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        論流量影響線法參數(shù)誤差對計算流量的影響

        2015-04-24 07:34:00黃存國張洪翠文雨松
        福建交通科技 2015年2期
        關(guān)鍵詞:漲水線法歷時

        ■黃存國 張洪翠 彭 曦 文雨松

        (1.南昌鐵路局,南昌 330000;2.中南大學(xué),長沙 410083)

        1 引言

        設(shè)計流量(或檢定流量)是橋梁設(shè)計和橋梁維護的重要參數(shù)。計算流量的方法有很多,如依據(jù)流量觀測值的數(shù)理統(tǒng)計方法;依據(jù)雨量觀測值的經(jīng)驗公式法、推理公式法、鐵路設(shè)計院法等[1-2]。

        最近出現(xiàn)的流量影響線法也是一種依據(jù)雨量觀測值的設(shè)計流量計算方法,它適用于中小橋涵的流量計算,因為這種方法不需要測量流域面積等外業(yè)資料而被廣泛關(guān)注[3]。

        流量影響線法的依據(jù)參數(shù)是雨量、漲水歷時、退水歷時、河道平均流速等。這些參數(shù)的準確度對正確計算設(shè)計流量和鑒定流量影響程度具有顯著影響。因此本文就各因素誤差產(chǎn)生的影響做出分析和研究,所得結(jié)論可供橋涵水文勘測參考[4]。

        2 流量影響線法簡介

        2.1 流量影響線法的基本原理

        流量影響線法將單位時段內(nèi)的降雨量Ri看成列車軸重Pi,將橋位漲水歷時t1看成簡支梁應(yīng)力計算點到左支座的距離L1,將橋位退水歷時t2看成簡支梁應(yīng)力計算點到右支座的距離L2。這樣利用雨量Ri求流量Q 的水文問題,就變成了利用簡支梁應(yīng)力影響線加載求應(yīng)力的力學(xué)問題[3]。流量影響線法的計算式見式(1),加載過程如圖1∶

        圖1 流量影響線加載示意圖

        式中,Ri—第 時段標定洪水雨量值;

        Q′b(t)—t 時洪水雨量系列橋址斷面處流量;

        Cu(i)—t 時刻第i 時段標定雨量對應(yīng)流量影響線縱標,對未進入或已移出部分取Cu(i)=0。

        2.2 流量影響線法的標定

        由結(jié)構(gòu)力學(xué)可知,使用簡支梁應(yīng)力影響線前,需要確定影響線的最大豎標Ymax??梢愿鶕?jù)簡支梁的截面模量等參數(shù)計算結(jié)構(gòu)力學(xué)中影響線的最大豎標Ymax,這是理論標定法。但最常用的方法是將一臺機車置于橋梁上,實測其最大應(yīng)力,然后反算得到Y(jié)max,這是實驗標定法。

        同樣可以利用實驗法確定流量影響線的最大豎標Cumax。

        取一次洪水為標定洪水,可以實測這次洪水的最大流量Qb,同時實測引發(fā)這次洪水的雨量系列R1,R2…,Ri…Rn。

        假定式(1)中的流量影響線峰值Cumax=1,將R1,R2…Ri…Rn當作移動荷載系列,在流量影響線上加載,按式(1),可以計算出Q′b。

        流量影響線峰值的標定值∶

        2.3 利用流量影響線計算檢定流量

        若式(1)中雨量系列為設(shè)計頻率或檢定頻率對應(yīng)的暴雨量系列,并利用流量影響線峰值的標定值Cumax,就可以確定設(shè)計流量(或檢定流量)Q[5]。

        3 流量影響線法的參數(shù)

        3.1 漲水歷時t1

        流量影響線法計算漲水歷時,本著計算過程簡單、計算結(jié)果可靠的原則,采用下列式(1)進行計算[2]:

        式中,t1——漲水歷時(h);

        L——流域中心到橋址的距離(km);

        V——沿流程平均流速(m/s)。

        3.2 退水歷時t2

        漲水歷時t1確定后,退水歷時t2借助漲、退水歷時之比確定。通過對瞬時單位線和廣東省綜合單位線簡化分析,結(jié)合中小流域的水文特性,并以江西省流域?qū)崪y資料作參照,制定了中小流域漲、退水歷時之比t1∶t2的選取標準(詳見參考文獻3):對于山區(qū)陡峭、植被很差的小流域,可取t1∶t2=1∶3;平原區(qū)坡度較緩、流速較慢、植被較好的中等大小流域,可取t1∶t2=1∶5[3]。

        3.3 雨量荷載R

        雨量荷載R1,R2…Ri…Rn為實際測量數(shù)據(jù),可以到鐵路工務(wù)段或其它雨量站直接查得,分為標定雨量和計算雨量荷載,標定雨量荷載Rb是確定影響線峰值的關(guān)鍵參數(shù),間接影響計算流量的準確性,計算雨量荷載Rn′是確定計算流量的直接參數(shù)。顯然,雨量荷載R 的準確度直接影響最終結(jié)果。

