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        形態(tài)勘測(cè)法要點(diǎn)簡述及在南昆鐵路擴(kuò)能改造工程初測(cè)中的運(yùn)用

        2018-03-21 07:27:12
        江西建材 2018年3期
        關(guān)鍵詞:設(shè)計(jì)

        1 小流域設(shè)計(jì)流量計(jì)算的常用方法

        在鐵路建設(shè)中,線路跨越大小河流溝渠,為使行洪順暢需設(shè)立各種樣式的橋涵進(jìn)行排洪。對(duì)于數(shù)量較少的大江大河,沿河縣市一般設(shè)有水文觀測(cè)站,通過收集水文站的歷史洪水觀測(cè)數(shù)據(jù),根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法推算出設(shè)計(jì)流量。對(duì)于數(shù)量眾多的小流域(即小河及小溝渠的統(tǒng)稱),一般不設(shè)有水文觀測(cè)站,因此無法通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法推算出設(shè)計(jì)流量。我國是一個(gè)鐵路大國,截至2015年年底,中國鐵路營業(yè)總里程達(dá)12.1萬公里,規(guī)模居世界第二;其中高速鐵路1.9萬公里,位居世界第一。然而,我國地形多種多樣,有雄偉的高原、起伏的山嶺、廣闊的平原、低緩的丘陵,還有四周群山環(huán)抱、中間低平的大小盆地。受限于不同地區(qū)天差地別的氣候及地理?xiàng)l件,全國不同地區(qū)、不同部門總結(jié)出數(shù)量眾多的設(shè)計(jì)流量計(jì)算方法,如:鐵路部門暴雨徑流計(jì)算(包括鐵一院法、鐵二院法、鐵三院法、鐵四院法,適用于全國不同地區(qū))、水利部門暴雨徑流計(jì)算(常用推理公式法,適用于無洪水資料而只有暴雨記錄的地區(qū))、公路部門暴雨徑流計(jì)算、結(jié)合現(xiàn)場具體情況加以驗(yàn)證(形態(tài)勘測(cè)法)等。適用于鐵路工程的小流域暴雨徑流計(jì)算方法主要有:推理公式法、各鐵路設(shè)計(jì)院法、形態(tài)勘測(cè)法。在眾多的小流域設(shè)計(jì)流量計(jì)算方法中,形態(tài)勘測(cè)法具有計(jì)算精度較高的特點(diǎn),歷來在鐵路和公路勘察設(shè)計(jì)中有較為廣泛的使用。以下簡述形態(tài)勘測(cè)法原理、步驟及結(jié)合工程實(shí)例介紹形態(tài)勘測(cè)法在小流域設(shè)計(jì)流量計(jì)算中的運(yùn)用。

        2 形態(tài)勘測(cè)法要點(diǎn)簡述

        2.1 形態(tài)勘測(cè)法原理

        所謂形態(tài)勘測(cè)法是用調(diào)查河槽形態(tài)與歷史洪水位的手段,取得河槽某一過水?dāng)嗝嬖谠摵樗幌碌倪^水面積、平均流速及洪水頻率資料,據(jù)以推算橋涵處設(shè)計(jì)流量的方法。目前,主要通過建立形態(tài)斷面,并繪制形態(tài)斷面圖,確定主河溝的糙率,主河溝平均坡度,有條件時(shí)實(shí)測(cè)水位與流速。結(jié)合形態(tài)斷面進(jìn)行洪水調(diào)查,確定比較可靠的某一歷史洪水位及相應(yīng)的頻率。同時(shí)確定歷史洪水位在形態(tài)斷面上的過水面積與相應(yīng)的比降等資料。推算形態(tài)斷面上的歷史洪峰流量,進(jìn)而求得規(guī)定的頻率的設(shè)計(jì)流量。

        2.2 形態(tài)勘測(cè)法步驟

        步驟如下:①選定水文形態(tài)斷面;②形態(tài)斷面及河道調(diào)查。調(diào)查內(nèi)容包括:歷史洪水位及頻率調(diào)查、形態(tài)斷面測(cè)量、洪水(或河床)比降測(cè)量、河床形態(tài)調(diào)查及糙率的確定等內(nèi)容;③形態(tài)斷面處流量計(jì)算;④頻率換算。將形態(tài)斷面的流量換算為設(shè)計(jì)頻率的流量;⑤橋(涵)址換算。將形態(tài)斷面的設(shè)計(jì)流量換算為橋址斷面的設(shè)計(jì)流量。

