徐玲玲 ，張 巍 ，周 鋒

（1.江蘇省水利工程科技咨詢股份有限公司，江蘇 南京 210029;2.淮安市水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 淮安 223005）

1 概述

山丘平圩混合區(qū)的高速公路在設(shè)計(jì)過程中，路線選定及構(gòu)造物布設(shè)主要受地形限制和沿線河流水文控制，如何合理確定設(shè)計(jì)洪水位，是高速公路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也是技術(shù)的難點(diǎn)。若片面增加設(shè)計(jì)標(biāo)高，則會(huì)造成工程的浪費(fèi)；若降低設(shè)計(jì)標(biāo)高，則會(huì)造成洪水對高速公路的破壞，影響群眾的生產(chǎn)、生活[1]。本文通過對沿線區(qū)域河、溝的設(shè)計(jì)洪水流量及設(shè)計(jì)洪水位進(jìn)行水文分析計(jì)算，為公路路線選擇、路基設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 山丘平圩混合區(qū)高速公路水文分析

2.1 平原、圩區(qū)水文分析方法

2.1.1 設(shè)計(jì)暴雨

平圩區(qū)一般獨(dú)立匯水面積較小，一般選用臨近的雨量站作為代表站，利用長系列點(diǎn)雨量資料，進(jìn)行皮爾遜Ⅲ型頻率曲線擬合，獲得一定重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)暴雨。挑選典型雨型，同頻率放大得到設(shè)計(jì)暴雨過程，設(shè)計(jì)暴雨的控制時(shí)段一般取1 h、6 h、24 h。若無實(shí)測資料，則可通過《江蘇省暴雨圖集》（2005年）點(diǎn)雨量均值等值線圖獲得。

2.1.2 設(shè)計(jì)凈雨

在計(jì)算設(shè)計(jì)凈雨過程時(shí)，采用初損后損法扣損。其中最大24 h凈雨計(jì)算中，根據(jù)江蘇省以往徑流站實(shí)測資料總經(jīng)分析的經(jīng)驗(yàn)值，只扣后損，后損采用1 mm/h。

2.1.3 平原區(qū)設(shè)計(jì)流量、水位

（1）設(shè)計(jì)流量

考慮河道坡比大、集流快的特征，采用小匯水面積匯流方法計(jì)算集流過程。為充分反映各支流的匯流情況，采用先分塊、后疊加的方法進(jìn)行。

（2）設(shè)計(jì)水位

采用水力學(xué)明渠非均勻流方法，根據(jù)多方案河道設(shè)計(jì)斷面，推求多種洪水水面線，然后取其上包線為最終設(shè)計(jì)洪水水面線。

2.1.4 圩區(qū)設(shè)計(jì)水位

圩區(qū)水位采用水量平衡的方法，計(jì)算圩區(qū)滯蓄水深。圩區(qū)滯蓄水深＝降雨歷時(shí)內(nèi)徑流量－外排水量。

2.2 山丘區(qū)水文分析方法

2.2.1 路基水文分析

（1）設(shè)計(jì)暴雨和設(shè)計(jì)凈雨

根據(jù)獨(dú)立匯水區(qū)的集水面積和比降計(jì)算匯流歷時(shí)，由匯流歷時(shí)確定計(jì)算時(shí)段，一般選擇60 min 3 h、6 h、24 h和3 d雨量分析。其中短歷時(shí)暴雨計(jì)算設(shè)計(jì)流量，控制路涵的設(shè)計(jì)規(guī)模，3 d雨量計(jì)算控制路基設(shè)計(jì)水位。山丘區(qū)考慮匯流速度較快、歷時(shí)短，計(jì)算設(shè)計(jì)凈雨時(shí)，不采用次降雨徑流關(guān)系曲線，直接扣損[2]。

（2）產(chǎn)匯流計(jì)算

產(chǎn)匯流計(jì)算根據(jù)確定的沿線計(jì)算分區(qū)，按各分區(qū)匯水面積和干流比降進(jìn)行產(chǎn)匯流的分析[3]。

通過加權(quán)平均法計(jì)算干流沖溝的平均比降。從路基斷面沿河道干流向上，一直量算到分水嶺。按沿流程比降變化的特征點(diǎn)高程和距離，用下式加權(quán)平均法計(jì)算干流比降。

