劉馳昊

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司 北京 100044)

1 工程概況

成都至達(dá)州至萬州高速鐵路(簡稱成達(dá)萬高鐵)橫貫四川盆地，線路主要途徑四川省境內(nèi)，沿線水系均屬長江水系，水系發(fā)育，河流、水庫眾多。線路于達(dá)州市渠縣北部跨越渠江水系。渠江系嘉陵江一級支流，流域總面積39 220 km2，由巴河、州河兩大支流在達(dá)州市渠縣三匯鎮(zhèn)合流而成，通稱渠江干流。干流自三匯鎮(zhèn)起，經(jīng)渠縣、廣安、岳池、合川縣注入嘉陵江。成達(dá)萬鐵路渠江水系見圖1。

圖1 成達(dá)萬鐵路渠江附近水系

2 渠江設(shè)計(jì)流量及百年水位計(jì)算與驗(yàn)證

2.1 渠江水文資料

渠江干流有多個(gè)水文站，本項(xiàng)目水文計(jì)算[1-5]采用收集的三匯水文站及茍渡口水文站數(shù)據(jù)。三匯水文站位于可研渠江特大橋橋位上游約30 km處，茍渡口水文站位于橋位下游15.5 km處。觀測資料及內(nèi)容選用見表1。

表1 流域及鄰近流域主要水文測站

經(jīng)分析比較，本次設(shè)計(jì)選擇茍渡口水文站作為水文分析計(jì)算的依據(jù)站，羅渡溪水文站為水文分析計(jì)算的參證站。

2.2 渠江水文分析

(1)歷史洪水及重現(xiàn)期

羅渡溪站、茍渡口站歷史洪水見表2。

表2 羅渡溪站、茍渡口站歷史洪水

(2)茍渡口水文站設(shè)計(jì)洪水

根據(jù)茍渡口水文站1955年～1988年實(shí)測洪水資料以及羅渡溪水文站1955年～2004年實(shí)測洪水資料，利用茍渡口站和羅渡溪站1958年～1988年的同期最大洪峰流量點(diǎn)繪制相關(guān)線，得出相關(guān)方程式:

相關(guān)系數(shù)r＝0.973 2。

根據(jù)兩站相關(guān)關(guān)系，由羅渡溪站1989年～2004年的年最大洪峰流量插補(bǔ)出茍渡口站1989年～2004年的年最大洪峰流量。

經(jīng)插補(bǔ)延長后，茍渡口水文站具有1955年～2004年的洪峰流量系列，加入1847年歷史洪水組成不連續(xù)序列。歷史洪水經(jīng)驗(yàn)頻率:

實(shí)測洪水經(jīng)驗(yàn)頻率:

以矩法計(jì)算統(tǒng)計(jì)參數(shù)的初值，采用P-Ⅲ型曲線適線確定統(tǒng)計(jì)參數(shù)，得到茍渡口水文站設(shè)計(jì)洪水，成果見表3，頻率曲線見圖2。

表3 茍渡口水文站各頻率設(shè)計(jì)洪水成果

圖2 茍渡口水文站流量頻率關(guān)系曲線

(3)水利工程

可研橋位處于上游約5.7 km處為南陽灘水電站，屬Ⅳ等小(1)型水電站工程。其主要建筑物按4級設(shè)計(jì)，次要建筑物均按5級設(shè)計(jì)。樞紐洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇洪水設(shè)計(jì)、300年一遇洪水校核。

2.3 合理性論證

從暴雨分布上看，茍渡口站以上流域多年平均最大一日暴雨量為100.8 mm，而茍渡口、靜邊站至茍渡口區(qū)間流域多年平均最大一日暴雨量為79.9 mm，說明由于從上游巴、州兩河至區(qū)間暴雨的衰減變化，加之沿程河道調(diào)蓄作用造成的洪峰坦化，使洪水均值模數(shù)有自上而下減少的趨勢，綜合反映了流域暴雨洪水特征，符合流域形狀、地形、植被等自然因素特點(diǎn)。茍渡口站設(shè)計(jì)洪水成果與相鄰地區(qū)水文站的洪水統(tǒng)計(jì)參數(shù)及設(shè)計(jì)值比較見表4。從表4中可知，茍渡口站年設(shè)計(jì)洪水統(tǒng)計(jì)參數(shù)[6]無異常變化，符合地區(qū)變化規(guī)律，設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果合理，能夠滿足工程設(shè)計(jì)要求。