        3.4 標定流量Qb

        確定Qb最好的方法是現(xiàn)場實測。

        對于均勻穩(wěn)定流河段,可以根據(jù)標定洪水在河岸或其它參照物上留下的水痕高程Hs按謝才-曼寧公式確定[7],單式斷面流量計算公式:

        式中,Qb——流量(m3/s);

        n——糙率;

        ω——過水斷面面積(m2);

        I——橋前水面坡度(rad);

        x——濕周(m)。

        復(fù)式斷面流量計算公式:

        式中,ni—河床斷面各部分糙率;

        ωi—河床斷面各部分過水斷面面積(m2);

        xi——河床斷面各部分濕周(m);

        i=1,2,3 分別代表左河灘、河槽、右河灘。

        由此可見,如果現(xiàn)場實測標定流量,則漲水歷時t1、退水歷時t2、標定雨量Rb、雨量荷載Rb′、標定流量Qb是直接影響流量影響線法的參數(shù)。復(fù)式斷面計算流量涉及參數(shù)多,本文分析的參數(shù)誤差影響針對單式斷面進行。

        如果按照滿寧公式計算標定流量,則漲水歷時t1、退水歷時t2、標定雨量Rb、雨量荷載Rb′、標定水位 是影響流量影響線法的參數(shù)。

        4 勘測產(chǎn)生誤差

        流量影響線法需要利用流域參數(shù),其中最重要的是河道長度L。按照現(xiàn)有的測量手段,不可避免產(chǎn)生誤差。精度最高的方法是直接到現(xiàn)場,使用鋼尺丈量,但這種方法需要較多的人力物力。

        隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及,有越來越多的地形圖成果出現(xiàn)在網(wǎng)上。其中,使用最多的是“Google 地球”??梢栽?60 網(wǎng)頁上免費下載“Google 地球”。利用“Google地球”的【標尺鍵】就可以測量河道長度。

        圖2 是外南線流墩河橋在“Google 地球”上測量河道的軌跡。表1 是五次測量此河道的結(jié)果。

        表1 表明,測量結(jié)果的最大值是6.40 公里,最小值是6.23 公里,兩者相差2.65%。

        有必要研究參數(shù)測量誤差對最后結(jié)果的影響。

        圖2 外南線流墩河橋的河道

        表1 外南線流墩河橋的河道測量結(jié)果(km)

        5 單參數(shù)敏感度分析

        5.1 本文分析中的一般參數(shù)取值

        本文采用單參數(shù)的敏感度分析,它類似于控制變量法,即保持其他參數(shù)不變,僅改變其中一個參數(shù)研究計算流量的誤差。

        本文分析中一般參數(shù)采用:降雨過程為均布雨量過程,雨量集度R=20(mm/h);降雨歷時Tb=1(h);加載步長Dt=1/120(h);漲水歷時t1=5(h);退水歷時t2=10(h),標定洪水最大高程Hs=2(m)。

        其中,雨量荷載簡化成如下圖3 所示的20 個集中荷載:

        圖3 雨量荷載示意圖

        5.2 漲水歷時t1 誤差對計算流量的影響

        對于特定的橋位,漲水歷時t1是個常數(shù),但卻是一個很難準確測量的常數(shù),往往采用目測確定,不可能沒有誤差,顯然這種誤差對計算結(jié)果有一定的影響。本文在計算這種影響時,僅改變t1的大小,使其在±10%范圍內(nèi)波動,即t1為4.5~5.5(h),其它參數(shù)按本文分析中的一般參數(shù)取值。

        計算漲水歷時t1的上下波動對計算流量的誤差,圖4 為漲水歷時t1的誤差對計算流量Q 的影響圖。

        圖4 漲水歷時t1 的誤差對計算流量Q 的影響圖

        5.3 退水歷時t2 誤差對計算流量的影響

        對于特定的橋位,退水歷時t2同樣是個常數(shù),但卻是一個很難準確測量的常數(shù),往往采用目測確定,不可能沒有誤差,顯然這種誤差對計算結(jié)果有一定的影響。在計算這種影響時,僅改變?nèi)2的大小,使其在±10%范圍內(nèi)波動,即取t2為9~11(h),其它參數(shù)按“3.1 本文分析中的一般參數(shù)取值”取值。

        計算漲水歷時t2的上下波動對計算流量的誤差,圖5 為漲水歷時t2的誤差對計算流量Q 的影響圖。

        本文對外南線流墩河橋作了計算對比,對比計算中只改變化主河道長度,其它參數(shù)不變。當外南線流墩河橋的主河道長度取6.4 公里時,使用流量影響線法得出百年一遇流量為129.8 立方米/秒。當外南線流墩河橋的主河道長度取6.23 公里時,使用流量影響線法得出百年一遇流量為130.7 立方米/秒。兩者相差0.7%。

        圖5 退水歷時t2 的誤差對標定流量Qb′的影響圖

        5.4 雨量荷載Rb 誤差對計算流量的影響

        雨量是從鐵路工務(wù)段或其它雨量站獲得的,受諸多因素的影響,可能存在誤差,這種誤差對計算結(jié)果有一定的影響。在計算這種影響時,分為標定雨量和計算雨量兩種情況來考慮[7]。

