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        湍水頭溝穿新建呂臨鐵路支線段洪水分析計(jì)算

        2016-02-05 05:32:32宿賓
        山西水利 2016年11期
        關(guān)鍵詞:設(shè)計(jì)

        宿賓

        (山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,山西 太原 030024)

        湍水頭溝穿新建呂臨鐵路支線段洪水分析計(jì)算

        宿賓

        (山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,山西 太原 030024)

        介紹了新建呂臨鐵路支線工程的基本情況,確定工程穿越河流的具體斷面位置。分別采用《山西省水文計(jì)算手冊(cè)》無(wú)資料地區(qū)計(jì)算方法、水文比擬法計(jì)算設(shè)計(jì)斷面處的設(shè)計(jì)洪水,進(jìn)行設(shè)計(jì)斷面處的洪水分析計(jì)算;同時(shí)與以往計(jì)算的結(jié)果相比較,最終確定設(shè)計(jì)洪峰流量。

        洪水分析;設(shè)計(jì)洪水;設(shè)計(jì)斷面

        1 項(xiàng)目概況

        呂臨(孟)支線途經(jīng)臨縣、方山和柳林縣等國(guó)家扶貧重點(diǎn)縣和革命老區(qū),人多地少、自然條件差,農(nóng)民人均耕地僅0.18hm2,貧困人口占全省的1/10多。

        新建鐵路呂臨(孟)支線位于山西省呂梁市境內(nèi),線路自太中銀鐵路呂梁站引出,經(jīng)大武鎮(zhèn)到達(dá)三交,線路在此分出岔線,一條向北方向至臨縣縣城以北城莊鎮(zhèn),另一條向南方向至柳林縣的磧口鎮(zhèn)。

        鐵路線在呂梁市境內(nèi),主要有兩處跨越河流,分別為前陡泉村附近的湍水頭溝和林家坪鎮(zhèn)附近的湫水河,對(duì)湍水頭溝與鐵路支線交叉段洪水進(jìn)行分析計(jì)算。

        2 流域概況

        湫水河為黃河的一級(jí)支流,位于呂梁山脈西脊,發(fā)源于興縣的白龍山東北麓大坪頭,從陽(yáng)坡入境,縱貫縣境中部,由東北向西南,流經(jīng)白文、城莊、安業(yè)、三交、林家坪、磧口等鄉(xiāng)鎮(zhèn),于磧口注入黃河。干流全長(zhǎng)122km,流域總面積1984.21km2。

        湍水頭溝也稱車趕溝,系湫水河一級(jí)支流,發(fā)源于方山縣石站頭,流域分左、右兩支,形狀呈“Y”形,由東向西,流經(jīng)車趕鄉(xiāng)(右支)、湍水頭鎮(zhèn)(左支)等村莊,在鐘底村兩支匯合后經(jīng)崔家坪、后陡泉、前陡泉,于三交鎮(zhèn)溝門村匯入湫水河,河道全長(zhǎng)27.8km,控制流域面積189.43km2,離臨公路貫穿而過(guò)。

        3 洪水計(jì)算

        湍水頭溝流域?qū)贌o(wú)資料地區(qū),本次設(shè)計(jì)洪水計(jì)算采用2011年3月編制的《山西省水文計(jì)算手冊(cè)》(以下簡(jiǎn)稱《手冊(cè)》)和水文比擬法兩種方法進(jìn)行計(jì)算。

        根據(jù)新建呂臨鐵路支線工程跨湍水頭溝的位置,確定計(jì)算斷面為“前陡泉”斷面。

        3.1 林家坪水文站設(shè)計(jì)洪水

        3.1.1 歷史洪水及重現(xiàn)期確定

        湫水河流域的歷史洪水曾進(jìn)行過(guò)多次調(diào)查。確認(rèn)的湫水河流域兩次特大洪水為1875年和1951年,地點(diǎn)為林家坪村,控制流域面積1873km2,洪峰流量分別為7700m3/s和5200m3/s。這與《山西省暴雨洪水規(guī)律研究》中基本一致,可靠程度略有差異,說(shuō)明其成果可采用。

