吳 昊

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司，北京 100055)

既有白城至阿爾山鐵路改造小流域徑流計(jì)算方法

吳 昊

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司，北京 100055)

根據(jù)本工程沿線勘測(cè)結(jié)果，利用地方暴雨徑流計(jì)算公式和鐵三院山丘區(qū)暴雨徑流計(jì)算公式計(jì)算出的流量和用形態(tài)法推算出的流量進(jìn)行比較分析，選定了沿線地面暴雨徑流的計(jì)算方法和參數(shù)取值。

水文計(jì)算 重現(xiàn)期 水文斷面 比降 形態(tài)法

小流域暴雨徑流計(jì)算是確定橋式方案是否合理及孔跨是否滿足要求的主要依據(jù)。同時(shí)，小流域暴雨徑流計(jì)算也會(huì)通過(guò)控制線路高程、橋長(zhǎng)等因素對(duì)全線工程造價(jià)產(chǎn)生較大影響。

既有白阿線自東南方向白城的芒罕屯車(chē)站至西北方向的阿爾山北站，途經(jīng)車(chē)站為大石寨、德伯斯、索倫、明水河、五叉溝、白狼、阿爾山、新伊爾施，線路全長(zhǎng)197.9 km。

線路位于內(nèi)蒙古自治區(qū)興安盟科爾沁右翼前旗及阿爾山市境內(nèi)，總的地勢(shì)由東南向西北逐漸增高，海拔高程400～900 m，相對(duì)高差20～200 m，平均自然坡度為6‰～25‰。線路由東南向西北依次分為低山丘陵區(qū)及低中山河流寬谷區(qū)等。

徑流條件：測(cè)區(qū)內(nèi)的河流以大興安嶺為分界，大興安嶺東南側(cè)為松花江水系的歸流河、洮兒河，大興安嶺西北側(cè)為額爾古納河水系的阿爾善高勒、勃爾古高勒。

驗(yàn)證典型工點(diǎn)選擇：在區(qū)間范圍內(nèi)選擇水文條件較為典型的河溝進(jìn)行驗(yàn)證，即要求與線路的交叉點(diǎn)處河溝水文斷面穩(wěn)定，溝形順直，且水流通暢，河床沖淤變化小并有可靠洪水位基準(zhǔn)點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查資料詳細(xì)，以保證形態(tài)法的正確性。

1 計(jì)算公式說(shuō)明與驗(yàn)證方法

本線主要經(jīng)過(guò)歸流河流域和洮兒河流域，沿線絕大部分為山區(qū)，有大量的溝谷，主槽很明顯，夏季雨量比較集中，容易造成短時(shí)的洪澇災(zāi)害，且地處山區(qū)，周?chē)藷熛∩伲o小流域驗(yàn)證帶來(lái)一定的困難。

1.1 驗(yàn)證方法

根據(jù)工點(diǎn)處的暴雨徑流計(jì)算公式、鐵三院小流域暴雨徑流計(jì)算方法計(jì)算出的流量與用形態(tài)法推算出的流量進(jìn)行對(duì)比，確定工點(diǎn)處小流域暴雨徑流計(jì)算方法與參數(shù)是否正確。

1.2 公式說(shuō)明

(1)形態(tài)法

調(diào)查歷年水位發(fā)生的年份及洪水位。調(diào)查水位發(fā)生的年份以確定洪水的頻率，調(diào)查洪水發(fā)生時(shí)的情況。為保證資料的可靠性，既要深入現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查取證也要到水利部門(mén)收集相關(guān)水文資料驗(yàn)證?，F(xiàn)場(chǎng)找到并詳細(xì)詢(xún)問(wèn)當(dāng)?shù)鼐用?，整理出較為可靠的歷史洪水位點(diǎn)的平面位置、高程。

現(xiàn)場(chǎng)選取至少兩個(gè)有可靠洪跡點(diǎn)的斷面計(jì)算。斷面盡量選擇河道順直，水流順暢，河灘窄，且無(wú)河汊及支流匯入，河底沖淤變化小的點(diǎn)位計(jì)算。確定洪水比降時(shí)采用歷史洪水位的走向線，參考水底線和常水位線綜合確定。在天然河槽中，洪水并不一定符合恒定均勻流的規(guī)則，水面比降會(huì)隨水位的變化而轉(zhuǎn)變。

