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桥涵水文设计计算程序开发与研究
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倒灌河段桥梁水文分析与计算
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作者：冯英杰 张泽洲
【摘要】桥梁跨越支流，距支流与大河交汇处较近，大河上游建有水库。通过对河流交汇处的水文分析，确定了桥梁设计洪水位。计算时既考虑了水库对大河洪水的滞洪影响又考虑了大河倒灌对支流的回水影响，推算出合理的桥面设计标高。
【关键词】设计洪水位 倒灌 水库 设计标高
【DOI 编码】 10.3969/j.issn.14.08.010
【中图分类号】 U442.3 【文献标识码】 A 【文章编号】 （8-03
刘家沟桥位于刘家沟支流上，距甘肃礼县城区燕子河与刘家沟河交汇口仅15m。燕子河系西汉水的一级支流，是礼县境内西汉水上第四大支流。刘家沟河水主要来源于大气降水，其中以雨水补给为主，雪水补给为辅，在桥位处汇入燕子河，见图1。因此，设计时既要考虑刘家沟河的设计洪水流量，又要考虑燕子河水涨引起倒灌对刘家河水位的影响。
2 燕子河设计洪水流量计算
2.1 天然洪水分析
燕子河位于礼县西北部，发源于岷县东南双燕山，自西北向东南流入礼县境内。流域面积764.Km2，流域海拔m，平均比降1.9%。礼县境内流域面积542Km2，海拔m，比降1.23%。上游属中切割石质山区，植被较好，降雨量较多，径流系数大。
燕子河上游罗坝乡苗家村峡口处1976 年修建了苗河水库，对燕子河洪水有一定的滞洪作用，所以计算桥址处燕子河设计洪水必须考虑苗河水库的影响。
2.2 设计洪水分析
桥址处设计洪水组成可以有以下三种情况：
（1）上、下同频，区间相应。即苗河水库发生设计频率洪水遭遇了苗河水库～桥址处区间相应的洪水后组成桥址处燕子河设计频率的洪水。
（2）区、下同频，上游相应。即苗河水库～桥址处区间发生设计频率洪水遭遇了苗河水库相应洪水后组成桥址处燕子河设计频率的洪水。
（3）其他比例组成，下游同频。即苗河水库～桥址处发生较大洪水，但都没有达到设计频率，二者遭遇后在下游桥址处达到设计频率洪水。
对比以上三种情况，第二种对桥梁影响为最不利，因此，选择第二种情况进行计算。
2.3 设计洪水计算
桥址处的集水面积F=11.4km2,苗河水库集水面积F=421km2，苗河水库～桥址处区间集水面积F=409.6km2。
通过两种方法计算燕子河桥址处设计洪水：
（1）根据《甘肃省暴雨洪水图集》提供的地区综合经验公式计算： F=764.7km2，计算得P=1%，Q=/s。
（2）苗河水库集水面积F=421km2，2000 年安全鉴定复核成果P=1%，Q=790m3/s，以面积指数公式计算，指数n=0.67,计算得桥址处设计频率洪峰流量P=1%，Q=/s。
以上两种方法计算结果差别不大，考虑到苗河水库1980 年加固工程设计与2000 年安全鉴定采用了多种方法计算复核，成果都很接近，经分析本次设计采用第二种方法计算结果，天然情况下P=1%，Q=/s。
由面积指数n=0.67，计算得苗河水库～桥址处区间（F 区=409.6km2）设计洪水Q1%=775.6m3/s，与此相应的苗河水库洪水为QM1=402.8 m3/s。经过调洪计算，苗河水库的下泄洪量为：QM2=/s。
3 刘家沟设计流量计算
刘家沟宽约13～25m，沟两岸基本为企事业单位和村庄。沟道狭窄，纵坡较大，在洪峰期产生泥石流，河床淤积很快，经常堵塞，并在沟口已形成洪积堆、扇型的堆积区，对桥梁低级物质及总体布置有一定影响。鉴于上述泥石流的影响，礼县县政府加大泥石流的防护措施，在刘家沟上游山坡植树造林，在上游沟口修建拦河坝，把泥石流拦于山脚下，基本消除了泥石流的影响，设计时未考虑其影响。
