李金銘

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

蘭渝鐵路兩水至廣元段小流域流量計(jì)算與驗(yàn)證

李金銘

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

蘭渝鐵路兩水至廣元段線路經(jīng)過的主要水系為白龍江及其支流、嘉陵江支流。區(qū)域內(nèi)支溝眾多，各支溝流域內(nèi)山高溝深，沿線暴雨參數(shù)取值跨越幅度大，取值分段多。本文用形態(tài)調(diào)查法驗(yàn)證《壹橋8216》計(jì)算手冊在該區(qū)域的適用性，得出較合理的計(jì)算參數(shù)，為蘭渝鐵路兩廣至廣元段沿線橋梁水文設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。研究結(jié)果可為川陜甘交界區(qū)及類似區(qū)域小流域水文計(jì)算分析提供參考。

蘭渝鐵路 水文計(jì)算 小流域 暴雨參數(shù) 形態(tài)調(diào)查法

1 工程概況

蘭渝鐵路兩水至廣元段位于川陜甘三省交界區(qū)域，線路經(jīng)過的主要水系為白龍江及其支流、嘉陵江支流。線路穿越水系如圖1所示。區(qū)域內(nèi)支溝眾多，各支溝流域內(nèi)山高溝深，河道狹窄、彎曲，河床多以卵石為主，夾有片石、塊石及漂石。沿線各支溝大多只是季節(jié)性流水，水流主要由降雨補(bǔ)給。降水分布有明顯的季節(jié)變化，多集中在6—9月。6月中旬和7月上旬多出現(xiàn)暴雨。8月下旬至9月中旬為秋雨連綿的季節(jié)，易出現(xiàn)雨量大、歷時(shí)長的暴雨。雨季的降水量約占全年的50%～60%。降水量自南向北、自東向西逐漸遞減。沿線降雨量西北小、東南大，暴雨參數(shù)S1%取值60～100 mm，跨越幅度大，取值分段多。

線路所經(jīng)過流域以洛塘河分界，小里程側(cè)流域內(nèi)坡面植被較差，風(fēng)化嚴(yán)重，零星生長有灌木及部分喬木，局部地區(qū)巖石裸露，水土流失嚴(yán)重，人為活動(dòng)較為頻繁。尤其是兩水至透防段泥石流較發(fā)育。大里程側(cè)流域內(nèi)植被茂盛，多為省級(jí)自然保護(hù)區(qū)，水土保持較好，人為活動(dòng)較少［1］。

圖1 蘭渝鐵路穿越水系示意

針對(duì)本地區(qū)暴雨參數(shù)取值變化幅度較大及洛塘河兩側(cè)流域坡面及植被差異較大的特殊情況。采用兩種不同的方法對(duì)小流域各參數(shù)取值進(jìn)行驗(yàn)證。洛塘河以北地區(qū)，利用武都?xì)庀笳镜慕涤曩Y料，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)適線法計(jì)算相關(guān)參數(shù)。洛塘河以南地區(qū)，選取漢道河、杜家河、源溪河等3個(gè)小流域河溝進(jìn)行了形態(tài)調(diào)查，并將調(diào)查結(jié)果與據(jù)《壹橋8216》Q－F曲線查得的流量進(jìn)行比較，以此來驗(yàn)證應(yīng)用《壹橋8216》時(shí)各系數(shù)取值的合理性及《壹橋8216》在線路經(jīng)過地區(qū)的適用性。

2 應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)適線法計(jì)算暴雨參數(shù)

隴南地區(qū)線路經(jīng)過區(qū)域內(nèi)人為活動(dòng)較為頻繁，加之泥石流溝較多，每年都在清淤，溝槽形態(tài)變化較大，洪痕難以調(diào)查，無法作形態(tài)調(diào)查。鑒于此，收集武都?xì)庀笳镜慕涤曩Y料進(jìn)行兩水—透防段的小流域暴雨參數(shù)計(jì)算。