《江蘇省暴雨洪水圖集》（1984年）推理公式法：主要根據(jù)匯水區(qū)域面積F、干流沖溝比降J，根據(jù)山丘區(qū)公式計(jì)算洪水匯流時(shí)間τ，其中θ=F/J1/3。

當(dāng)P＞5% 時(shí)，τ=2.1θ0.34

當(dāng)P≤5%時(shí)，τ=1.6θ0.34

再根據(jù)《江蘇省暴雨圖集》（2005年）中內(nèi)插公式計(jì)算匯流時(shí)段設(shè)計(jì)暴雨量如下：

當(dāng)10 min＜τ＜1 h時(shí)，Htp=H1p×t1-n1p

當(dāng)6 h＜τ＜24 h時(shí)，Htp=H1p×t1-n3p

Htp為某一歷史某一頻率下的設(shè)計(jì)暴雨量，H0.1667p、H1p、H6p、H24p分別為10 min、1 h、6 h、24 h的某一頻率下的設(shè)計(jì)暴雨量，單位為mm。

通過設(shè)計(jì)暴雨量扣除后損雨量，得出區(qū)間凈雨量 Rτ。

最大流量公式采用：

式中：

Wτi—τ時(shí)段洪水量，可簡化將τ取1 h。

2.2.2 路基潰壩洪水計(jì)算

潰壩洪水的計(jì)算，根據(jù)全國防洪重點(diǎn)中型水庫評價(jià)計(jì)算公式。

（1）土石壩潰口寬度計(jì)算

式中：

b—潰口寬度（m）；

W—水庫總庫容（m3）；

B—主壩長度（m）；

H—壩高（m）；

K—經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，根據(jù)區(qū)域特點(diǎn)取用。其中，中型水庫土石壩潰決寬度b一般在50～200 m左右，當(dāng)計(jì)算b＞250 m時(shí)，取b=250 m；當(dāng)計(jì)算出b＜B時(shí)，取b=0.8B。

（2）潰壩流量計(jì)算

式中：

Qmax—壩址最大流量（m3/s）；

H0—潰壩前上游水深（m）。

（3）潰壩壩址處最大流量演進(jìn)至壩址L（m）流程時(shí)的最大流量計(jì)算

式中：

QL—距壩址控制斷面最大潰壩演進(jìn)流量（m3/s）；

L—控制斷面距水庫壩址的距離（m）；

Vmax—特大洪水的最大流速，無資料時(shí)，山區(qū)統(tǒng)一取4.0 m/s，丘陵區(qū)取2.5 m/s，平原區(qū)取1.5 m/s；

K—經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，山區(qū)統(tǒng)一取1.3，丘陵區(qū)取1.0，平原區(qū)取0.85。

（4）潰壩路基處設(shè)計(jì)洪水位計(jì)算

潰壩洪水后，路基設(shè)計(jì)洪水位計(jì)算根據(jù)潰壩水量，以及區(qū)間24 h產(chǎn)水量，根據(jù)地形和下游通暢情況，按設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下泄計(jì)算路基上游滯蓄水量，查路基上游庫容曲線得路基設(shè)計(jì)洪水位。

2.2.3 堰流公式洪水位計(jì)算

堰上水頭計(jì)算采用如下公式：

式中：

H0—堰上總水頭（m）；

B—溢流寬度（m）；

m—實(shí)用堰流量系數(shù)；

ε—側(cè)收縮影響系數(shù)。

3 應(yīng)用實(shí)例

本文以宜長（宜興至長興）高速公路（江蘇段）為依托，通過對沿線河流、溝、渠等流域的百年一遇設(shè)計(jì)洪水流量及設(shè)計(jì)洪水位進(jìn)行水文分析計(jì)算，為公路路線、路基設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3.1 工程概況

宜興至長興高速公路江蘇段是江蘇省高速公路網(wǎng)規(guī)劃中的“縱四”線路連云港經(jīng)南京至宜興高速公路的重要組成部分，起點(diǎn)接寧杭高速公路，向南至蘇浙省界接浙江杭長高速公路。該工程是宜興結(jié)點(diǎn)的第二條省際出口，有助于完善宜興結(jié)點(diǎn)的路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，增加宜興南北向通道的通過能力，有助于促進(jìn)蘇南、浙北地區(qū)的經(jīng)濟(jì)聯(lián)系和城際交往，推動(dòng)長三角核心地區(qū)一體化進(jìn)程的加速。