        經(jīng)歷次分析考證,對(duì)于1875年洪水在晉西各調(diào)查河段洪峰流量的序位情況,該次洪水為1875年以來(lái)之首位,調(diào)查期按134年考慮;1951年歷史洪水為1875年以來(lái)的第二次特大洪水,調(diào)查期按67年考慮。

        3.1.2 實(shí)測(cè)洪水系列

        林家坪水文站位于臨縣林家坪村,1953年7月1日建成測(cè)流,控制流域面積1873km2。

        由于湫水河流域先后修建了7座中小型水庫(kù),除陽(yáng)坡水庫(kù)修建于1958年外,其余水庫(kù)均建于20世紀(jì)70年代。為了保持洪水系列的一致性,需對(duì)建庫(kù)以后和建庫(kù)以前(包括歷史洪水)的洪水系列進(jìn)行一致性處理。按照常規(guī),應(yīng)根據(jù)各水庫(kù)對(duì)區(qū)域內(nèi)洪水的調(diào)蓄情況,將建庫(kù)以后的洪水系列還原到建庫(kù)以前,還原后的洪水系列與建庫(kù)以前的洪水系列保持一致。然后再根據(jù)歷年暴雨洪水情況、水庫(kù)分布和調(diào)度運(yùn)行規(guī)則進(jìn)行演算,以此分析流域內(nèi)水庫(kù)調(diào)蓄對(duì)洪水的影響。但由于這些水庫(kù)均無(wú)進(jìn)、出庫(kù)水文測(cè)站,水庫(kù)控制范圍內(nèi)的雨量以及蓄水資料殘缺不全;加上湫水河流域一般洪水均由局部暴雨形成,大范圍的暴雨較少,水庫(kù)分布又比較分散,且水庫(kù)控制的流域面積較小,陽(yáng)坡水庫(kù)控制流域面積251km2,其余6座水庫(kù)僅150.2km2,還原計(jì)算存在一定難度。

        因此,本次林家坪洪水系列采用修建陽(yáng)坡水庫(kù)以后的1959—2010年52年實(shí)測(cè)洪峰流量系列資料,多年平均918m3/s。

        3.1.3 洪水頻率分析

        根據(jù)1959—2010年共52年洪峰流量系列,按不連續(xù)系列計(jì)算經(jīng)驗(yàn)頻率,加入歷史調(diào)查洪水,采用P-Ⅲ型曲線進(jìn)行計(jì)算,統(tǒng)計(jì)參數(shù)均值為1000,變差系數(shù)CV為1.25,對(duì)比系數(shù)CS/CV為2.2,求得林家坪設(shè)計(jì)洪水成果及統(tǒng)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

        表1 湫水河林家坪站洪峰流量頻率成果表

        3.2 設(shè)計(jì)斷面洪水

        3.2.1 水文比擬法

        湍水頭溝為湫水河支流,前陡泉斷面控制流域面積175km2,設(shè)計(jì)洪水采用林家坪水文站設(shè)計(jì)洪水,按面積比指數(shù)法推求。公式如下:

        式中:Q設(shè)計(jì)——橋位斷面設(shè)計(jì)洪峰流量,m3/s;

        Q林家坪——林家坪站設(shè)計(jì)洪峰流量,m3/s;

        F設(shè)計(jì)——橋位斷面處流域面積,km2;

        F林家坪——林家坪站流域面積,km2;

        n——面積指數(shù),取0.5。

        經(jīng)計(jì)算,前陡泉斷面100年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為1822m3/s,50年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為1495m3/s,20年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為1079m3/s。

        3.2.2 手冊(cè)法

        計(jì)算流域自然地理特征及產(chǎn)流、匯流有關(guān)的河道特征,其中流域面積和主河道長(zhǎng)在實(shí)測(cè)地形圖上量算,產(chǎn)匯流地類參考《山西省水文計(jì)算手冊(cè)選用站水文下墊面產(chǎn)流地類圖冊(cè)》(簡(jiǎn)稱《手冊(cè)》)得到。即:流域面積175km2,主河道長(zhǎng)度26.4km,流域平均坡度23.6‰,產(chǎn)流地類為黃土丘陵溝壑,匯流地類為黃土丘陵。

