羊麗萍 楊 清

(1.天津市市政工程設(shè)計研究院四川分院，四川 成都 610041； 2.天津市市政工程設(shè)計研究院，四川 成都 610041)

1 工程概況

自貢市東部新城高鐵連接線是支撐東部新城開發(fā)建設(shè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，將對東部新城的開發(fā)建設(shè)起到引擎推動作用，支撐城市向東拓展。是東部新城骨干路網(wǎng)的重要組成部分，將與其他主要道路一起構(gòu)成東部新城完整的交通格局；高鐵連接線基本沿釜溪河而建，是支撐高鐵東站對外出行的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是高鐵東站聯(lián)系主城區(qū)及遠(yuǎn)地區(qū)的快速通道。

高鐵連接線沿線地形高差較大，多次跨越河道、溝谷、沖溝、池塘等現(xiàn)狀低凹處?？缭胶拥啦捎脴蛄航Y(jié)構(gòu)，跨越溝谷、沖溝、池塘處按實際情況考慮填方成路基段或設(shè)置小型過路排水構(gòu)筑物。由于周邊地塊開發(fā)，對于臨時涵洞采用圓管涵排水；對于永久性連接主線兩側(cè)水域的，考慮到道路寬度較長，采用箱涵結(jié)構(gòu)。結(jié)合排水系統(tǒng)需要，根據(jù)實際調(diào)查，本次共布置4道排水箱涵。地形情況和箱涵布置位置詳見圖1。

2 涵洞水文計算

根據(jù)自貢市防洪規(guī)劃，確定自貢市防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇洪水。涵洞設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與防洪標(biāo)準(zhǔn)一致。

涵洞水文計算方法一般包含暴雨強度公式法、暴雨推理法、徑流形成法、形態(tài)調(diào)研法、直接類比法、經(jīng)驗公式法等。排洪涵洞屬于小匯水面積上的排水構(gòu)筑物，一般情況下，小匯水面積沒有實測的流量資料，所需的設(shè)計洪水往往用實測暴雨資料間接推求。并假定暴雨與其所形成的洪水流量同頻率。本次設(shè)計涵洞主要用于滿足被高鐵連接線截斷的沖溝的過水要求，同時考慮到自貢東部新城屬微丘地區(qū)，匯水面積一般均不到1 km2，平時水小甚至干枯；汛期水量急增，急流快，每個涵洞匯水面積有所差異，不宜采用直接類比法推算涵洞孔徑，本文采用暴雨強度公式法、徑流形成法和經(jīng)驗公式法對涵洞進行水文計算。

涵洞1匯流面積0.64 ha，涵洞2匯流面積1.74 ha，涵洞3匯流面積3.51 ha，涵洞4匯流面積6.43 ha。本文以涵洞4為例進行流量計算，具體情況如圖2所示。

2.1 暴雨強度公式法[1]

采用自貢市修正后的暴雨強度公式計算流量。涵洞設(shè)計重現(xiàn)期采用50年一遇，根據(jù)區(qū)域地形條件地面集水時間取t1=5 min，設(shè)計涵洞過水均屬于山區(qū)匯水，根據(jù)植被情況和徑流坡度，取用徑流系數(shù)φ=0.4。

設(shè)計暴雨強度：

設(shè)計流量：Q=φ·q·F=0.4×558.387×6.43/1 000=1.436 m3/s。

2.2 暴雨推理法[2]

暴雨推理法是一種半理論半經(jīng)驗的計算方法，通過損失參數(shù)和匯流時間，體現(xiàn)地區(qū)差異性。本文采用四川省中小流域暴雨洪水計算方法。

其中，Q為最大流量，m3/s；ψ為洪峰徑流系數(shù)；S為暴雨雨力，即最大1 h暴雨量，mm/h；n為暴雨公式指數(shù)；F為集水面積，km2；L為自出口斷面沿主河道至分水嶺的河流長度，km；J為沿L的河道平均坡度；τ為流域匯流時間，h；τ0為當(dāng)ψ=1的流域匯流時間，h；tc為產(chǎn)流歷時，h；μ為產(chǎn)流參數(shù)，即產(chǎn)流歷時內(nèi)流域平均入滲強度，mm/h；m為匯流參數(shù)。

根據(jù)自貢市所在分區(qū)特征，查相應(yīng)的各時段暴雨參數(shù)等值線圖，得設(shè)計暴雨成果見表1。

表1 設(shè)計暴雨計算成果表

此涵洞F=6.43 ha，L=0.245 km，J=0.106。根據(jù)自貢市所在分區(qū)特征，按上式計算得θ=1.03，匯流參數(shù)m=0.40·θ0.204=0.40，暴雨公式指數(shù)n1=0.44，n2=0.65，n3=0.72，此涵洞匯流面積較小，先按照n1進行試算，暴雨雨力S=104 mm/h，τ0=0.26 h，產(chǎn)流參數(shù)μ=4.8·F-0.19=8.09 mm/h，得出為全面匯流，洪峰徑流系數(shù)ψ=0.95。

