兰州深安黄河大桥水文初步分析计算

兰州深安黄河大桥水文初步分析计算

黄委会上游水文水资源局

二○一○年九月

第一章 大桥处河道基本情况

黄河兰州段自西柳沟起至桑园峡火车站河段总长44.8 km，总落差33.28 m，河段平均比降0.74 ‰。河道蜿蜒曲折，川峡相间，一束一放。峡谷地段河道狭窄，水流湍急；川地河段地势平缓，水流缓慢，河道宽浅，支流比较发育，平面结构呈不对称树枝状分布。兰州深安黄河大桥位于兰州市西固区与安宁区之间，南起西固区深沟桥，横跨黄河连通北岸的安宁区，距上游西沙黄河大桥约15km，距下游银滩黄河大桥约5km，大桥两端规划道路T088#路和T520#路为东北—西南走向，是城市骨干路网规划位于城区西部的一条城市主干道，横跨黄河，并与黄河南岸的南滨河路、黄河北岸的北滨河路相交。深安黄河大桥桥位处跨黄河河床、河漫滩、II级阶地等不同的地貌单元，地形起伏较大。深安黄河大桥桥位处南岸，位于南滨河西路崔家大滩地段。地面标高1527.80一l530.80。根据1976年原始地形图，拟建桥址处黄河河道宽约500m，河道中间有一宽约300m，长约800m的河心滩将河流分为南北两条，南岸崔家滩水源地的取水井基本沿水边线20m外呈线形布置。随着城市规模的不断发展与扩大，尤其是上世纪八十年代至九十年代以来，南北两岸抢占河滩，修建滨河堤坝与道路，逼水北迁归槽，形成目前的人工河道断面。目前河道宽约300m，与1976年原始河道相比，减小了近200m，其中，南岸已将原河心滩南侧水道填平，河道新岸北迁至河心滩的中部，距水源地取水井约150m，北移距离达130m左右。以上资料表明，拟建桥址段黄河河床在人类工程活动影响下，其

平面变迁幅度是比较大的。

由于河道内地形变化复杂，导致大桥处断面变化复杂，但总的趋势是：断面基本呈U型河道,主流靠左岸，拟建大桥断面距上游兰州水文站断面12.5km,平均比降为0.98‰。大桥处水流流向基本垂直断面线，河床主要由卵石、砂卵石、沙壤土组成。

第二章 水文、泥沙、气象特性

１、水文特性：兰州以上黄河干流全长2119km，占黄河总长的38.9%，黄河兰州段长45km，占兰州以上干流长的2.124%。黄河兰州水文站的集水面积222551km2，占黄河总面积的29.6%;兰州段汇水面积约1800km2,占兰州以上黄河汇水面积的0.8%,兰州以上黄河干流平均比降1.38‰；兰州段河床比降平均1.0‰。

深安黄河大桥位于兰州水文站上游12.5km处，区间无较大支流汇入，加入水量甚微。径流设计采用的资料系列为1919～2000年，共81年，大桥处多年平均径流量328亿m3，多年平均流量1040m3/s。

黄河上游径流主要为流域内降水形成，以雨水补给为主，雪水补给为辅，径流中地表径流约占60%，地下径流约上中40%，径流年内和年际变化随降水多少和气温高低而变化，全年3月下旬～5月为春汛潮，由融雪补给和河水解冻形成，6～9月为夏秋洪水期，即为黄河汛期，由大面积降水形成，个别年份可延止10月中上旬，10月下旬以后为秋季平水期，以河槽储量及地下水补给为主，逞退水趋势。12月至来年3月中旬为冬季枯水期，全靠地下水补给，最小流量多出现1～2月份。

兰州以上黄河上游由于面积大，又有天然湖泊、沼泽的调蓄，径流

变化相对稳定，径流的年内分配7～9月份占47%，2月份最小。年际变化不大，变差系数CV=0.23。存在连丰连枯交替现象，以三年小周期较明显，并存在连续7年的丰水段和十一年左右的枯水段，包括丰、平、枯在内的较完整水文周期约60年左右。

