主要原因。小桥流域河段控制面积小，用板桥、棣花站暴雨资料，采用推理公式法推求设计洪水。由暴雨间接推求洪水，首先假定设计暴雨与设计洪水是同频率的，在设计暴雨确定时，其分析的主要内容是产流和汇流的计算。

4.4.1 设计暴雨计算

设计点暴雨历时可按流域面积大小分为两级：当流域面积＜100 km2，设计历时采用6或12 h；当流域面积＞100 km2，设计历时采用12或24 h。当设计点暴雨历时确定之后，由各历时年最大点暴雨均值、变差系数等值线图分别查得不同历时年最大点暴雨均值和变差系数Cv。以Cs/Cv=3.5的倍比，由皮氏Ⅲ型曲线表查得模比系数Kp，求得设计历时的暴雨量。中、小流域的设计洪水，一般是以洪峰控制。根据板桥、棣花及全市较大暴雨自记资料，采用雨峰对齐、算术平均、滑动挑选的方法，分析概化出6、12 h同频率分时段控制雨型。设计频率为100年一遇的设计面暴雨量的时程分配，分别以1、3、6、12 h为控制，要求控制历时内的时段累计雨量与相应历时的面雨量相等。其方法是：先将最大1 h面暴雨量放置于雨峰位置，由最大3 h面暴雨量减去最大1 h面暴雨量，所得的差值乘以时程分配百分数，即得3 h以内的分配过程；由最大6 h面暴雨量减去最大3 h面暴雨量，所得的差值乘以时程分配百分数，即得6 h设计面暴雨时程分配雨型；由最大12 h面暴雨量减去最大6 h面暴雨量，所得的差值乘以时程分配百分数，即得12 h设计面暴雨时程分配雨型。

4.4.2 设计情况下前期影响雨量P的确定

根据《商洛地区实用水文手册》，商洛市潜流量按占产流总量的20%计算。潜流量的计算由总产流总量乘以潜流所占的百分比所得。以潜流量再除以产流历时得时段平均潜流量。由产流过程中扣除时段平均潜流量，即得净雨过程。当某一时段的产流量小于时段平均潜流量时，其产流量全部视为潜流。首先从潜流量中扣除该时段的产流量，其次从产流历时中扣除相应的时间，然后再重新计算时段平均前流量。

4.5 设计洪峰流量的计算

采用推理公式计算，分析的途径是将暴雨形成洪水的过程，分为产流与汇流两个阶段，然后在一定的假定和概化的基础上，利用等流时线原理，经过一定的推理过程，得出洪峰流量的计算公式。其基本假定有两条：一是假定流域汇流时间τ内的净雨强度it不变，即可用平均净雨强度it来表达；二是把汇流面积曲线αW（τ）/ατ[即汇流面积W（τ）随时间的变率]概化为矩形，且沿程汇流速度不变。计算步骤如下：

（1）确定流域特征参数θ，本次采用《商洛地区实用水文手册》中的经验公式θ=L2/FJ1/3，得出流域特征参数θ。

（2）确定汇流参数m。m参数是一个具有流域汇流特点的综合性经验参数，它与雨强的大小，降雨历时的长短，雨量时空分布的不均匀性，暴雨中心的移动以及下垫面的干湿等情况有关。由于以上原因从而使同一流域各次洪水的m值变化范围较大。但从有关资料分析，m值又与本次洪水的净雨深h有关，即m随净雨深h的增大而减少，并逐渐趋于稳定。本次采用《商洛地区实用水文手册》中的经验公式m=0.190θ0.575计算，得出汇流参数m。

（3）根据净雨计算成果表，自最大净雨强度开始向前后相邻时段连续累加，并除以相应的时距，得出时段平均最大净雨强度ht/t，求得与t相应的洪峰流量Qt，其计算公式Qt=0.278（ht/t）F。

（4）根据流域面积大小，假定几个洪峰流量，计算出各假设洪峰流量所对应的汇流历时τ，即：τ=0.278L/（）。

（5）在普通方格纸上点绘t～Qt和Qτ～τ两组相关曲线，其两条曲线的交点对应的纵横坐标，即为所求的设计洪峰流量Qm和汇流历时τ。各小桥位求得10年、100年一遇设计洪峰流量成果见表2。

4.5 设计洪峰流量采用值

从计算结果可以看出，《商洛地区实用水文手册》汇水面积法最大，综合参数法计算的结果居中，根据商南水文站洪峰流量按水文比拟法计算结果较小。经综合比较分析，公路桥采用推理公式法计算结果，见表2。

5 结语

通过对312国道商州至商南公路改扩建工程6座防洪桥所在河段河床演变趋势以及设计洪水的分析，可以得出以下结论：

（1）312国道商州至商南公路改扩建工程，是充分发挥商洛市资源优势，释放潜能，加强循环产业支撑能力的重要工程。公路桥采用100年一遇洪水设计，其设防标准符合《防洪标准》（GB50201-94）中对于Ⅰ级干线公路防洪标准的规定。

（2）经分析计算，改扩建工程中6座公路桥设计的防洪标准，基本高于本次复核要求的洪峰取值，满足桥位段的防洪要求。经评价复核认为，在发生设计标准以下的洪水时，该工程项目基本安全，可以进行建设。