        按《手冊(cè)》選取定點(diǎn),從暴雨等值線圖上查得不同歷時(shí)的暴雨均值及變差系數(shù)CV值,按HP=KP(其中HP設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量,KP為模比系數(shù))計(jì)算出不同頻率的設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量。計(jì)算面雨量初值,求解暴雨公式參數(shù),得出設(shè)計(jì)面雨量,進(jìn)行時(shí)程分配,計(jì)算出主雨歷時(shí)tz和主雨雨量HP(tz)。結(jié)果見(jiàn)表2。

        表2 主雨歷時(shí)及主雨雨量計(jì)算表 單位:mm

        根據(jù)各支流流域下墊面條件,由《手冊(cè)》查出流域包氣帶充分風(fēng)干時(shí)的吸收率、流域包氣帶充分風(fēng)干時(shí)的導(dǎo)水率和設(shè)計(jì)頻率為P的流域前期土濕標(biāo)志B0,p,計(jì)算可能損失、凈雨深、產(chǎn)流歷時(shí)、損失率和凈雨過(guò)程分配。

        匯流計(jì)算采用綜合瞬時(shí)單位線法和推理公式法進(jìn)行計(jì)算。

        綜合瞬時(shí)單位線法:綜合瞬時(shí)單位線將流域匯流過(guò)程假設(shè)為由n個(gè)等效線性水庫(kù)串聯(lián)體對(duì)水流的調(diào)蓄過(guò)程。把瞬時(shí)作用于流域上的單位凈雨水體在流域出口斷面形成的時(shí)間概率密度分布曲線稱為瞬時(shí)匯流曲線,量綱為。把單位凈雨乘以瞬時(shí)匯流曲線稱為瞬時(shí)單位線。

        在計(jì)算過(guò)程中,匯流地類為黃土丘陵,β1,β2,α為經(jīng)驗(yàn)性指數(shù),分別取0.047,0.190,0.397;C1為復(fù)合地類匯流參數(shù),取1.000;C2為單地類匯流參數(shù),取0.62。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

        表3 前陡泉斷面設(shè)計(jì)洪峰流量成果表 單位:m3/s

        推理公式法:最大流量Qm計(jì)算采用數(shù)值法。單一地類匯流參數(shù)m取值,黃土丘陵0.35,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

        3.3 設(shè)計(jì)洪水成果采用

        前陡泉斷面設(shè)計(jì)洪水,2009年采用1991年編制的《山西省暴雨洪水計(jì)算實(shí)用手冊(cè)》(以下簡(jiǎn)稱《雨洪手冊(cè)》)中推理公式進(jìn)行過(guò)計(jì)算,設(shè)計(jì)斷面不同方法的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

        從表中可以看出,本次水文比擬法及《手冊(cè)》推理公式法較“2009年雨洪手冊(cè)”計(jì)算成果偏大較多;《手冊(cè)》綜合瞬時(shí)單位線法與《雨洪手冊(cè)》推理公式法計(jì)算結(jié)果接近,差值在允許計(jì)算的誤差范圍內(nèi),說(shuō)明計(jì)算結(jié)果較為合理。

        林家坪水文站控制流域面積1873km2與前陡泉斷面控制流域面積175km2相差過(guò)大,且流域內(nèi)下墊面條件差異、產(chǎn)匯流特性均有較大差別,不能反映流域的產(chǎn)匯流過(guò)程,因此,不宜按面積比推求設(shè)計(jì)洪水。

        4 結(jié)論

        本次設(shè)計(jì)斷面洪水的確定,對(duì)比分析了三種計(jì)算成果,一是采用《手冊(cè)》中無(wú)資料地區(qū)洪水計(jì)算方法的計(jì)算成果,二是參考相近流域的林家坪水文站的洪峰流量依照水文比擬法的計(jì)算成果,三是2009年采用《雨洪手冊(cè)》的計(jì)算成果。經(jīng)分析,決定采用《手冊(cè)》綜合瞬時(shí)單位線法計(jì)算結(jié)果。

        TV122+.3 [

        ]C [

        ]1004-7042(2016)11-0026-02

        宿賓(1984-),男,2009年畢業(yè)于華北水利水電學(xué)院農(nóng)業(yè)水土工程專業(yè),工程師。

        2016-09-20;

        2016-10-24

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