随着上游梯级水库的兴建，黄河上游已成为典型的蓄水河流，亦即为人造河流，在梯级水库联合调节作用下，使径流的年际，年内变化趋势向于均匀化，随着黄河兰州段渠化堤岸线的日致完善，使人造河流更加名符其实，特别是龙羊峡和刘家峡水库的调节，使径流的年际，年内变化趋势均匀，枯水期12月—3月径流量占年径流的百分数由天然情况的11.4%增加到23.6%，汛期7—10月由天然的59.4%降至42.9%。

２、泥沙特性：兰州站沙量来源于刘家峡水库的下泄沙量和刘家峡水库至兰州站区间的产沙。刘家峡电站自1969年投入运行以来，黄河干流及支流大夏河的来沙被刘家峡水库拦蓄，而支流洮河库容已基本淤满，洮河入库泥沙几乎全部出库。刘家峡水库下游的盐锅峡及八盘峡水库已淤积平衡，对悬移质泥沙的拦截作用均不大。因此工程建设河段泥沙来源于刘家峡水库的下泄沙量和湟水河。工程所在位置悬移质年输沙量采用兰州站统计结果，

根据兰州站1935～1968年实测资料统计，天然情况下兰州站多年平均年输沙量为1.23亿t，汛期6～9月沙量占全年的88%，年平均含沙量3.8kg/m3，实测最大断面平均含沙量329 kg/m3（1959年7月27日）。

根据刘家峡水库蓄水运用后兰州站1970～2000年实测资料统计，多年平均流量959m3/s，多年平均悬移质输沙量为5110万t，比天然

情况减少了58.5%。兰州站统计结果为5110万t，大桥处悬移质年输沙量的推算,因距兰州站距离仅2.6km,期间又没有大的支流汇入,故直接采用兰州站统计结果为5110万t，汛期6～9月沙量占全年的90%。年平均含沙量1.69 kg/m3，6～9月平均含沙量3.22 kg/m3，实测最大断面平均含沙量306 kg/m3（1970年8月15日）。输沙量年内分配见表2.1。

表2.1 兰州站输沙量年内分配统计表

由于刘家峡水库进行洮河异重流排沙及区间支流湟水来沙，7～8月常出现量级不等的连续沙峰，可延续8～17天，一次沙峰过程约1～8天，其中沙峰段持续时间6～12h。

距兰州站上游48km的黄河左岸有支流庄流河，根据红崖子水文站（流域面积4007km2）26年（1956～61、68～87年）资料统计，实测多年平均流量3.7m3/s，悬移质年输沙量164万t,年平均含沙量14.1kg/m3，断面最大断面平均含沙量514kg/m3，但沙峰黄河干流沙峰并不遭遇。

根据刘家峡水库建库前、后的兰州站1957～1968年、1971～1999年实测悬移质颗粒级配资料统计，悬移质中数粒径建库后为0.021mm，平均粒径建库后为0.033mm，均比建库前细，见表2.2。

表2.2 刘家峡水库建库前后兰州站泥沙粒径变化对照表

八盘峡水库以上的河床中的卵石推移质分别被上游各水库拦截，床沙中的沙质推移质将随水库的淤积平衡而排向下游，因此兰州站推移质沙量由八盘峡出库的推移质和八盘峡～兰州站区间推移质沙量组成。

兰州站悬移质颗粒级配中d＞0.5mm的粗沙占悬移质总数的0.1%，可把这部分视为八盘峡排向下游的沙质推移质，每年约5.11万t，约合2.84万m3。

八盘峡至兰州站区间面积6751km2，其中庄浪河面积占了区间面积的60.8%。推移质主要为砂砾石及沙壤土，输沙量较少。

３、气象特性：兰州地区地处中纬度大陆内部，为温带半干旱大陆性季风气候。其特点是冬季受蒙古高压控制盛行西北风，造成极地寒流南侵，气候干冷；夏季受大陆低气乐控制盛行西南风，太平洋热带气团可以抵达本区，气候相对温热为季风气候。但由于距海较远，太平洋热带气团到本区强度减弱，大陆性增强，因此为大陆性季风气候区。

