【摘  要】设计洪水计算是“辽宁中部工业走廊出海通道(鞍山段)跨越海城河牛庄大桥防洪影响评价”重要组成部分。以海城水文站基本资料为基础,根据水利部《河道管理范围内建设项目管理的有关规定》以及《河道管理范围内建设项目防洪评价报告编制导则》,对建设项目设计洪水进行分析计算,从而对跨河建筑物对防洪的影响进行评价。
【关键词】设计洪水;频率曲线;洪峰流量;设计水位;海城河牛庄大桥

1资料选用
1.1基本资料的选用与审查
海城河在海城市市区设有控制站,为海城水文站,站址以上河长56 km,流域面积1 000 km2,1934年设立,1953年后有连续资料。2006年下迁950 m至现在位置,流域面积变为1 001 km2。基本资料选用1953—2009年,连续系列资料57年,经分析计算设计洪水成果可靠。
1.2资料插补延长
此次洪峰流量实测资料系列1953—2009年,计算100年一遇的资料系列相对较短,为此,本次分析计算中,对以下几类资料进行了插补延长。一是与海城站相邻的站只有汤河水库站,资料系列更长,汤河水库站和海城站同属太子河下游山溪性河流代表站,两站相距逾50 km,流域面积相近,河流特性、下垫面条件及气象特点相差不大,因此采用面积比法进行资料的插补延长。汤河水库站流域面积为1 228 km2, 1951年、1952年实测流量分别为719、734 m3/s,计算得海城站流量分别为586、598 m3/s,作为资料插补系列。二是依据《辽河防汛资料汇编》提供的洪水调查资料,1879年最大洪峰流量5 050 m3/s,1888年最大洪峰流量3 080 m3/s,为历史资料系列中最大的2次洪水。
2设计洪水计算方法
2.1经验频率计算
依据中华人民共和国行业标准《水利水电工程设计洪水计算规范》(SL44-93)中的规定,当工程所在地区具有30年以上实测和插补延长洪水流量资料,并具有历史洪水资料时,应采用频率分析法计算设计洪水。频率分析计算公式如下:
海城站历史调查洪水采用如下经验频率公式计算:
PM=×100%(1)
式(1)中:PM为历史特大洪水流量或实测系列中特大洪水流量经验频率(%);M为历史特大洪水流量或实测系列中特大洪水流量在调查期内的序位;N为调查期年数。
实测洪水流量系列经验频率按下式计算:
Pm=+(1-)×100%(2)
式(2)中:Pm为实测洪水流量经验频率(%);α为历史特大洪水的项数;l为实测洪水流量系列中按特大洪水流量处理的项数;mi为按实测洪水流量系列递减次序排列的序位。
2.2理论频率曲线
理论频率曲线采用皮尔逊Ⅲ型分布。
均值计算公式为:
=(Xj+Xi)(3)
变差系数计算公式为:
Cv=(4)
偏态系数计算公式为:
Cs=(5)
采用矩法求得各统计参数,偏差系数CS值,采用CS与Cv的倍比关系、变差系数以及年最大洪峰流量平均值均经过优选。
经验频率的计算方法采用统一处理法。
3设计洪水的计算
3.1海城站设计洪峰流量的推求
根据以上资料进行海城站设计洪峰流量的频率计算,计算结果见表1。
3.2项目位置以上设计洪峰流量的推求
海城水文站以上流域面积1 000 km2,项目位置以上流域面积1 310 km2,因此要进行换算。由于海城站没有控制的支流只有八里河,其地理位置和下垫面条件与海城河其他支流基本一致,可用面积比法确定项目位置以上设计洪峰流量[1-4]。基本公式为:
Qp=Q海×Fp/F海(6)
式(6)中:Qp为项目位置设计洪峰流量;Q海为海城站洪峰流量;F海为海城站以上流域面积;Fp为项目位置以上流域面积。
项目位置100年一遇设计洪峰流量Qp100=4 120×1 310/1 000=5 397 m3/s;50年一遇设计洪峰流量Qp50=3 380×1 310/1 000=4 428 m3/s。
4设计洪水成果及合理性分析
通过以上计算成果,项目位置处100年一遇的设计洪峰流量为5 397 m3/s。采用海城水文站连续58年实测资料,其系列较长,成果精度高,调查资料比较可信;用海城站资料换算工程项目设计洪水,方法得当。又因海城站以上控制面积多为山区,下游平原区洪峰模数相对较低,采用海城站设计成果为基础,对工程设计而言,防洪标准更高,对工程本身更加安全,设计洪水成果是合理的。
5设计洪水水位的推求
选择海城水文站历史最大实测洪峰流量为1985年的2 740 m3/s、1969年的2 030 m3/s、1975年的1 270 m3/s、1970年的874 m3/s,根据公式推算牛庄站洪峰流量分别为3 589、2 659、1 664、1 145 m3/s。牛庄站实测对应洪水位分别为10.52、9.98、8.95、7.96 m,由此可建立牛庄断面水位流量关系线(图1)。由图1和关系曲线公式可推出设计50年一遇洪峰流量4 428 m3/s所对应的设计水位为11.12 m。
根据牛庄站水面高程和桥位设计断面水面高程,计算水面比降。设计桥位断面水位3.379 m,牛庄站断面水位3.044 m,两断面间距1 504.78 m,计算得水面比降为2.23×10-4,利用水面比降推算出桥位计算断面的设计水位为11.46 m。

　 6 设计洪水流速的推求
根据设计洪水位11.46 m,求得断面总面积4 368 m2,其中主槽面积623 m2,滩地面积3 745 m2;总河宽1 215 m,其中主槽河宽140 m,滩地河宽1 075 m;主槽水力半径4.45 m,滩地为3.48 m。
根据海城水文站资料分析确定糙率n主槽为0.029,滩地为0.036。
水面比降I=(3.379-3.044)/1 504.799=2.23×10-4。
设计桥位断面河道比较顺直,水面较均一,河床断面比较规整,因此可作为稳定均匀流河段,用曼宁公式计算主槽和滩地的平均流速。即:
V=×R2/3×I1/2(7)
式(7)中:V为平均流速;n为糙率;R为水力半径;I为水面比降。
求得设计洪峰流量时主槽平均流速为V主=1.39 m/s,V滩=0.95 m/s。
7参考文献
[1] 杨超群,尚立波.关于河道洪水计算的探讨[J].中国科技信息,2010(14):22,27.
[2] 杨丙魁.十里河水库除险加固设计洪水计算[J].科技情报开发与经济,2010(16):193-195.
[3] 胡宝源,李智,陈开煜.中心河水库设计洪水计算方法概述[J].水利科技与经济,2010(1):27-28.
[4] 金勇睿.浅谈泾河东庄水库入库设计洪水计算[J].陕西水利,2009(4):94-95.  

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