孫漢舟

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁處，天津 300142)

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蒙華鐵路小流域暴雨徑流公式驗(yàn)證

孫漢舟

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁處，天津 300142)

【摘要】鑒于小流域暴雨徑流確定的流量為鐵路橋涵孔徑的設(shè)計(jì)依據(jù)，直接關(guān)系橋梁的運(yùn)營(yíng)安全。文章對(duì)蒙華鐵路小流域計(jì)算辦法的探討，通過(guò)對(duì)形態(tài)法與鐵三院丘陵公式法、地方公式的結(jié)果綜合分析，論述了小徑流的形態(tài)驗(yàn)證方法和過(guò)程。

【關(guān)鍵詞】鐵路；小流域；徑流；形態(tài)驗(yàn)證

我國(guó)是一個(gè)幅員遼闊、河川縱橫的國(guó)家，在鐵路建設(shè)中，鐵路通過(guò)的地區(qū)要跨越不計(jì)其數(shù)的大小河流，需要建設(shè)橋涵確保洪水順利排泄。由于小流域暴雨徑流是確定橋涵孔徑的主要依據(jù)，因此，小流域暴雨徑流計(jì)算的精度與鐵路免遭水害關(guān)系密切。本文以蒙華鐵路勘測(cè)為背景，對(duì)桑樹(shù)坪至三門(mén)峽范圍的小流域計(jì)算公式的采用進(jìn)行了驗(yàn)證。

1地域水文簡(jiǎn)介

1.1地形地貌

區(qū)內(nèi)地形復(fù)雜，地形相對(duì)高差明顯，最高峰為桓曲境內(nèi)的舜王坪，其海拔高度2 321.8 m，最低為黃河岸邊的古城，海拔只有245 m，比差達(dá)2 076.8 m?？v觀全貌，區(qū)內(nèi)自北向南有呂梁山系、汾澮谷地、峨嵋臺(tái)地、涑水盆地、中條山系、黃河谷地及桓曲山間盆地等，其中峨嵋臺(tái)地(包括鳳凰桓)面積2 526 km2，占全區(qū)面積的17.7 %；三大斷陷盆地(谷地)區(qū)面積6 503 km2(含灘地水面面積)，占全區(qū)面積的45.7 %；山地丘陵(包括山間小盆地)區(qū)面積5 204 km2，占全區(qū)面積的36.6 %。

1.2水文特征

本線先后跨越鑿開(kāi)河、黃河(河津段)、汾河、涑水河、黃河(三門(mén)峽段)、蒼龍澗、好陽(yáng)河、混水河等河流，均屬黃河流域。受地理環(huán)境和氣候條件所制約，區(qū)內(nèi)河流兼具山地型和夏雨型的雙重特征。在河流形態(tài)和河道特征方面表現(xiàn)為：溝壑密度大，水系發(fā)育；河流坡陡流急，侵蝕切割嚴(yán)重。在徑流和泥沙方面，其特點(diǎn)是，洪水暴漲暴落，含沙量大；年徑流集中于汛期，枯水徑流小而不穩(wěn)。

沿線附近有上馬水庫(kù)、苦池水庫(kù)、蘇溝水庫(kù)、竹林寺水庫(kù)、邵溝水庫(kù)、幸福水庫(kù)、油坊溝水庫(kù)、中張水庫(kù)、朱乙河水庫(kù)等水庫(kù)。

1.3氣象

運(yùn)城市多年平均降水量為527.5 mm，降雨量年際變化大，降水量年內(nèi)分配極不均勻，冬春降水較少，占全年降水量不足20 %，夏季降水量特別集中，約占全年總降水量的40 %左右；秋季正是夏季風(fēng)過(guò)渡到冬季風(fēng)的轉(zhuǎn)換季節(jié)，降水量與夏季相比，所占比例相當(dāng)。汛期6～9月降水量占全年65 %左右，7、8兩月降水量占年降水量的比重大都在40 %左右。

2小徑流驗(yàn)證

2.1驗(yàn)證工點(diǎn)選取

本次勘測(cè)選用形態(tài)法、鐵三院丘陵公式法、山西省地方公式進(jìn)行比較分析來(lái)確定小流域地區(qū)的暴雨徑流的計(jì)算辦法。由于線位附近大多數(shù)沖溝上、中、下游有較多小型淤地壩影響，驗(yàn)證工點(diǎn)很難選取，因此在區(qū)間范圍內(nèi)延線路方向分段選擇5個(gè)代表性的河溝進(jìn)行驗(yàn)證。

2.2形態(tài)法

利用本地區(qū)的偏差系數(shù)(CS)、變異系數(shù)(CV)兩者之間的關(guān)系和重現(xiàn)期流量推求設(shè)計(jì)流量換算系數(shù)X(T1/T2)值(《水文手冊(cè)》P509頁(yè)的附表)，來(lái)推求百年流量。