整理外業(yè)資料，劃分河槽并確定參數(shù)，根據(jù)河流的標(biāo)準(zhǔn)斷面和坡度算出在此水位對(duì)應(yīng)的流量，最后根據(jù)洪水發(fā)生的年份確定其重現(xiàn)期。利用本地偏差系數(shù)(Cs)、變異系數(shù)(Cv)之間的關(guān)系及兩次不同重現(xiàn)期流量，推求設(shè)計(jì)流量換算系數(shù)X(T1/T2)值，以推求百年流量。

(2)地區(qū)公式法

經(jīng)查閱《吉林省水文圖集》，本次勘測(cè)范圍均位于水文圖集所包括的區(qū)域內(nèi)，故此次水文計(jì)算公式采用吉林省的地方法。

吉林省地區(qū)暴雨計(jì)算公式：

洪峰流量計(jì)算公式

式中Qm——最大流量/(m3/s)；

φ——徑流系數(shù)；

S——雨力，即最大1 h的雨量/mm；

n——暴雨指數(shù)；

τ——匯流歷時(shí)/h；

F——流域面積/km2。

各種重現(xiàn)期年最大24 h暴雨量的推算，可在吉林省水文圖集中最大24 h暴雨均值等值線圖(水文圖18)查取均值，再在吉林省水文圖集中最大24 h暴雨變差系數(shù)(Cv)等值線圖(水文圖19)上查取(Cv)值，用(Cv)值皮爾遜Ⅲ型曲線的模比系數(shù)KP值表(附表二)查KP，偏差系數(shù)CS統(tǒng)一采用3.5倍變差系數(shù)即CS=3.5CV，用下式計(jì)算

式中H24P——不同重現(xiàn)期的年最大24 h暴雨量/mm；

KP——模比系數(shù)；

H24——年最大24 h暴雨量均值/mm。

SP=H24P·(24)n-1

τ～φ間存在下列理論關(guān)系

式中τ0——為當(dāng)某流域上徑流系數(shù)φ=1.0時(shí)的匯流時(shí)間；

L——主河長(zhǎng)度/km；

J——河道坡度；

m——匯流參數(shù)。

徑流系數(shù)φ值根據(jù)流域平均入滲率μ值來(lái)確定。

當(dāng)τ

當(dāng)τ>tc時(shí)

式中tc——產(chǎn)流歷時(shí)/h；

μ——損失參數(shù)，是tc歷時(shí)內(nèi)的平均損失率/(mm/h)。

當(dāng)采用實(shí)測(cè)資料進(jìn)行分析時(shí)，由于雨量和流量都是實(shí)際觀測(cè)值，則可在一定的概化和假定條件下反求參數(shù)μ和m值。