兰州平均气温为9.2℃，最冷月为一月份，月平均气温为-6.4℃，最热月为七月份，月平均气温为22.3℃，极端最高气温为39.1℃，极端最低气温为-21.7℃。地面平均冻结日期为11月29日，解冻日期2月5日，最大冻土深度以一月份为最高，达l03cm。兰州年降水量仅320.2mm，年蒸发量达l448.7mm。兰州站气象特征统计见表2.3。

表2.3 兰州站气象特征（1951～1990年）

4、建设项目区水温、冰情概况

刘家峡水库蓄水后由于水库水体对水温的调节作用以及水库出流携带热量加大，使水库下游兰州水文站的水温年内变化幅度较天然情况要

小，冬季12～2月水温明显升高，三个月水温较蓄水前提高11℃；年内最高水温23℃，较天然情况下低2.2℃。

根据兰州站1935年至今的冰情资料统计，1961年以前封冻年份占实测年份的77%，自盐锅峡水库1961年蓄水运用以来，兰州站再未出现过封冻现象，自1969年刘家峡水库运用后，兰州站冰情消失。

大桥位置距上游兰州水文站2.6km,工程位置处不会有冰情出现。

第三章 河道演变

河道演变分析采用1973、1980和1993年出版的1:5万地形图、兰州市城市总体规划图（城区1996-2010年），桥址断面选取兰州水文站断面1964～2006年间不同时期的实测断面淤积资料，结合河道地形、地貌、河床组成等，对河道演变做出定性说明。

3.1 河道历史演变概况

工程跨河位置位于西沙黄河大桥至银滩黄河大桥之间。此段黄河水流流向自西北向东南方向，河道平均宽度400m左右，黄河两岸均为近几年修建的砌石大堤及南北滨河路，该河段地质构造条件较好，经考证和查阅历史资料以及从1973、1980和1993年1:5万地形图对照，桥址处河段平面形态稳定，历史上未曾发生改道和河道变迁状况。

3.2 河道近期演变分析

拟建深安黄河大桥位于固安大桥和银滩大桥之间。此段黄河水流流向自西北向东南方向，河道平均宽度400m左右，黄河两岸均为近几年修建的砌石大堤及南北滨河路。

2005年3月兰州市南滨河西路拓建工程竣工通车, 道路东起南滨河路小金沟，西至西柳沟，全长15.6公里，为一级城市主干道。

2007年12月北滨河西路农沙段拓建工程竣工通车,东起甘肃农业大学，西至西沙黄河大桥，全长10.3公里, 为一级城市主干道。

西沙黄河大桥至银滩黄河大桥之间，2000年以前，除部分挖沙者，人为造成的河道演变外，基本上为原始河道，由于此段南岸兰炼、兰化、崔家大滩；北岸的夹河滩、刘家滩、农大修有防洪堤，当流量超过4000m3／s时，河北岸营门滩开始淹没，1981年大水时，流量为5600m3／s，营门滩全部淹没，退水后，河道未造成河道大的变化。因此，此段河道演变，主要分析河道内冲淤变化。

由于桥位处没有历年实测断面资料,现分析兰州站河道内冲淤变化情况。

桥位距下游兰州水文站断面13.5km，桥位处河道、断面及河床组成基本与兰州水文站断面一致。

兰州站历年大断面套绘河床冲淤变化分析

兰州站自建站至今曾发生过六次特大洪水，黄河兰州段河道平均比降为1‰,比降大 ,则水流的挟沙能力大,反之, 水流的挟沙能力低。兰州段来水来沙，主要是刘家峡水库排水排沙，湟水河、庄浪河、雷坛河等大小沟壑来沙，刘家峡水库排沙，多为细纱，水过沙过，一般不会造成淤积。