3.1 径流形成法
径流形成法适用于汇水面积小于30km2 的河沟，计算公式为：
PQ —频率为P 的洪峰流量，m3／s；
h—径流深度，mm；
z—被植被或洼地滞留的径流深度，mm；
F—流域面积，km2；
β—洪水传播影响洪峰流量的折减系数；
γ—流域内降水不均匀影响洪峰流量的折减系数；
0ψ—地貌系数。
δ—湖泊或小水库调节作用影响洪峰流量的折减系数。
根据《公路涵洞设计细则》确定各参数如表2。
代入公式经计算的设计频率洪水流量：
Q1%=152.96m3/s。
3.2 经验公式法
基本公式：Qp=CFn（2）
式中：PQ—频率为P的洪峰流量，m3/s；
F—流域面积，km2；
C、n—随地区及频率而变化的参数和指数，山地，当P=1%时C=22.0,n=0.621mm；
经计算得Qp=155.75 P Q m3/s。
两种计算结果相近，考虑到洪水对桥梁影响的最不利情况取Qp=155.75 P Q m3/s。
4 确定桥梁设计洪水位
4.1 设计洪水位分析
跨越支流的桥梁，当受大河倒灌影响时，根据大河和支流洪峰出现时间的不同，可以有三种不同情况：
（1）大河无倒灌，支流出现设计流量。
（2）支流为常水位时，大河出现设计洪水，向支流倒灌。
（3）大河倒灌后开始退水，支流发生设计洪水。
显然第三种情况为最不利情况，根据调查和观测资料证实，燕子河和刘家沟河同时出现洪峰的可能性很大，因此按第三种情况确定设计洪水位。
4.2 设计洪水位计算
考虑到刘家沟桥布设不应改动既有防堤，桥址处已有高边坡浆砌片石护堤，临水面边坡1：0.3，背水坡1：1.25。
实测刘家沟河桥址处河床标高m，河床比降Ic= 0.025 ，稳定河宽25m，河床糙率n = 0.04。由天然状态下 Q1%=155.75m3/s，平均水深h = 1.29，经计算天然状态下百年一遇设计洪水位H1%=m。
桥址距刘家沟河汇入燕子河汇合口15m，燕子河在刘家沟段Q1%=/s，护堤临水面边坡1：0.3，背水坡1：0.5，稳定河宽90m，河床比降Ic= 0.012，河床糙率 n = 0.04 计算得，H1%=m。河流交汇口处流量在155.75m3/s时H=m。
根据铁道部第三勘察设计院编著的《桥渡水文》，确定梁底和路肩标高采用受大河倒灌影响的回水水位，支流河口交汇处壅水高度Z1=0.524=1.48m
查铁道部第三勘察设计院编著的《桥渡水文》表（17-18）
代入公式：
∴z = 0.89×1.29 = 1.148m
桥桥址处受到大河倒灌影响的回水水位为：
H=.148=m。
5 桥梁纵断面设计
5.1 桥梁总跨径确定
刘家沟桥以上左右岸0+000-0+783 及桥以下右岸0+783-1+252 有浆砌片石护岸，且在桩号0+260-0+360 段已有的高边坡护堤，刘家沟现有的防洪堤高度已能满足防洪设计要求，因此，考虑到刘家沟桥布设不应改动既有防堤，设计为2×20m预应力空心板简支梁桥。
5.2 桥面标高确定
由于该桥位河段为不通航河流，且不考虑流冰，故只需计算设计水位控制的桥面最低高程。梁高取1.25m。
按设计水位计算桥面最低高程：
Hmin=.25+0.5=m
受线路影响，桥位跨越支流，处于河流交汇口。支流和主河道均已修建防洪堤，主河道上游建有水库，在不改变既有防洪设施的条件下对桥位处水文情况进行分析计算，计算过程中采用简单计算、经验公式等多种方法相互校核，得出相对准确的计算结果，最后对桥梁的纵断面进行了设计。与实际情况符合较好。
1. 李良杰.桥梁洪水设计流量分析及计算.公路工程[J]，2010，3.
2. 王小燕.黄河汛期倒灌渭河规律的分析.西北水资源与水工程[J]，1994，1.
3. 胡和平，黄国如等.倒灌河道水位流速计算方法研究.水电能源科学[J]，2001，6.
4. 刘光文.水文分析与计算[M].水利水电出版社.1963.
5. 黄新，金菊良，李帆. 桥涵水文[M] . 人民交通出版社,2006.