2.3 經(jīng)驗公式法[3]

匯水面積小于10 km2時，可采用公路科學(xué)研究所的經(jīng)驗公式。

Qp=KFn。

其中，Qp為規(guī)定頻率為P%時的雨洪設(shè)計流量，m3/s；K為徑流模數(shù)，根據(jù)地區(qū)劃分及設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)查??；n為面積指數(shù)，當(dāng)F≤1 km2時，n=1。

根據(jù)城鎮(zhèn)防洪查表得K=19.2，F(xiàn)=6.43 ha，n=1。

設(shè)計流量：Qp=KFn=19.2×(6.43/1 000)=1.235 4 m3/s。

2.4 徑流形成法[4]

徑流形成法是目前公路部門普遍使用的一種計算方法，其徑流成因簡化公式適用于匯流面積F≤30 km2的小流域。

其中，Qp為規(guī)定頻率為P%時的雨洪設(shè)計流量，m3/s；φ為地貌系數(shù)；h為徑流厚度，由暴雨分區(qū)、規(guī)定頻率P%、土的吸水類屬，以及匯流時間確定，mm；z為被植物或坑洼滯留的徑流厚度，mm；F為匯水面積，km2；β為洪峰傳播的流量折減系數(shù)；γ為匯水區(qū)降雨量不均勻的折減系數(shù)，以匯水區(qū)的長度或?qū)挾戎行≌哂嫞沪臑樾∷畮?湖泊)調(diào)節(jié)作用影響洪峰流量的折減系數(shù)。

根據(jù)公路涵洞設(shè)計細(xì)則附表得：φ=0.09，h=45 mm，z=10 mm，F(xiàn)=6.43 ha，β=1，γ=1，δ=0.99。

設(shè)計流量：Qp=2.054 m3/s。

綜上，考慮到暴雨推求公式更適用于匯流面積小于100 km2的河溝，本文設(shè)計涵洞匯流面積過小，采用徑流形成法所算得的流量Qp=2.054 m3/s。

3 涵洞孔徑驗算[4]

涵洞4斷面尺寸為B×H=3 m×3 m，涵底縱坡Id=3%，涵長Lh=88 m，相應(yīng)的涵內(nèi)流速為v=0.98 m/s，驗算涵洞斷面過水能力為Q′=A·v=8.82 m3/s>Q=2.054 m3/s。

首先假定按照臨界流狀態(tài)驗算涵洞孔徑：

5)涵內(nèi)收縮斷面處水深hqs=0.9hk=0.9×0.363=0.33 m。

7)涵前雍水位Hy=Hq+hq=1.2+0.525=1.725 m。

8)涵洞出口斷面的設(shè)計水位Hs

故假定合理，涵前雍水位小于涵前允許淹沒水位，則涵洞孔徑滿足要求。

4 結(jié)語

高鐵連接線范圍內(nèi)為農(nóng)田水系村莊，沒有現(xiàn)狀雨水系統(tǒng)和雨水排水設(shè)施，現(xiàn)狀雨水基本以無組織散排的形式隨自然地形排入附近水體，高鐵連接線跨越多處沖溝，其中有四處沖溝在道路紅線范圍內(nèi)部分填為路基段，兩側(cè)沖溝通過擬建涵洞連接，涵洞過水流量計算和涵洞尺寸的驗算尤為重要。

1)經(jīng)比較，采用暴雨強度法、暴雨推理法、地區(qū)經(jīng)驗法、徑流形成法四種方法計算涵洞4防洪流量，地區(qū)經(jīng)驗法和暴雨強度法計算結(jié)果相近，暴雨推理法計算結(jié)果偏大，保守起見，最終采用徑流形成法的較大流量作為自貢市高鐵連接線涵洞4的防洪流量。

2)擬建涵洞4尺寸為B×H=3 m×3 m，滿足臨界流條件，斷面尺寸滿足過水要求。

3)暴雨推理法計算結(jié)果偏大，可能是由于本項目涵洞匯流面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于暴雨推理法的適用范圍。

4)暴雨強度法和地區(qū)經(jīng)驗法均可用于涵洞的水文計算，其計算結(jié)果有一定的參考意義。

5)通過水文水力計算優(yōu)化設(shè)計，既保證了過水安全性，也提升了項目的經(jīng)濟效益。