        3 工程實(shí)例

        南昆線百色(含)至威舍(含)段擴(kuò)能改造工程,正線全長286.39km,設(shè)計(jì)時(shí)速120km/h,既有線維持現(xiàn)狀。全線共有橋梁193座,小橋涵456座,其中排洪功能的橋涵占比超過75%,數(shù)量眾多的橋涵,其孔徑及類型需根據(jù)設(shè)計(jì)流量確定。鐵路工程的選線、標(biāo)高及投資,往往受橋涵的孔徑及類型控制。初測(cè)中,采用形態(tài)勘測(cè)法計(jì)算及確定小流域的設(shè)計(jì)流量。以下簡述那迷水文驗(yàn)證工點(diǎn)運(yùn)用形態(tài)勘測(cè)法推算設(shè)計(jì)流量的過程。

        3.1 選定水文形態(tài)斷面

        水文斷面的選取在形態(tài)勘測(cè)法中尤為重要。水文斷面宜選在水流順直、河床穩(wěn)定、沖淤變化小、岸坡穩(wěn)定的河段上且宜與主槽及河灘流向垂直。南昆線百色至威舍段擴(kuò)能改造工程為增建第二線,故在不受既有橋影響的河段上選擇Ⅰ-Ⅰ水文斷面,并于橋渡附近選擇Ⅱ-Ⅱ水文斷面。

        3.2 形態(tài)斷面及河道調(diào)查

        為了解洪水行洪過程,確定洪水的經(jīng)驗(yàn)頻率,現(xiàn)場調(diào)查各次大洪水發(fā)生的時(shí)間、大小和稀遇程度,以及洪水時(shí)的雨情、水情與災(zāi)情、洪痕水位。河道調(diào)查主要是一些影響過水?dāng)嗝娣e、水面曲線及河床糙率等的基本因素。河道變化很大時(shí),不能作為洪水調(diào)查河段。勘測(cè)中沿橋位附近選擇較為順直的河段調(diào)查到兩個(gè)年代(1998年、2016年)的洪水位;其中1998年洪水位點(diǎn)4個(gè),自上游至下游對(duì)應(yīng)河道里程及標(biāo)高分別為 HK+350(218.2m)、HK+550(275.05m)、HK+705(368.63m)、HK+795(265.81m);2016年洪水位點(diǎn)5個(gè),自上游至下游對(duì)應(yīng)河道里程及標(biāo)高分別為 HK+285(281.72m)、HK+615(271.58m)、HK+705(267.29m)、HK+795(264.45m)、HK+855(262.57m)。根據(jù)調(diào)查情況并查閱當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)記錄分析,1998年洪水相當(dāng)于25年一遇,2016年洪水相當(dāng)于2年一遇。此外,勘測(cè)中實(shí)測(cè)了近1.2公里長的水面坡及Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ兩個(gè)形態(tài)斷面,并調(diào)查河床形態(tài)。

        3.3 形態(tài)斷面處流量計(jì)算

        (1)洪水水面坡計(jì)算。取可靠洪痕點(diǎn)分析計(jì)算得:1998年洪水水面坡降為0.03075,2016年洪水水面坡降為0.031。

        (2)Ⅰ-Ⅰ形態(tài)斷面處洪水位三要素推算。Ⅰ-Ⅰ形態(tài)斷面對(duì)應(yīng)河道里程 HK0+295,計(jì)算得1998年洪水位標(biāo)高為282.89m,2016年洪水位標(biāo)高為281.41m。采用曼寧-謝才公式計(jì)算左、右河灘與河槽各過水面積的平均流速。

        m—粗糙系數(shù),m=1/n(n為糙率)查表可得;R—水力半徑(m),R=ω/ρ,即等于過水?dāng)嗝姒嘏c濕周長度ρ之比;i—該河段洪水比降,以小數(shù)計(jì)(無法獲得時(shí),可近似以河溝底縱坡代替);

        計(jì)算出流速后按下式計(jì)算流量(m/s):

        式中:V1、V2、V3—分別為河槽及左右河灘部分的平均流速(m/s);

        ω1、ω2、ω3—分別為河槽及左右河灘部分的過水面積(m2)

        現(xiàn)場調(diào)查可見邊灘平面較不夠平順,坡度較緩,長有稠密灌木叢和雜草;河床為卵石、礫石河床,溝坎植被較密。取邊灘糙率1/n=8~12,主槽糙率1/n=20。分別采用相應(yīng)歷史洪水水面坡計(jì)算得Ⅰ-Ⅰ形態(tài)斷面處兩個(gè)洪水年代的相應(yīng)流量為:Q1998=144.66m3/s、Q2016=29.97m3/s。