表4 茍渡口站及鄰近流域設(shè)計(jì)洪水特征值比較

2.4 渠江橋位處設(shè)計(jì)流量結(jié)論

南陽灘電站控制集雨面積F＝31 229 km2，茍渡口水文站控制集雨面積F＝31 626 km2，面積差僅為1.3%。橋位位于上游南陽灘電站和下游茍渡口水文站之間，橋位處設(shè)計(jì)洪水成果可直接移用茍渡口站成果。橋位處百年一遇渠江流量Q1%＝30 000 m3/s。

由南陽灘電站技術(shù)資料，壩址百年一遇的30 000 m3/s流量對應(yīng)百年水位257 m。實(shí)地調(diào)查2011年電站洪水位259.635 m，大于257 m。近期調(diào)查洪水位大于既有資料水位，將南陽灘電站百年水位修正為259.635 m。渠江三匯至渠河嘴平均比降0.17%，推算至橋位處百年水位H1%＝258.666 m。同樣可推求橋位處300年一遇水位H0.33%＝259.766 m。

綜上，渠江橋址水文Q1%＝30 000 m3/s，H1%＝258.666 m，H0.33%＝259.766 m。

3 沿線其它河流及小流域流量的確定

本次勘測范圍主要位于四川省境內(nèi)，沿線其它河流及小流域的流量計(jì)算采用《四川省中小流域暴雨洪水計(jì)算手冊》中推理公式法，并采用鐵二院小流域水文計(jì)算方法進(jìn)行對比計(jì)算，對部分典型溝谷進(jìn)行了實(shí)地調(diào)查測量進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 四川省經(jīng)驗(yàn)公式

四川省推理公式法主要采用解析法、圖解法及近似法計(jì)算最大流量。計(jì)算手冊中采用解析法聯(lián)解推理公式法基本公式來推求設(shè)計(jì)洪峰流量Q[7]。

當(dāng)全面匯流條件下，τ≤tc。

當(dāng)部分匯流條件下，τ＞tc。

式中，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為集雨面積(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(shí)間(h)；τ0為當(dāng)ψ＝1的流域匯流時(shí)間(h)；m為匯流參數(shù)；τc為產(chǎn)流歷時(shí)(h)；μ為產(chǎn)流參數(shù)，即產(chǎn)流歷時(shí)內(nèi)流域平均入滲強(qiáng)度(mm/h)；θ為流域特征系數(shù)。

流域面積F、河長L直接在地形圖上量取。平均坡度J需讀取河道各轉(zhuǎn)折點(diǎn)的高程Hi和間距Li，按下式計(jì)算:

暴雨參數(shù)S、n的確定，查取計(jì)算手冊對應(yīng)10 min、1 h、6 h、24 h暴雨等值線圖，得到不同地區(qū)不同歷時(shí)暴雨雨量，由皮爾遜Ⅲ型頻率表查出百年一遇的Kp值，按計(jì)算手冊中相應(yīng)公式計(jì)算S、n。其中，在歷時(shí)1/6～1 h范圍內(nèi)的n值標(biāo)記為n1，在歷時(shí)1～6 h范圍內(nèi)的n值標(biāo)記為n2，在歷時(shí)6～24 h范圍內(nèi)的n值標(biāo)記為n3，分別按下式計(jì)算:

計(jì)算過程如下:

(1)在圖上量取F、L，計(jì)算J；(2)計(jì)算θ，確定m值；(3)由暴雨等值線圖查算設(shè)計(jì)頻率暴雨雨力S；(4)假定用n2試算，計(jì)算τ0，再計(jì)算ψ值，判斷全面匯流還是部分匯流；(5)計(jì)算τ值，判斷匯流時(shí)間是否與假定一致，不一致時(shí)重新試算；(6)計(jì)算最大流量Q；(7)校核m值是否與之前確定的m值一致。

3.2 鐵二院小流域計(jì)算公式

鐵二院流量計(jì)算公式:

式中，F(xiàn)為集雨面積(km2)；C1為產(chǎn)流參數(shù)；ym為徑流函數(shù)，根據(jù)徑流因子γ查取，可內(nèi)插(見表5)。αp為設(shè)計(jì)暴雨強(qiáng)度(mm/h)，當(dāng)F≤10 km2時(shí)，按αp＝6n1Sp計(jì)算；當(dāng)F＞10 km2時(shí)，按αp＝1.413F-0.156n1Sp計(jì)算，式中n1為短歷時(shí)(10 min～1 h)暴雨衰減指數(shù)。

表5 徑流函數(shù)ym(γ)

徑流因子γ根據(jù)下式計(jì)算:

式中，τ為匯流時(shí)間(h)，按下式計(jì)算:

式中，A3為阻力系數(shù)；L3為流域分水嶺沿流程至橋涵處距離(km)；I3為流域平均坡度，按計(jì)算，式中為流域平均高程的等高線與主槽相交處到出口斷面間的距離(km)。