根据兰州站不同时期， 1967年、1979年、1981年、1985年、1998年、2000年、2006年；七年实测大断面资料，通过河道大断面图套绘分析、实际查勘和调查，河道自兰州水文站建站至今的七十四年中基本稳定，两岸边基本无变化。1979年与1967年比较，主河槽没有较大变动，起点距150～190m处断面发生淤积，通过量测计算，淤积厚度约1.3m左右，右岸微冲，冲刷厚度约0.4m；1981年汛前与1967年比较，左岸起点距140m处断面发生淤积，淤积厚度约2.0m，1981年汛前与1981年汛后比较，81年9月大水过后，河床最大冲刷达3.1米，河床与1967年河床基本相同，1981年汛后与1967年比较，起点距140m～200m之间，河道有冲有淤，冲淤基本平衡；1981年与1985年比较，主河槽左岸淤积（起点距100～190m之间），淤积厚度约1.1m，左岸微冲，冲刷厚度约0.6m；1998年和2000年、比较，河道有冲有淤，淤积厚度约1.3m，冲刷深约0.5m，2000年与2006比较，两岸黄河大堤修整后，河道断面冲淤变化不大，断面趋于平衡状态。从总的趋势看，1967年到1981年汛前河道处于淤积状态,平均淤积厚度0.64米，1981年9月大水过后,河道最大冲刷了3.1米, 平均冲刷厚度1.1米，自1981年汛后开始，到2000年以前，河道处于淤积状态，平均淤积厚度1.1米，基本恢复到1981年汛前状态，大堤修整后，河道断面冲淤变化不大，2000年与2006年比较，平均淤积厚度0.1米，已经达到冲淤平衡状态。见附图3.2

据对刘家峡水库建成前后实测的输沙量和悬移质颗粒级配资料统计分析，多年平均输沙量建库后比建库前减少了58.5%；悬移质中数粒径

和平均粒径由建库前的0.024mm、0.043mm减少到0.021mm和0.033mm，建库后将比建库前细。

综上所述，该河段来沙量减少，沙粒细化，冲刷减轻。这是因为龙羊峡、刘家峡水库建成后，根据两库的调洪原则，当发生100年一遇洪水时，最大泄量较最大来水量相比，龙羊峡减少25.8%，刘家峡减少22.0%，由于两水库的调节作用，使洪峰流量减少，径流的年际内变化趋于均匀，水流对河床的冲刷力减弱。因此，近期内造成该河道冲刷将减轻。工程跨河位置实景图见图3-1，兰州站历年实测大断面套绘图见图3.2，固安黄河大桥实测大断面图见图3.3。

图3.2 黄河兰州站历年大断面套绘图

图3.3 深安黄河大桥桥位断面图

3.3 河道演变趋势分析

3.3.1河道纵向变化

（1）河道纵向变化

深安黄河大桥工程处于兰州市西固区与安宁区两岸盆地河谷地段，地质条件较好。河道顺直，河宽约为400m。河床多为卵石和砂卵石等较坚硬的砂石组成，具有一定的抗冲性，且河道比降小，水流相对平稳，若无大洪水，河床纵向变化处于相对稳定状态。

（2）横向摆动变化

该段左岸为北滨河西路，右岸为南滨河西路，两岸均为浆砌石护岸

堤防，约束河道的横向发展，且河岸呈对称的“W”型，抗冲刷性能良好，能够抵御大洪水的冲击淘刷。

由于两岸护堤的作用，限制了河道的平面摆动以及桥位处下游

240m夹心滩的发展，因此可以说，即使主流略有变动，该工程所处河段整体河势不会有横向摆动。

3.3.2河道冲淤变化预测

该项工程所处河段顺直，两岸均为百年一遇防洪标准的浆砌石护岸堤防，宽约400 m，河道无明显切割深槽。从兰州站断面总体冲淤变化情况看，1964年以后，河道呈微淤变化趋势，据量测计算，23年平均淤积厚度约0.8m左右。这是因为兰州断面以上刘家峡水库1968年建成开始投入运行，由于水库对洪水的调蓄作用，使下游河道的洪峰减小，水流对河道的冲刷能力降低，水流挟沙能力相对减小，因此，导致河道呈微淤状态。由此可见，河道在近期内受上下游梯级电站的影响，主河槽冲淤基本处于平衡状态。