測(cè)得水坡和斷面后，根據(jù)調(diào)查所得到的歷史洪水位，用河流的斷面和坡度計(jì)算出在這一水位時(shí)的洪水流量并確定重現(xiàn)期。利用《水文手冊(cè)》P509頁(yè)的附表和變異系數(shù)CV=0.5，查表得換算系數(shù)X(T1/T2)=1.14，推求100年一遇的流量(表1)。

表1　形態(tài)法百年流量計(jì)算

2.3鐵三院丘陵公式法

根據(jù)本次勘測(cè)范圍內(nèi)的地形為山丘區(qū)，選用如下公式：

山丘區(qū):當(dāng)ap=Sp/tn時(shí)

式中:C2為參數(shù)可按下式計(jì)算：

上式中β0、r0、m0、A4均為參數(shù)，可從《水文手冊(cè)》P90頁(yè)表5-21查取。

Sp為頻率為P的雨力(mm/min)；(查閱《山西省暴雨洪水計(jì)算實(shí)用手冊(cè)》計(jì)算)

P0為參數(shù)，可按下式計(jì)算：

上式N0為參數(shù)，可從《水文手冊(cè)》P90頁(yè)表5-21查取。

g0為參數(shù)，可按下式計(jì)算：

g0=1+m0×p0

n為暴雨衰減系數(shù)。(查閱《山西省暴雨洪水計(jì)算實(shí)用手冊(cè)》)

L4為流域長(zhǎng)度，從分水嶺算起(km)

I4為流域坡度，從分水嶺算起，用加權(quán)法計(jì)算。

F為流域面積(km2)。

η為暴雨點(diǎn)面折減系數(shù)從《水文手冊(cè)》P83頁(yè)表5-8查取。

本次勘測(cè)采用3類號(hào)，取A4=7、m0=0.25、N0=0.30、β0=0.52、r0=0.45、n=0.7。

由于流量計(jì)算公式龐大，根據(jù)上述參數(shù)各公式結(jié)果采用EXCEL電子表格計(jì)算結(jié)果如下(表2)。

表2　鐵三院丘陵公式法百年流量計(jì)算

2.4山西省地方公式

本次勘測(cè)范圍絕大部分屬于山西省，山西省地方公式如下。公式中各參數(shù)的選取系參照《山西省暴雨洪水計(jì)算實(shí)用手冊(cè)》(水利電力部山西省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院 1991年)。

Qp=CpH1,pFN

式中：Qp為設(shè)計(jì)頻率洪峰流量m3/s；

H1,p為計(jì)算流域形心處設(shè)計(jì)頻率一小時(shí)點(diǎn)雨量mm；

F為計(jì)算斷面控制流域面積km2；

N為綜合面積系數(shù)，其中N=apF-np。Cp、ap、np為隨經(jīng)驗(yàn)公式地類劃分表及頻率而異的經(jīng)驗(yàn)性系數(shù)或指數(shù)，具體參數(shù)詳見(jiàn)《山西省暴雨洪水計(jì)算實(shí)用手冊(cè)》P41頁(yè)經(jīng)驗(yàn)公式參數(shù)表。

由于流量計(jì)算公式龐大，根據(jù)上述參數(shù)各公式結(jié)果采用EXCEL電子表格計(jì)算結(jié)果如下(表3)。

表3　山西省地方公式百年流量計(jì)算

3驗(yàn)證分析

形態(tài)法、鐵三院丘陵公式法、山西省地方公式計(jì)算流量對(duì)照表(表4)。

表4　形態(tài)法及各方法計(jì)算對(duì)照表　m3/s

4驗(yàn)證結(jié)論

本次勘測(cè)通過(guò)洪水位調(diào)查和實(shí)地勘測(cè)及篩選分類，選出了以上5處較為典型的小面積流域作為驗(yàn)證的工點(diǎn)，經(jīng)過(guò)計(jì)算和分析得出以下結(jié)論：

采用形態(tài)法、鐵三院丘陵公式法、山西省地方公式，與形態(tài)法進(jìn)行計(jì)算核對(duì)比較，可以看出相對(duì)于山西省地方公式，鐵三院丘陵公式法的結(jié)果與形態(tài)法結(jié)果比較，偏差基本在10 %以內(nèi)，表明計(jì)算的洪峰流量和形態(tài)法計(jì)算的洪峰流量吻合較好。

通過(guò)以上計(jì)算及驗(yàn)證分析，鐵三院丘陵公式法適合該地區(qū)的小流域暴雨徑流計(jì)算。

參考文獻(xiàn)

[1]鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院橋梁處. 橋渡水文[M]. 北京: 中國(guó)鐵道出版社， 1999.

[作者簡(jiǎn)介]孫漢舟(1988～)，男，本科，助理工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)工作。

【中圖分類號(hào)】U442.3+4

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

[定稿日期]2016-01-08