由武都?xì)庀笳臼占?970—2000年共計(jì)31年10 min的最大降雨量資料及1969—2005年共計(jì)37年的1 h和24 h最大降雨量資料。

采用文獻(xiàn)［2］第五章小流域暴雨徑流計(jì)算公式計(jì)算暴雨強(qiáng)度、經(jīng)驗(yàn)頻率和理論統(tǒng)計(jì)參數(shù)。以下以武都?xì)庀笳?0 min最大降雨資料為例進(jìn)行計(jì)算。

據(jù)武都?xì)庀笳灸?0 min最大降雨量序列(1 h及24 h暴雨參數(shù)計(jì)算方法與此相同)計(jì)算的統(tǒng)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 武都?xì)庀笳灸?0 min最大降雨量系列參數(shù)計(jì)算結(jié)果

選取變差系數(shù)Cv及偏態(tài)系數(shù)Cs，用P－Ⅲ型曲線進(jìn)行多次適線，結(jié)果見圖2?？芍?dāng)Cv=0.48，Cs= 3.5Cv時(shí)理論頻率曲線與經(jīng)驗(yàn)頻率點(diǎn)吻合得較好。此時(shí)，K1%=2.65，則 H1%=K1%×=2.65×9.27= 24.56 mm。

圖2 P－Ⅲ型頻率曲線適線結(jié)果

同上可計(jì)算得到1 h和24 h最大降雨量系列的暴雨參數(shù)。暴雨強(qiáng)度公式如下

式中:SP為頻率為P的雨力，mm/min;Ht，P為各種時(shí)段t的頻率為P的暴雨雨量，mm;n為暴雨衰減指數(shù)。

對(duì)式(1)兩邊取對(duì)數(shù)得

式中:當(dāng)t以h計(jì)時(shí)SP即相當(dāng)t=1 h的暴雨強(qiáng)度;t≤1 h時(shí)n稱為n1;t＞1 h時(shí)n稱為n2。由式(2)進(jìn)一步整理得P=1%時(shí)暴雨衰減指數(shù)計(jì)算公式為

武都?xì)庀笳颈┯陞?shù)計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 武都?xì)庀笳颈┯陞?shù)計(jì)算結(jié)果

3 流量計(jì)算

采用《壹橋8216》中Q－F曲線求算小流域洪峰流量，除了需知暴雨參數(shù)(n1，n2，S1%)外，還需要知道橋位處匯水面積、土壤損失等級(jí)、地形等級(jí)、坡面流速系數(shù)A2［3］。匯水面積在小比例地形圖上圈繪，再用求積儀求算，也可在計(jì)算機(jī)上圈繪并求得。土壤損失等級(jí)分Ⅱ～Ⅵ類，不同的植被土壤對(duì)應(yīng)不同的等級(jí)，數(shù)值越大，流量損失越大，黏土、風(fēng)化輕微的巖石地區(qū)為Ⅱ類，無植被的松散的砂土為Ⅵ類。地形等級(jí)按流域坡度大小分為高山、低山、丘陵、平地4種。坡面流速系數(shù)與地表特征有關(guān)，取值在0.002～0.055，坡面越光滑，取值越大，植被茂密的森林地區(qū)一般取0.002，瀝青或混凝土路面可取0.045。土壤損失等級(jí)、地形等級(jí)、A2均可自文獻(xiàn)［2］查表獲得。

根據(jù)沿線自南向北降雨量遞減，植被由密變疏的規(guī)律，暴雨參數(shù)S1%取值60～100 mm/h，并以10 mm為一級(jí)差，自南向北遞減。暴雨衰減指數(shù)n1，n2自南向北遞增，在洛塘河以南分別取0.50，0.75，洛塘河以北分別取0.60，0.80。小流域流量計(jì)算時(shí)暴雨參數(shù)取值見表3。

表3 蘭渝鐵路兩水至廣元段暴雨參數(shù)取值

采用《壹橋8216》中Q－F曲線計(jì)算3個(gè)小流域的洪峰流量，計(jì)算參數(shù)取值及計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 Q－F曲線求算典型河溝流量匯總

