宁县九龙河新建桥梁对水文站的影响分析

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。