        標定雨量確定標定流量Qb′,由式(2)可知,Qb′直接決定影響線峰值Cumax,進而影響計算流量,根據(jù)計算過程分析可知,影響函數(shù)為反比例函數(shù)形式,Rb在±10%范圍內(nèi)波動,即取值18~22(mm/h),其它參數(shù)按本文分析中的一般參數(shù)取值。

        計算標定雨量Rb的上下波動對計算流量的誤差,圖6 為標定雨量Rb的誤差對計算流量Q 的影響圖。

        圖6 標定雨量Rb 的誤差對計算流量Q 的影響圖

        計算雨量Rb′按式(1)直接計算流量,影響函數(shù)為正比例函數(shù)形式,圖7 為計算雨量的誤差對計算流量的影響圖。

        5.5 標定流量Qb 的誤差對計算流量Q 的影響

        由式(2)可知,在確定流量影響線峰值Cumax時,標定流量Qb在分子上,對計算流量的影響函數(shù)為正比例函數(shù),在上下波動時對計算流量的影響圖的縱坐標對應(yīng)誤差值與圖7 相同。

        圖7 計算雨量Rb′的誤差對計算流量Q 的影響圖

        5.6 標定洪水最大高程Hs 誤差對計算流量Q 影響

        標定洪水最大高程Hs 由外業(yè)測量獲得,受測量儀器精度、洪水時波浪大小的影響,可能存在誤差,這種誤差對計算結(jié)果有一定的影響[8]。Hs 對標定流量的影響是通過對濕周和斷面面積來作用的,本文分析河道斷面采用的是河底寬10m,坡度比m=1 斷面形式,如下圖8 所示:

        圖8 河道斷面分析圖

        在計算這種影響時,Hs 測量誤差是確定的,不隨Hs 變化,但不同的Hs 取值對斷面面積、濕周的計算誤差不同,本文取Hs=2m 分析,僅改變Hs 取值的大小,使其在±10%范圍內(nèi)波動,取橋位處最大水深為1.8~2.2(m),其它參數(shù)按一般參數(shù)采用原則取值。圖9 為標定洪水最大高程 的誤差對計算流量Q 的影響圖。

        圖9 標定洪水最大高程Hs 誤差對計算流量Q 的影響圖

        若按照滿寧公式計算標定流量,則Qb的影響轉(zhuǎn)移到標定水位Hs。此參數(shù)誤差對計算流量Q 的影響與圖9 相同[9]。

        6 基本結(jié)論

        流量影響線各參數(shù)影響計算流量 的影響程度表2所示。

        表2 Q 的參數(shù)敏感度分析匯總表

        6.1 流量影響線是一種可用的方法

        表2 表明,當流量影響線參數(shù)誤差在“-5%到5%”以內(nèi)時,流量影響線法的結(jié)果可用。

        6.2 要特別控制標定洪水最大高程Hs 的精度

        表2 表明,洪水最大水位高程Hs對結(jié)果的影響最大,其誤差應(yīng)嚴格控制在5%以內(nèi)。其它參數(shù)對結(jié)果的影響不大,可以控制在10%以內(nèi)。

        7 結(jié)論

        本文通過對流量影響線法的幾個關(guān)鍵因素進行誤差分析,得到明確且可提供指導(dǎo)意義的研究結(jié)果,為普及流量影響線法的運用提供依據(jù)。

        當“標定洪水高程”的測量誤差控制在5%以內(nèi),其它參數(shù)的測量誤差控制在10%以內(nèi)時,運用流量影響線法計算的設(shè)計流量能夠滿足準確性的要求。

        在本文研究基礎(chǔ)上,還可針對不同河床斷面形式、不同雨量荷載統(tǒng)計周期等方面進行進一步的研究。

        [1]文雨松.橋涵水文[M].北京:中國鐵道出版社,2005.

        [2]鐵道部第三勘測設(shè)計院.鐵路工程設(shè)計技術(shù)手冊:橋渡水文[M].北京:中國鐵道出版社,1999.

        [3]李整.文雨松.流量影響線法及其在中小流域橋梁水文中的應(yīng)用[D].鐵道學(xué)報.2011(06).

        [4]崔陽華,雷明鋒.修正的橋梁水害水位單位線預(yù)警方法研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報,2012,9(3):68-71.

        [5]劉洋宇,李整,文雨松.流量影響線法的可行性驗證分析[J].鐵道建筑,2011(3):23-25.

        [6]張利平,張曉琳,徐霞,等.基于水文模型的雷達監(jiān)測降雨量誤差傳遞研究[J].水文,2012,32(1):13-16.

        [7]胡嫄,李整,文雨松,等.基于流量影響線法的廣東省中小橋換算雨量荷載系列研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報,2011,8(1):29-33.

        [8]王強,文方針.中小流域橋梁設(shè)計流量的H-C-N 法[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報,2008,2008,5(2):42-45.

        [9]賈借峰,趙井衛(wèi),陳客賢.曼寧公式及其誤差分析[J].山西建筑,2010,36(7):313-314.

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