第四章 设计洪水计算

4.1 水文资料情况

拟建大桥工程断面下游13.5km处有黄河水利委员会兰州水文站，该站1934年建站，属国家级水文站，兰州水文站以上流域集水面积222551 km2，水文监测资料由专业工作人员观测、整理，资料质量高、可靠性强。由于大桥控制流域面积与兰州站的控制流域面积一致，且区

间无较支流汇入。根据“水文分析与计算”的规定，区间面积与兰州水文站的控制面积相差小于10%，可以将兰州站设计洪水成果直接作为跨河工程设计洪水成果。由此而确定工程建设断面处的水文资料直接用兰州水文站的水文资料进行分析计算。

4.2 设计洪水

洪水设计中为了尽可能多的采用资料系列，不但要用所有的实测资料系列，还要对历史上发生的特大洪水进行考证，以求得较为合理可靠的洪水重现期。为此，洪水计算的资料系列采用1934～2009年的实测资料以及历史洪水调查资料。

4.2.1 洪水成因

黄河兰州水文站以上流域是黄河上游区洪水发源地，洪水类型属中长历时暴雨型洪水。其主要来自吉迈～唐乃亥和循化～兰州两大区间。吉迈～玛曲段是黄河上游降雨量最大的地区，产洪量也最多；玛曲～唐乃亥区间雨量渐少，但地形陡峻，发育V型河谷，洪水汇流快；唐乃亥～循化区间雨量较少；循化～小川区间支流洮河、大夏河的洪水与干流洪水遭遇较多，为黄河上游第二大洪水来源区；小川～兰州区间有支流湟水、大通河汇入，暴雨量大，天然情况下与干流洪水遭遇机会相对较少，但是，在梯级水库长历时调节情况下，增加了与水库泄洪遭遇的机会。分析表明，局地短历时高强度暴雨对支流洪水相对影响较大，对干流洪水影响较小。

黄河上游由于降雨笼罩面积大，历时长，平均强度小，加之湖沼草

地调蓄作用及流域汇流条件因素，洪水过程涨落平缓，历时长，峰型矮胖。黄河兰州水文站一次洪水过程平均30天左右，多为单峰型。大洪水多发生在7月和9月，其次发生在8月、6月和10月中上旬。一般7月份由于气流辐合强烈，雨强较大，历时较短，峰型较瘦；9月份常出现连阴雨天气，雨强小，历时长，峰型较胖。

4.2.2 历史洪水考证

黄河兰州水文站从1934年7月开始就有了观测资料，至2005年已经积累了72年的实测资料系列。历史洪水从文献《甘肃省水旱灾害》上可供考证的文字记载，从天顺五年（1461年）开始就有黄河发生较大洪水的记载，其中比较大的洪水发生在1461年、1827年、1828年、1904年、1909年，文献记载的灾情见表4.2.1。在这5次较大洪水中，1904年的洪水量最大，造成的灾害也最大，所以，人们对该次历史洪水调查工作最为重视，各部门认可的调查洪峰流量为8500 m3/s，这是黄河兰州河段自1461年以来发生的最大洪水。

（1）1904年调查洪水

黄委会、原北京院、西北院曾对黄河上游历史洪水进行多次调查考证，一致认为1904年洪水为黄河上游历史首大洪水。并用多种方法确定黄河兰州水文站洪峰流量为8500 m3/s，最大15 d洪量为87.0亿m3,最大45 d洪量为196亿m3。

（2）1981年实测洪水

1981年洪水是黄河兰州水文站自有实测资料记载以来的最大洪水，

表4.2.1 黄河兰州段历史洪水考证情况一览表※

※表中灾情记载摘自文献《甘肃省水旱灾害》。

其洪峰流量受龙羊峡水库围堰、刘家峡水库调蓄的影响，洪峰流量5600 m3/s (9月15日4时,重现期相当于20年一遇)；还原后洪峰流量7090 m3/s，大于100年一遇洪水。本次洪水的特点是过程线两头缓涨缓落，中间陡涨陡落，洪峰及最大15 d洪量均很大，洪水比较集中。这次洪水主要由降雨形成，雨区主要集中在龙羊峡以上，龙～刘区间及刘～兰区间雨洪均不大，区间洪峰与干流洪峰不相遭遇。鉴于黄河兰州水文站1981年实测资料与历史最大洪峰流量相比流量较小，不作特大值处理。