        (3)頻率換算。由調(diào)查分析的T1998=25年,T2016=2年。

        由Q25/Q2=Q1998/Q2016=4.83,查《橋渡水文》附表6—1得:CV=1.0。

        與Ⅱ-Ⅱ形態(tài)斷面Cv=1.0相吻合,綜合考慮本溝取CV=1.0。

        由 CV=1.0,T1=50,T2=25查《橋渡水文》附表 6—10表得:XT1/T2=1.22

        則 Q2%=1.22×144.66=176.49m3/s

        由 CV=1.1,T1=100,T2=25查《橋渡水文》附表 6—10表得:XT1/T2=1.45

        則 Q1%=1.45×144.66=209.76m3/s

        根據(jù)Q1%=209.76m3/s、Q2%=176.49m3/s在點(diǎn)繪出的H~Q、H~V曲線求得Ⅰ-Ⅰ形態(tài)斷面三要素為:Q1%=209.76m3/s、H1%=283.41m、V1%=7.28m/s;Q2%=176.49m3/s、H2%=283.16m、V2%=6.88m/s。

        (4)Ⅱ-Ⅱ形態(tài)斷面處洪水位三要素推算。Ⅱ-Ⅱ形態(tài)斷面對(duì)應(yīng)河道里程 HK0+860,計(jì)算得1998年洪水位標(biāo)高為263.77m,2016年洪水位標(biāo)高為262.37m。同理,經(jīng)計(jì)算得Ⅱ-Ⅱ形態(tài)斷面處兩個(gè)洪水年代的相應(yīng)流量Q1998=152.15m3/s、Q2016=31.31m3/s。同Ⅰ-Ⅰ形態(tài)斷面推算過程,得Ⅱ-Ⅱ形態(tài)斷面三要素為:Q1%=220.62m3/s、H1%=264.27m、V1%=6.92m/s;Q2%=185.62m3/s、H2%=264.03m、V2%=6.54m/s。

        (5)形態(tài)勘測(cè)法與鐵二院法對(duì)比。從表1可以看出:當(dāng)F>10km2,產(chǎn)流系數(shù)C1取0.8,阻力系數(shù)A3取1.5,最大雨強(qiáng)a2%取200mm/h時(shí),形態(tài)勘測(cè)法與鐵二院法兩者計(jì)算結(jié)果很接近,兩形態(tài)斷面處形態(tài)勘測(cè)法與鐵二院法計(jì)算結(jié)果差值均在±5%以內(nèi)。因此,形態(tài)勘測(cè)法與鐵二院法得到了很好的相互驗(yàn)證。

        表1 形態(tài)勘測(cè)法與“鐵二院法”結(jié)果比較表

        (6)橋位處水文三要素計(jì)算。橋位于Ⅱ-Ⅱ形態(tài)斷面下游30m處,橋位距Ⅱ-Ⅱ形態(tài)斷面較近,且中間無大的支流匯入,因此直接利用Ⅱ-Ⅱ形態(tài)斷面流量、流速計(jì)算結(jié)果作為該橋位處設(shè)計(jì)流量、流速,即:Q1%=220.62m3/s、V1%=6.92m/s。

        橋位處的設(shè)計(jì)水位,根據(jù)Ⅱ-Ⅱ形態(tài)斷面設(shè)計(jì)水位利用i1%=0.03133推算而得:H1%=264.27+0.03133×(860-885)=263.49m。

        4 結(jié)束語

        形態(tài)勘測(cè)法廣泛運(yùn)用于缺少水文實(shí)測(cè)資料的地區(qū),在南昆線百色至威舍段擴(kuò)能改造工程初測(cè)勘察工作得到了很好的運(yùn)用。必須指出的是,由于人的主觀性和認(rèn)識(shí)的局限性以及水文現(xiàn)象的復(fù)制性,對(duì)形態(tài)勘測(cè)法的計(jì)算成果有較大影響。因此要求使用者綜合分析各種調(diào)查資料,計(jì)算過程中合理選擇各個(gè)計(jì)算參數(shù),才能計(jì)算得出可靠合理的設(shè)計(jì)流量。

        [1]TB 10017-1999鐵路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

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

        [3]王中強(qiáng),文雨松.原始斷面的模糊識(shí)辨方法[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2002,20(3):30-34.

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