3.3 計(jì)算及驗(yàn)證

本次可研從線路沿線選出11處較為典型的溝谷、河流作為小流域驗(yàn)證的工點(diǎn)，采用鐵二院法、四川省推理公式法分別計(jì)算各處流量，并根據(jù)各處調(diào)查結(jié)果，用形態(tài)法進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果見表6～表9。

表6 鐵二院法流量計(jì)算結(jié)果(第一部分)

3.4 計(jì)算結(jié)果對比

(1)流域面積F＜10 km2的流量公式驗(yàn)證

將6處流域面積F＜10 km2小流域驗(yàn)證工點(diǎn)鐵二院法和四川推理公式法計(jì)算流量分別與調(diào)查形態(tài)法推算流量進(jìn)行對比，見表10～表11。

分析可知，鐵二院法與形態(tài)法驗(yàn)證偏差基本穩(wěn)定在10%，推理公式法偏差較大。

表10 形態(tài)法流量計(jì)算結(jié)果

表11 流域面積F＜10 km2的計(jì)算結(jié)果對比

(2)流域面積F＞10 km2的流量計(jì)算驗(yàn)證

將5處流域面積F＞10 km2小流域驗(yàn)證工點(diǎn)鐵二院法和四川推理公式法計(jì)算流量分別與調(diào)查形態(tài)法推算流量對比，見表12。

表12 流域面積F＞10 km2的計(jì)算結(jié)果對比

由表12可知，流域面積小于200 km2時(shí)，二院法計(jì)算結(jié)果與形態(tài)法驗(yàn)證基本吻合，推理公式法計(jì)算流量明顯偏小；流域面積大于200 km2時(shí)，二院法與推理公式法計(jì)算結(jié)果接近，但明顯大于形態(tài)法驗(yàn)證結(jié)果。

4 結(jié)束語

(1)流域面積小于10 km2時(shí)，二院法計(jì)算結(jié)果大于推理公式法計(jì)算結(jié)果，二院法計(jì)算結(jié)果與形態(tài)法驗(yàn)證基本吻合，在匯水面積較大、溝型狹長、雨情較大、地形較平緩溝谷，推理公式法計(jì)算流量明顯偏小。

(2)流域面積在10～200 km2時(shí)，二院法計(jì)算結(jié)果與形態(tài)法驗(yàn)證基本吻合，二院法計(jì)算結(jié)果大于推理公式法計(jì)算結(jié)果。在10～50 km2范圍內(nèi)，隨流域面積增大，二院法流量增長速率明顯快于推理公式法流量增長速率；在50～200 km2范圍內(nèi)，兩種方法計(jì)算結(jié)果逐漸趨近。

(3)流域面積大于200 km2時(shí)，二院法計(jì)算結(jié)果與推理公式法計(jì)算結(jié)果基本一致，但隨著流域面積的增大，受雨量、區(qū)域地形多樣的影響，實(shí)際調(diào)查流量明顯小于理論計(jì)算流量，需結(jié)合實(shí)地調(diào)查、資料比對確定流域內(nèi)流量。

推理公式法將流域降雨過程與損失過程的差值作為產(chǎn)流過程，并把匯流時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的徑流概化為強(qiáng)度不變的過程，受雨量及地形變化影響較為靈敏，在流域面積較小的情況下易產(chǎn)生突變。鐵二院法為鐵路專用小流域計(jì)算方法，該方法已經(jīng)大量鐵路橋涵實(shí)例驗(yàn)證，具有很好的適應(yīng)性、較強(qiáng)的可靠性，故本線采用二院法計(jì)算小流域流量。

成達(dá)萬高鐵沿線所經(jīng)區(qū)域多為丘陵、山地，地形復(fù)雜，水系交織，植被茂密，沿線還跨越有涪江、嘉陵江、渠江3條大江及其支流，支流受其倒灌、頂托現(xiàn)象明顯。沿線重點(diǎn)橋渡在鐵二院法水文計(jì)算的基礎(chǔ)上，應(yīng)結(jié)合實(shí)地調(diào)查，最終確定橋涵設(shè)計(jì)水位。

本次成達(dá)萬高鐵可研項(xiàng)目，通過現(xiàn)場踏勘、調(diào)查、測量、計(jì)算，總結(jié)了川中丘陵區(qū)的河流水文特征。根據(jù)現(xiàn)場具體情況和收集的水文資料，選擇了合理的水文分析方法，并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的分析論證，獲得了可靠的設(shè)計(jì)洪水流量和水位，對四川中部丘陵地區(qū)其它鐵路項(xiàng)目具有一定的參考價(jià)值。