3.2 河流概況

宜興至長興高速公路江蘇段位于太湖流域南溪水系中的桃厔溪片區(qū)，涉及的河道主要有宜興的厔溪河（夏新河）、埝徑河、桃溪河和張渚西河等。

3.3 水文分析計(jì)算成果

3.3.1 平原、圩區(qū)水文成果

（1）厔溪河（夏新河）、埝徑河百年一遇水位

線路跨厔溪河（夏新河）處百年一遇設(shè)計(jì)水位根據(jù)平原區(qū)河網(wǎng)模型計(jì)算結(jié)果，按河道斷面推算線路跨埝徑河處百年一遇水位約為5.25 m。

（2）長萬聯(lián)圩內(nèi)水位

該區(qū)域24 h百年一遇設(shè)計(jì)凈雨為293.3 mm。線路穿過長萬聯(lián)圩，圩區(qū)面積約10.21 km2，地面高程約4.0～6.5 m，圩區(qū)周邊設(shè)有萬渚站2（排澇流量3.0 m3/s）、后村站3（排澇流量1.6 m3/s）、豬婆橋站（排澇流量1.0 m3/s），胥藏站（排澇流量1.0 m3/s）。按照區(qū)域24 h百年一遇設(shè)計(jì)暴雨20 h排干，周邊4個(gè)泵站全天開機(jī)20 h，則外排水量為48.1 mm。

按圩區(qū)滯蓄水深計(jì)算設(shè)計(jì)水位約4.25 m。當(dāng)發(fā)生大洪水時(shí)，外河水位高于圩內(nèi)水位，應(yīng)考慮破圩對圩內(nèi)水位的影響。為安全計(jì)，圩區(qū)破圩直接采用埝徑河百年一遇水位5.25 m作為路基設(shè)計(jì)水位。

3.3.2 山丘區(qū)水文成果

線路里程樁號K1+550～K25+670段為山丘區(qū)，溝洼相連，沖溝蓄水壩較多。

（1）路基水文成果

本次進(jìn)行路基水文分析時(shí)，沿線路走向，按地形變化劃定對路基有影響的分片集水區(qū)（見圖1），經(jīng)分析全線小分區(qū)有56片，再按各分區(qū)確定對路基有影響的沖溝，根據(jù)沖溝匯流，提出合理的沖溝建筑物布置方案和位置，供設(shè)計(jì)部門參考[4]。

如分析出1分區(qū)節(jié)點(diǎn)K1+550百年一遇設(shè)計(jì)水位5.24 m，26分區(qū)節(jié)點(diǎn)K10+520百年一遇設(shè)計(jì)水位34.0 m。

（2）路基潰壩洪水計(jì)算成果

通過以上計(jì)算，可得路基潰壩洪水計(jì)算成果見表1。

圖1 分區(qū)及沖溝示意圖

表1 潰壩洪水計(jì)算成果表

（3）堰流公式洪水位計(jì)算成果

23分區(qū)下游有三級攔蓄壩，計(jì)算時(shí)按堰流公式計(jì)算，其他如30分區(qū)以下游道路攔蓄計(jì)算，31分區(qū)以橫山路攔蓄計(jì)算。

23分區(qū)，沖溝沿線自西向東有三級壩，其中對線路有影響的為一級壩和二級壩，用堰流公式計(jì)算，一級壩處堰上游水位高程為42.5 m，二級壩（即線路跨越處）堰上游水位高程為38.40 m；30分區(qū)，以下游道路滯蓄，計(jì)算得下游道路處堰上游水位高程為11.2 m。

4 結(jié)語

本文以宜興至長興高速公路江蘇段工程為案例，詳細(xì)分析平原、圩區(qū)、山丘區(qū)（包括路基水位計(jì)算、路基潰壩洪水計(jì)算和堰流公式洪水位計(jì)算）這幾種不同下墊面情況下設(shè)計(jì)洪水流量和設(shè)計(jì)洪水位計(jì)算方法，為公路路線、路基設(shè)計(jì)提供依據(jù)。同時(shí)，也為類似該地區(qū)的山丘、平原、圩區(qū)混合區(qū)高速公路分析總結(jié)經(jīng)驗(yàn)并提供參考，具有現(xiàn)實(shí)意義。

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