侯佳音
(甘肅綜合鐵道工程承包有限公司,甘肅 蘭州730000)
晉南地區(qū)鐵路水文計(jì)算與流量驗(yàn)證
侯佳音
(甘肅綜合鐵道工程承包有限公司,甘肅 蘭州730000)
鐵路水文計(jì)算與流量驗(yàn)證是鐵路橋涵設(shè)計(jì)前期工作的一個(gè)重要環(huán)節(jié),結(jié)合晉南地區(qū)某鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)工作,針對(duì)鄂河流域進(jìn)行了水文計(jì)算與流量驗(yàn)證,通過勘測(cè)實(shí)踐過程及計(jì)算結(jié)果分析,總結(jié)了晉南地區(qū)鐵路大中流域及小流域的水文計(jì)算方法與流量驗(yàn)證結(jié)果分析,為本地區(qū)類似工程的水文計(jì)算提供參考和借鑒。
鐵路;大中流域;水文計(jì)算;流量驗(yàn)證
鐵路所在地區(qū)屬黃河山西段流域,大部分經(jīng)過鄂河流域。鄂河古稱嶼谷、鄂水,位于山西省鄉(xiāng)寧縣境內(nèi),為黃河的一級(jí)支流,發(fā)源于鄉(xiāng)寧縣管頭鎮(zhèn)東北部的斷山嶺,經(jīng)管頭鎮(zhèn)、昌寧鎮(zhèn),于棗嶺鄉(xiāng)的萬寶山村下直接匯入黃河,流域包括:鄉(xiāng)寧縣中西部及吉縣西南部,地理坐標(biāo)東經(jīng)110°30′30″~111°03′39″,北緯35°51′03″~36°03′13″。鄂河全長(zhǎng)71.1km,平均縱坡13.8‰,流域面積761km2,較大支流有蒿地溝、劉莊溝、下善溝、羅河、馮家溝、炭峪溝、西莊溝、莊上溝等。
鄂河流域地形自東北向西南傾斜,最高處為北部邊緣的高天山,海拔1820.5m,最低處為萬寶山村下入黃河口,海拔400m,中上游屬土石山區(qū),分布有大量的天然林,植被較好,中下部為黃土殘?jiān)珔^(qū),有少量的人工林,植被覆蓋較差。鄂河河道為V形河道,中上游河床為砂卵石,河床基本穩(wěn)定,下游河床為基巖,河道穩(wěn)定。
大中流域有水利部門實(shí)測(cè)水文資料,采用實(shí)測(cè)水文資料推求設(shè)計(jì)流量和水位;無實(shí)測(cè)水文資料河段的大中橋,根據(jù)歷史洪水調(diào)查資料推算洪峰流量[1]。收集地區(qū)流域圖形資料(包括航攝照片、軍用圖、地形圖等)和與線路有關(guān)的水利設(shè)施、航運(yùn)規(guī)劃和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)等資料;調(diào)查地區(qū)水文和氣象特征;調(diào)查歷史高水位和河道變遷情況,結(jié)合河道特征,合理劃分灘槽,選定河床糙率系數(shù)。根據(jù)測(cè)繪資料,結(jié)合上下游水利設(shè)施等,合理推算橋址處設(shè)計(jì)流量和水位,確定橋梁孔徑和高度。
沿線經(jīng)過的大中型河流為鄂河,線路五次跨越鄂河,設(shè)置橋梁5座,橋址分別位于鄉(xiāng)寧縣縣城上、下游??h城附近鄂河干流上設(shè)有鄉(xiāng)寧水文站,控制流域面積328k㎡,占全流域43%。該站于1959年由黃委會(huì)設(shè)立為國(guó)家正規(guī)水文站,具有1959-1961年和1980年以來的實(shí)測(cè)資料,資料可靠,詳見表1[2]。
表1 鄉(xiāng)寧水文站洪峰流量
以上數(shù)據(jù)為水文站實(shí)測(cè)徑流量資料,考慮系列的連續(xù)性及代表性,水文系列采用30a。用矩法作圖解適線如圖1所示。
圖1 鄉(xiāng)寧水文站頻率曲線
本次驗(yàn)證采用鐵一院編 《壹橋8217大中河流洪峰設(shè)計(jì)流量》經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式與《橋渡水文》中流域面積比擬法對(duì)比分析,并參考《山西省水文計(jì)算手冊(cè)》中的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行核對(duì)。
2.1方法一
《壹橋8217》經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為:
K——與自然地理?xiàng)l件有關(guān)的系數(shù);
I1——流域主河槽平均坡度,‰;
f——流域形狀系數(shù),f=F/L2,L為流域長(zhǎng)度,km;
H日——流域歷年最大日雨量平均值;
F——流域面積,km2;
QP——指定頻率P%的洪峰流量;
KP——P-Ⅲ指定頻率P%的模比系數(shù)。
2.2方法二
流域面積比擬法計(jì)算公式[1]:
式中:Q1——橋址處洪峰流量,m3/s;
Q2——水文站處洪峰流量,m3/s;F1——橋址處流域面積,km2;
F2——水文站處流域面積,km2;
n——指數(shù),這里取0.5。
2.3方法三
式中:QP——頻率為P的設(shè)計(jì)洪峰流量,m3/s;