6. 铁道部第三勘察设计院.桥渡水文[M]，中国铁道出版社.1993.
7. 许念曾.桥涵水文学[M]，中国铁道出版社.1989.
作者简介：冯英杰(1978 年-)，女，讲师。
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&广东省公路工程水文设计检算系统
&广东省公路勘察规划设计院股份有限公司
推广应用开始时间:
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广东省公路工程水文设计检算系统
发布人：文方针&&&&&&&&发布时间：&&&&&&&&浏览次数：1360
知识产权声明：
项目研究成果是本团队独立进行研究工作所取得的成果，研究成果归完成单位所有，如发现本项目研究成果被恶意抄袭，本项目团队将进行法律追究。
一.成果概况
&广东省公路工程水文设计检算系统
知识产权说明:
专利申请号:
专利申请日期:
专利授权号:
著作权登记号:
著作权发表日期:
著作权权利取得方式:
著作权权力范围:
推广应用开始时间:
推广应用结束时间:
二.申报单位
申报单位名称&
广东省公路勘察规划设计院股份有限公司&
三.依托项目
广佛江快速通道江顺大桥&
粤公院[2011]经营14号&
四.已列入的国家、省（部）级推广计划列表
五.成果简介
1.技术特点:
本课题的根本出发点是为生产服务。提高劳动生产力，这就要求软件开发具有实用性，规范性，准确性，简便可操作性。为了达到以上目的，我们采取了以下措施：
1、以现有规范为根本，并随时根据规范的变动而更新；
2、成员以实际从事设计工作的一线人员为主；
3、在课题研究中与实际生产紧密接合，以实践指导科研，以科研提高生产；
4、广泛收集了广东省的水文数据资料，并形成与地理位置直接相关的数据库。
5、开发了适合于不同人员的软件模块。分步骤水文检算模块适合缺少水文计算经验者使用；不分步骤的水文检算模块适合有水文计算经验者使用，也适合于修改设计时使用。
6、建立了查询服务模块。将全部输入输出数据保存到数据库，便于查询和进一步应用。
7、实现了计算书文本的自动生成。，它包括使用的公式、符号参数意义、参数的值等。为查询、校核提供了方便。
2.成果原理:
系统以Visual Basic为开发平台，使用Microsoft Access、Microsoft Excel、Microsoft Word技术。根据《公路工程水文勘测设计规范》等相关行业规范，收集整编适合广东省的水文计算模型，充分利用雨量进行公路水文计算，并将雨量参数及计算方法与地理位置直接关联，完成了&广东省公路工程水文设计检算系统&的研制，查新结果表明，目前国内尚无类似程序。主要应用于公路工程设计、养护与维修加固路桥涵水文计算，也可应用于铁路、水利等相关工程水文设计计算。
3.适应性分析:
&广东省公路工程水文设计检算系统&配备了详细的使用说明书。提供了实用的水文外业调查表格，为外业工作提供了指导。主要应用于公路工程设计、养护与维修加固路桥水文计算，也可应用于铁路、水利等相关工程水文设计计算。软件已成功应用于广佛江快速通道江顺大桥、佛开高速九江大桥、梅大高速公路，佛开高速公路，广河高速广州段等项目的桥梁与涵洞设计中。应用结果表明，研究成果能使公路设计更加合理，与气候环境更加协调，减轻设计人员的工作强度，提高工作效率，缩短公路设计周期，为既有的及今后的桥涵维修加固提供依据，一定条件下，也能对全省的路桥管理提供便利。
六.有关指标
1.技术指标:
广东软件评测中心于日对科技项目《广东省公路工程水文设计检算系统》的功能适合性、易用性、可靠性、互操作性和用户文档进行了&软件科技成果鉴定测试&，并于日提供了《软件测试报告》。测试结论：通过。
测试表明，主要的业务处理功能符合用户文档的相关描述和要求；易用性方面，系统界面各元素分布合理，各种操作提供必要的提示信息，具有较好的易用性；可靠性方面，系统能较好地屏蔽用户操作错误和异常情况对系统的影响，具有较好的可靠性；操作方面系统支持EXCEL、ACCESS、ORACLE等软件之间进行数据的导进与导出，能与源数据保持一致；用户文档方面，用户手册描述信息正确完整，对软件操作附加部分图片说明，易于理解，具有较好的游览性。