4.3推求设计洪水

4.3.1大桥过水断面的确定

为计算拟建大桥的设计水位，采用固安大桥～深安大桥（拟

建）～兰州水文站等12个断面断面进行水面线推求计算，共12个断面资料。

断面面积计算公式：

1S2nn(LHi

i1i1)(Li1Hi) i1

上式中：Li—断面起点距

Hi—断面点高程

4.3.2.依据规范

交通部行业标准《公路工程水文勘测设计规范》（JTG C30-2002）。

4.3.3工作内容

1、 水文勘测

坐标采用兰州城建坐标系，高程采用大沽高程系统，拟建大桥高程系统与兰州水文站高程系统一致。

1.1拟建大桥断面测量

水深测量：用水文站专用测深仪进行水深测量。起点距测量：用

Tc1800 Leica全站仪快速跟踪进行定位。

2 、水面比降

深安黄河大桥（拟建）离上游兰州水文站断面2.6km,平均比降约为

1.16‰。

3、含沙量

在深安黄河大桥测量期间，含沙量在0.5kg/m3以下变化。兰州水文站多年平均含沙量2.30㎏/m3。1998～2007年平均含沙量1.15㎏/m3，

3最大平均含沙量52.9㎏/m3，年最大含沙量155㎏/m（1999年8月5日）。

4.3.4兰州水文站频率分析计算

首先收集并统计兰州水文站76年来年最大流量资料，用皮尔逊Ⅲ型曲线，推求兰州水文站理论频率曲线。

历史洪水的重现期由调查资料确定，1461年为首次大洪水，重现期依此为起始点，则：

N=2009-1461+1=549 (年)

其经验频率为： P

经过计算机优化适线。得出统计参数为：

Cs/Cv=3.0。频率曲线见图4-1 Qp3300m3/s110.182% N1549，Cv=0.33，

图4-1 兰州站最大洪水频率曲线（现状）

表4-1 黄河兰州水文站洪峰流量频率计算成果

设计频率计算洪峰流量与兰州市城市防洪标准的比较。由于年洪峰流量采用兰州水文站控制断面的实测最大流量及资料系列截止2009年，计算百年一遇年洪峰流量为6580m3/s，与兰州市城防标准6500m3/s相一致，比较符合实际情况，说明本次设计频率洪峰流量计算可靠性高。

根据兰州河道防洪要求选取百年一遇洪水流量6500m3/s和十年一遇洪水流量4700 m3/s作为本次洪峰推求深安黄河大桥（拟建）相应洪水标准。

4.3.5拟建深安黄河大桥设计水位

本次大桥设计水位采用以下两种方法分析确定。

一是用水力学方法建立桥址断面的水位流量关系曲线；二是采用伯努里方程推求水面线的方法推求，通过两种方法互相检验。

方法一：用水力学方法建立桥址断面的水位流量关系曲线

深安黄河大桥（拟建）断面与兰州水文站测验断面，水沙来源、水沙特性及河床组成基本相同，断面形态相似，由于桥址距下游兰州水文站13.5km，区间无大支流汇入，区间水量可忽略不计，可认为兰州水文站洪峰流量等于深安黄河大桥（拟建）断面洪峰流量。区间有几个排洪沟，平时无水加入，在暴雨时，发生洪水对黄河略有影响，但时间很短，一般情况下暴雨结束，洪水随之结束。有一处抽水泵房，因用水量较小，故忽略不计。