4 用形態(tài)調(diào)查法推算設(shè)計(jì)流量

4.1 小流域河溝概述

選取漢道河、杜家河、源溪河共3個(gè)小流域河溝進(jìn)行了形態(tài)調(diào)查。下面僅以漢道河為例說明具體的計(jì)算過程。

漢道河為白龍江一級(jí)支流，發(fā)源于川陜交界的秦家埡，流經(jīng)杜家院、徐家院，至上油房，與柳家河匯合，于姚渡鎮(zhèn)周家院匯入白龍江。洪水調(diào)查地點(diǎn)為青川縣姚渡鎮(zhèn)陽山村，詳細(xì)情況整理成《漢道河洪水調(diào)查記錄》。調(diào)查段落河床及岸壁特征為:河道彎曲、狹窄，呈U形，寬15～20 m，為卵石質(zhì)河床，有少量漂石。河床縱坡較大，兩岸為人工干砌片石，河岸彎曲，岸上均為村莊。

4.2 水文調(diào)查與計(jì)算

據(jù)調(diào)查，1998年8月漢道河發(fā)生特大洪水，系當(dāng)?shù)卮迕?年齡78歲)記憶中最大的洪水，洪痕位于陽山小學(xué)一拱橋上，低于拱頂約0.5 m。據(jù)此推算洪水頻率相當(dāng)于50年一遇，洪水位約667.1 m。測得河流斷面、河床縱坡，按照河床特征確定河道糙率，采用謝才—曼寧公式計(jì)算流速和流量。計(jì)算的百年設(shè)計(jì)流量為136.15 m3/s。將其換算為100年一遇的設(shè)計(jì)流量Q1%=1.25×136.15=170.2 m3/s。

同理，通過形態(tài)調(diào)查得到其余2條小河溝的設(shè)計(jì)流量，匯總見表5。

表5 用形態(tài)調(diào)查法推算的典型河溝流量匯總

5 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

將上述3個(gè)小河溝用《壹橋8216》計(jì)算的設(shè)計(jì)流量與用形態(tài)調(diào)查法推算的設(shè)計(jì)流量予以對(duì)比，結(jié)果見表6。

表6 兩種方法計(jì)算的設(shè)計(jì)流量比較

由表6可知，用《壹橋8216》與形態(tài)調(diào)查法所得的流量誤差除杜家河外均較小，在容許誤差范圍內(nèi)，因此可以認(rèn)為在使用《壹橋8216》進(jìn)行小流域流量計(jì)算時(shí)所采用的參數(shù)是合理的。杜家河因河道彎曲、狹窄，水位受河灣超高影響較大，故調(diào)查洪痕較高，推算流量偏大。

6 結(jié)語

由于水文現(xiàn)象的復(fù)雜性，只有應(yīng)用多種方法互相驗(yàn)證并綜合分析來合理選擇參數(shù)的取值，才能取得可靠的小流域設(shè)計(jì)流量。本文將《壹橋8216》小流域流量計(jì)算方法與形態(tài)調(diào)查法相互驗(yàn)證，得出合理的計(jì)算參數(shù)，為蘭渝鐵路兩水至廣元段橋梁水文設(shè)計(jì)提供了可靠依據(jù)。

［1］中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司．蘭渝鐵路蘭州至廣元段初步設(shè)計(jì)文件［Z］．西安:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2006．

［2］鐵道部第三勘測設(shè)計(jì)院．鐵路工程設(shè)計(jì)手冊——橋渡水文［M］．北京:中國鐵道出版社，1993．

［3］劉宗峰．藏西南地區(qū)拉日鐵路沿線水文分析［J］．鐵道建筑，2014(4):51-53．

(責(zé)任審編 李付軍)

U442.3

:ADOI:10．3969/j．issn．1003-1995．2015．08．11

2015-04-17;

:2015-05-20

李金銘(1981— )，男，遼寧北鎮(zhèn)人，工程師。

1003-1995(2015)08-0036-03