2008年10月本项目通过广东省交通运输厅科技鉴定，成果达到国内领先水平。根据《科学技术成果鉴定办法》，综合鉴定意见如下：
一、课题组提供的技术资料齐全，符合技术鉴定的要求。
二、该系统是根据广东省公路水文勘测设计的需要而开展的研究，选题合理，实用性强。
三、该软件系统以&公路工程水文勘测设计规范&、&铁路工程水文勘测设计规范&为依据。由&形态勘测&、&画流域图&、&流量计算&、&桥孔布置&、&大中桥孔径检算&、&小桥涵洞的孔径检算&、&一次性桥梁水文检算& 、&查询服务&等模块组成。使用人机对话模式，操作简单，实现了水文检算的可视化。
四、该软件系统收集了广东省的历史雨量资料，包含了广东省现行使用的流量计算方法。利用数据库技术保存水文计算全过程，自动生成水文计算报告，提供详细的所用规范条文、公式、符号意义和相应数值，便于校核检查。
五、首次将该软件应用到佛开九江大桥、广河高速公路广州段和东岸大桥等项目，通过本项目的使用，可以大幅提高设计效率。
综上所述，该成果有较好的社会经济效益，在国内公路工程水文设计检算系统软件方面具有创新性，达到国内领先水平，可以推广使用。
建议随着广东省雨量流量资料的更新，不断补充扩展软件，进一步优化界面。
2.经济指标:
本项目可带来以下经济效益：
⑴指导我省已建公里高速公路和其它公路的道路通行能力的评价与分析；
⑵指导我省待建公路高速公路前期预可行性研究、工程可行性研究、初步设计等，科学合理地确定建设规模、技术标准；
⑶指导交通规划、交通管理、道路安全评价、道路使用效益评价等一系列专业实施性工作。
社会效益：
本课题的研究，使我们的公路建设提供合理的标高、桥孔布置及其他水文参数，使之与水文气候环境相谐调，进而减少或减弱洪水灾害的发生，促进公路建设与环境的和谐发展；大大提高了公路水文计算的工作效率和准确性，缩短了公路设计周期；能形成一个有效的数据库，为防洪加固提供理论指导，为路桥管理提供支持。
七.国内外同类成果比较
国际上有些水文计算软件，如美国的Aquaveo WMS 8.0/ EMS-I WMS 7.0
等。国内,海地桥涵水文综合分析系统(Hard Bridge Flow)是一套专用于桥梁及涵洞水文计算 的软件,黑龙江省公路勘察设计院的&大中桥水文计算软件包&和&小桥涵水文计算软件&，中交二院武汉金思路软件公司开发的桥梁水文计算程序Hydro等。与国内外同类技术相比，本项目具有如下特点和优势：
第一，与国外软件相比，由于水文具有很强的地域性，国外适用的计算方法和模型，在中国就不一定正确。
第二，本程序是公路工程的综合性软件，程序从结构物定位到冲刷防护都能一次性完成，各阶段的计算数据直接引用，能大大提高运行速度，减少误操作，提高准确性。
第三，水文资料的收集是水文计算的生命源泉。本科研将广东省自解放以来的水文资料均收集储存在数据库中，并与地理位置直接挂钩，从而将设计计算人员从繁重的数据收集工作中解放出来，很大程度的提高了设计效率，加快了工程的设计进度。
第四，本程序由生产一线人员和资深公路水文专家组成研发组，使开发出的软件既满足理论规范要求，又符合实际生产习惯,软件具有很强的实用性。
第五．本程序计算由于基本资料齐全，计算速度快，相比于其他程序而言，效率最小提高二倍以上。
第六．本程序由于具有强大的数据存取功能，有利于以后的桥梁管理。
以上的比较说明，本课题研究成果具有强大市场竞争力，能产生较好的效益。
八.推广应用实例总体情况
1.推广应用实例:
应用成果名称&
应用工程名称&
应用单位名称&
应用工程省份&
已销售数量：0
3.技术、工艺和材料类:
总体情况实例个数：13
应用工程类型&
应用工程规模&
广河高速全线水文设计&
江番高速全线水文设计&
佛开高速九江大桥扩建工程。&
广河高速公路广州段工程桥涵水文设计&
广梧高速公路河口至平台段&
九.相关附件材料
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