（1）实测桥址处大断面图

采用2010年7月实测深安黄河大桥（拟建）址断面的资料进行绘制。见图4-2。

图4-2 深安黄河大桥（拟建）横断面图 （2）河道比降和糙率的选用

根据兰州站历年实测资料统计与历年水位～糙率曲线分析，确定不同流量下的平均比降和糙率，见表4-2。

表4-2 不同流量下的兰州站平均比降和糙率

由于桥址处百年一遇和十年一遇洪水流量分别为6500m3/s、 4700 m3/s，故深安黄河大桥（拟建）至兰州水文站平均比降选用1.16‰，实

测中高水的糙率选用0.029。

（3）计算绘制桥址断面水位～流量关系曲线

①用实测桥址处断面资料，计算各级水位下的分级面积、水面宽、平均水深、水力半径。②采用曼宁公式计算各级水位下相应流量，建立桥址断面处水位～面积、流量关系曲线。

曼宁公式： QAR2/3J1/2

1

1n

1kJ2

n

式中：Q——流量（m3/s）； A——断面面积（m2）；

R——水力半径，对于宽浅河道（B/H＞100）,水力半径R＝H； k——曼宁系数； J——水面比降（‰）； n——糙率；

桥址断面水位～流量关系计算成果见表4-3和图4-3。

表4-3 深安黄河大桥（拟建）横断面水位～流量关系计算成果见表

图4-3 深安黄河大桥（拟建）水位～流量关系图

通过计算桥址断面百年一遇设计水位为1528.74m，十年一遇设计水位为1527.69m。

方法二：采用伯努里方程推求水面线的方法

根据伯努里方程法分析计算，依据设计单位提供的资料，在工程河段布设12个断面，断面资料根据实测及工程设计单位提供的数据计算，计算各级流量级的水面线。

天然河道的水流一般是非恒定非均匀流。但经验表明，天然河道水力要素随时间的变化是很缓慢的。因此，我们可以近似地认为天然河道的水流运动在一定时间内是恒定非均匀流，这种近似满足中小型天然河道规划设计阶段对水力计算的要求。

计算恒定流一般采用伯诺里方程，即：

VV

Z222Z111hfhj

2g2g

2

2

式中：符号的下表1、2分别代表同一河段的下游断面和上游断 面； hf为沿程水头损失，

hf(V1

2

C1R1V2

22

C2R2)2

2

；

hj

为局部水头损失，

hjV1



2

2gV2

2

2g

；

为局部阻力系数，此河段无明显扩散河段，经过试算，最后确认

各断面采用＝0。

采用二分法试算求解，将伯诺里方程变为：

ZHZ1

V2g



22

V1

2



2222V1V2V1V21222C1R1C2R22g2g

式中：H为上游断面的试算水位，则当Z0时，H即为其解。试算时，将H的范围取为高于河底而低于断面最高点，如果河水超过断面最高点时，断面需要加高。

二分法的具体作法是：先计算河道上半部分，即初设水位为断面最高点，得到Z值，并令Z0=Z，次设水位为河底与断面最高点之间的中点，又得Z值，用Z0Z作判别式，如Z0Z0，表示水面在另一区间，根据判别结果，对新区间继续二分和继续判别，逐步缩小搜索区，直至试算的两个水位差在允许误差范围内为止，从而得出该断面的水位。

（1）兰州站高水水位～流量关系曲线确定

根据黄河兰州水文站1981年特大洪水资料分析，在洪水上涨阶段至峰顶，断面冲刷不大，水位～流量、水位～面积、水位～流速的关系点据分布可绘制成一条关系曲线，说明水位～流量、水位～面积、水位～流速关系是单值非线性关系，差异性不很明显；在洪水落水段冲刷影响才显现出来，水位～流量、水位～面积、水位～流速关系点据的分布明显与涨水段表现出分异性，呈现出两条关系曲线，同水位级下落水段的流量、面积、流速较涨水段大，说明落水段兰州断面才开始冲刷，见图

4-4。因此，高水水位～流量关系曲线确定；低水部分为2002-2009年实测资料的综合线，高水部分根据2010年实测断面资料，用曼宁公式计算，并参照1981年特大洪水资料，按趋势延长得之，见图4-5，本次以兰州水文站高水水位～流量关系曲线作为推算桥址处各种频率（流量）下的设计洪水水位的初始依据。