設(shè)計(jì)最大洪峰流量計(jì)算步驟如下。

①根據(jù)地形圖量算流域特征F、L、J；

③根據(jù)設(shè)計(jì)暴雨和降雨徑流關(guān)系計(jì)算Sp、hR、tc；

tc的計(jì)算方法，采用簡(jiǎn)化公式如下

④根據(jù)tc判斷和計(jì)算μ值；

當(dāng)tc≤24 h

當(dāng)tc≥24 h

⑤根據(jù)公式

計(jì)算τ0或由諾模圖查τ0值；

即求得最大洪峰流量Qm。

(3)鐵三院方法

根據(jù)本次勘測(cè)范圍內(nèi)的地形選用如下公式

式中，C2參數(shù)可按下式計(jì)算

式中，β0、γ0、m0、A4均為參數(shù)，可從《水文手冊(cè)》表5-21查取。

Sp——頻率為p的雨力/(mm/min)。

P0——參數(shù)，可按下式計(jì)算

上式N0為參數(shù)，可從《水文手冊(cè)》表5-21查取。

g0為參數(shù)，可按下式計(jì)算

g0=1+m0·P0

n——暴雨衰減系數(shù)(本次驗(yàn)證由當(dāng)?shù)厮氖謨?cè)查得)；

L4——流域長(zhǎng)度，從分水嶺算起/km；

I4——流域坡度，從分水嶺算起，用加權(quán)法計(jì)算；

F——集水面積/km2；

η——為暴雨點(diǎn)面折減系數(shù)，從《水文手冊(cè)》表5-8查取。

2 驗(yàn)證實(shí)例

驗(yàn)證一：保門(mén)河2號(hào)橋

基本數(shù)據(jù)：F(匯水面積)=10.65 km2

(1)形態(tài)法

根據(jù)既有幾個(gè)河流的不同重現(xiàn)期的流量比值X(T1/T2)以及重現(xiàn)期T1、T2查《水文手冊(cè)》附錄6得CV值，并與地方經(jīng)驗(yàn)資料《吉林省水文圖集》比較最后確定CV值。然后根據(jù)竣工圖資料Q1/T2、CV值查《水文手冊(cè)》附錄6得X(P/T2)， 推算得Q1/100。經(jīng)驗(yàn)證本段可使用參數(shù)為CV=0.6

得出：Q1%=157.42 m3/s。

(2)地方經(jīng)驗(yàn)公式

經(jīng)查閱《吉林省水文圖集》，本次勘測(cè)范圍均位于水文圖集所包括的區(qū)域內(nèi)。

降水量變差系數(shù)Cv=0.6；查得K1%=3.2；

代入公式求得

Q1%=135.79 m3/s

(3)鐵三院法

代入公式求得

Q1%=127.04 m3/s

同樣，可得其他工點(diǎn)的流量計(jì)算。

3 驗(yàn)證分析

限于沿線山區(qū)人煙稀少，本測(cè)段從白阿線沿線選出5處較為典型的小面積流域作為驗(yàn)證的工點(diǎn)，結(jié)果見(jiàn)表1～表4。

表1 地區(qū)公式法計(jì)算參數(shù)及結(jié)果

表2 鐵三院法公式計(jì)算參數(shù)及結(jié)果

表3 形態(tài)法、吉林省地方法、三院法流量對(duì)照

表4 吉林省地方法、三院法與形態(tài)法流量比例對(duì)照

三院法、地方法計(jì)算結(jié)果與形態(tài)法比例關(guān)系如圖1所示。

圖1 三院法、地方法計(jì)算結(jié)果與形態(tài)法比例關(guān)系

4 結(jié)論

小流域暴雨徑流計(jì)算和流域內(nèi)的氣候、地貌、地形、地質(zhì)等有著很大的關(guān)系，通過(guò)以上的驗(yàn)證工作及數(shù)據(jù)處理，得出如下結(jié)論：

吉林省地方法的計(jì)算結(jié)果大部分比三院法的計(jì)算結(jié)果偏大，二者的計(jì)算結(jié)果比較接近，最大的偏離為24%。從結(jié)果中可以看出，流域面積越小，兩者之間的差距越大，流域面積適中的時(shí)候，兩者算出來(lái)的結(jié)果相差不多，流域面積較大相差也比較大。從計(jì)算公式和說(shuō)明可以看出，三院法考慮的因素比較綜合，公式較全面。本方法主要適用于華北地區(qū)和東北地區(qū)，覆蓋面較廣，很多參數(shù)考慮了較多的情況，如植被、河流溝床附近的地形等，計(jì)算出來(lái)的結(jié)果有一定的規(guī)律趨勢(shì)。地方法是根據(jù)當(dāng)?shù)氐乃臈l件制定的，公式較簡(jiǎn)單，基本上可以反映此地的水流情況，由于處于大興安嶺地區(qū)，影響流量的因素較多，故地方法和三院法的計(jì)算結(jié)果與實(shí)地調(diào)查的結(jié)果都有一定的偏差。

結(jié)論：本次勘測(cè)范圍內(nèi)采用地方經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算流量較為合理。

[1] 鐵道部.鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)：橋渡水文[M].北京；中國(guó)鐵道出版社，1999

[2] 吉林省水文總站、吉林省水文勘測(cè)設(shè)計(jì)院.吉林省水文圖集[R].長(zhǎng)春：吉林水文總站，1974

[3] TBJ17—86鐵路橋渡勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

TheCalculationoftheSmallWatershedRunofffortheReconstructionoftheExistingRailwayfromBaichengtoArxan

WU Hao

2014-09-16

吳 昊(1981—)，男，2004年畢業(yè)于西南交通大學(xué)土木工程專(zhuān)業(yè)，工學(xué)學(xué)士，工程師。

1672-7479(2014)06-0054-03

P641.1

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