Cp——與頻率P和地類有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù);
A——涉水工程控制的流域面積,km2;
N——面積指數(shù);
N1、β——經(jīng)驗(yàn)參數(shù);
S0p——涉水工程控制流域內(nèi)定點(diǎn)概率雨力的面平均值,mm/h。
用上述3種方法對(duì)本線大中流域橋址處百年一遇洪峰流量進(jìn)行計(jì)算,并對(duì)比分析結(jié)果見表2。
表2 大中流域百年一遇洪峰流量計(jì)算成果對(duì)比表
通過對(duì)以上橋址處3種方法的百年一遇洪峰流量計(jì)算成果分析,方法一分別與方法二、方法三相對(duì)比較,其誤差值均在8%以內(nèi),計(jì)算方法及結(jié)果真實(shí)可信。
由于在應(yīng)用方法二時(shí),兩流域面積相差不宜超過20%,且流域內(nèi)自然地理?xiàng)l件需較一致,降水較均勻,對(duì)于鐵路全線大中河流洪峰流量計(jì)算適用性較低。方法三僅建立了流域面積與流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系,對(duì)于不同自然地理?xiàng)l件及流域形態(tài)的計(jì)算流域準(zhǔn)確性較低,不能更好的反應(yīng)流域特征及差異性。經(jīng)綜合分析,晉南地區(qū)鐵路大中流域百年一遇洪峰流量采用鐵一院編《壹橋8217大中河流洪峰設(shè)計(jì)流量》中經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算較為準(zhǔn)確合理,適用性強(qiáng)。
本線所跨越流域面積小于100km2的河溝屬于小流域流量計(jì)算。本次采用鐵一院編《壹橋8216》計(jì)算法與《山西省水文計(jì)算手冊(cè)》常用經(jīng)驗(yàn)公式法對(duì)小流域洪峰流量計(jì)算進(jìn)行了比較分析。
4.1方法一
《壹橋8216》經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為:
式中:Qp——設(shè)計(jì)流量,m3/s;
k1——產(chǎn)流因子;
η——暴雨點(diǎn)面折減系數(shù);
Sp——設(shè)計(jì)暴雨參數(shù),mm/h;
F——匯水面積,km2;
k2——損失因子;
k3——造峰因子;
n’——隨暴雨衰減指數(shù)n而變的指數(shù);
x——河槽和山坡綜合匯流因子;
y——反映流域匯流特征的指數(shù)。
根據(jù)收集資料確定設(shè)計(jì)暴雨參數(shù)SP為75mm/h,暴雨衰減指數(shù)n為0.7,計(jì)算代表性5處河溝的流量見表3。
表3 小流域百年一遇洪峰流量計(jì)算成果對(duì)比表
4.2方法二
《山西省水文計(jì)算手冊(cè)》地區(qū)與上文大中流域水文勘測(cè)方法中方法三相同,改公式適用于匯水面積在10~3000km2范圍內(nèi)的洪峰流量計(jì)算,通過面積指數(shù)N來調(diào)整不同面積范圍與流量的關(guān)系,計(jì)算代表性5處河溝的流量見表3。
4.3流量驗(yàn)證及結(jié)果分析
用上述兩種方法對(duì)5處代表性小流域河溝的百年一遇洪峰流量進(jìn)行計(jì)算,并對(duì)比分析結(jié)果如下:
通過對(duì)以上兩種方法的百年一遇洪峰流量計(jì)算成果分析,方法一與方法二相對(duì)比較,其誤差值絕大部分在8%以內(nèi),計(jì)算方法及結(jié)果真實(shí)可信。從兩種方法的公式可以看出,方法一的流量計(jì)算考慮了小流域河溝形態(tài)、土壤類別、植被狀況及降雨資料等因素,能很好地反應(yīng)不同河溝特征。由計(jì)算結(jié)果分析得知,匯水面積在1~50km2的范圍內(nèi),方法一適用條件較好,而50~100km2范圍內(nèi)誤差值略大??紤]到方法一的優(yōu)點(diǎn)以及鐵路橋涵設(shè)計(jì)水文計(jì)算時(shí)便捷、連貫、一致的特點(diǎn),小流域流量計(jì)算公式采用《壹橋8216》經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式法較為準(zhǔn)確合理。
鐵一院編《壹橋8217》和《壹橋8216》經(jīng)過數(shù)十年多條鐵路項(xiàng)目的驗(yàn)證,非常適合秦嶺以北地區(qū)的大中流域及小流域流量計(jì)算。通過上文中對(duì)鄂河流域及其小流域的流量驗(yàn)證及結(jié)果分析,《壹橋8217》和《壹橋8216》對(duì)山西南部地區(qū)同樣是適用的。
[1]鐵道部第三勘察設(shè)計(jì)院.橋渡水文[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1999.
[2]山西省水利廳.山西省水文計(jì)算手冊(cè)[M].鄭州:黃河水利出版社,2011.
TV882.1