1518

水位（m）

[***********]1315121511

1000

2000

3000

4000

5000

60007000

3

流量（m/s）

图 4-4 兰州水文站1981年洪水期的水位～流量关系曲线图

图4-5 黄河兰州水文站高水水位～流量关系曲线图

（2）桥址处断面各级水位的推算

①兰州水文站断面采用2010年汛前实测断面资料，河道宽度取护堤之间的断面宽度；桥址处断面采用本次实测大断面。起算水位采用兰州市城防标准（见表4-4）②固安黄河大桥百年一遇和十年一遇的水位采用了兰州市固安黄河大桥方案设计中的值，断面采用2006年上游水文局对固安黄河大桥断面资料。③糙率采用兰州水文站分析资料。

表4-4 兰州水文站城防标准资料

推求桥址处水面线时，以兰州水文站断面为起算断面，根据确定的河段糙率、水位～流量关系曲线上查出百年一遇、十年一遇为起算水位，向上游推算拟建桥址断面和兰州市200年一遇的洪水成果中9#断面相应流量的各级水位（表4-5）。

表4-5 水面线推求兰州站断面设计水位表

根据计算相应流量下的水位在同水位下，兰州市200年一遇的洪水成果中9#断面百年一遇洪水水位与设计值误差为0.01m，说明此方法推求选用参数和方法是合理的。

表4-6 两种方法推求桥位断面设计洪水位成果对比表

拟建大桥设计水位两种方法推求的结果比较接近，用两种方法推求设计水位的平均值作为本次拟建大桥相应流量的设计洪水位。结果见表4-6。由表4-6可知，本次桥址断面百年一遇设计洪水位采用曼宁公式、

伯努里方程，成果分别相差0.14m，说明两种计算成果很接近。因此，通过两种方法的计算分析，确定桥址断面百年一遇设计洪水位为1528.67m，确定桥址断面十年一遇设计洪水位为1527.52m。

4.4壅水计算

黄河深安大桥建成后，6个桥墩在百年一遇洪水位以下，桥墩对过水面积的压缩形成桥址处的整体壅水，天然水面以上壅起的高度为壅水高度。

图4-6 桥墩在桥址实测断面布设图

根据水力学原理，依据桥墩的最大壅水断面和收缩断面列出能量方程，可以解出桥前最大壅水高度，但是由于桥位断面处的水流及河床变化复杂，很多因素难以准确求出，使得计算成果与实际情况相差较大。因此，实际工作中，采用下列近似公式进行计算：

22

Z(vMvch) (4.4.1)

式中：Z-为桥前最大壅水高度;

-为系数，与水流进入桥孔的阻力有关；

vM-为桥下平均流速，单位：m/s； vch-为桥前全断面平均流速，单位：m/s；

由于该河段百年一遇的设计洪峰流量为(Q=6500m3/s)，桥址处河道断面的过水面积1726 m2，桥墩阻水面积Am为223.99 m2，桥下过水面积Aj为1502.01m2，则：

河道的断面平均流速：vch6500/17263.77 (m/s) 桥墩阻断流量：QtnAmvch223.993.77844 (m3/s)

1Qp16500

vM(vch)(3.77)4.05 (m/s)

2Aj21502.01

Qtn844

13%，查相关表得0.07。 QP6500

而

由此得出：

22

Z(vMvch)0.07(4.0523.772)0.15（m）

即桥前壅水高度为0.15 m，由此推算桥下壅水高度为：

1

Z0.075 （m） 2

Z'

壅水曲线全长为：

2Z20.15259 (m) j0.00116L

式中：DZ—桥前最大壅水高度；

j—桥址河段天然水面坡度；

经计算，壅水长度见表4-7，桥位处百年一遇洪水(Q=6500m3/s)时最大壅水范围为259m。

表4-7 按公式计算的壅水高度

本报告系初步水文分析计算，仅限于兰州市深安黄河大桥方案介绍之用，不得用于其他工程应用，其最终结论以审查通过后的防洪评价为准。

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