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        西寧成都鐵路隆務(wù)河設(shè)計(jì)洪峰流量的計(jì)算

        2021-01-25 06:24:26李偉龍
        四川建筑 2020年6期
        關(guān)鍵詞:洪峰流量計(jì)算公式計(jì)算結(jié)果

        李偉龍

        (中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 陜西西安 710043)

        修建鐵路時(shí)經(jīng)常需要架設(shè)橋梁以跨越河流、溝谷。如果橋梁(尤其是高程)設(shè)計(jì)不當(dāng)就會(huì)造成嚴(yán)重水毀,不僅給工程帶來損失,而且影響列車的行車安全[1-3]。由于多數(shù)地區(qū)的河流實(shí)測(cè)徑流資料不夠完整,不能滿足工程設(shè)計(jì)需求,因此大中河流域的設(shè)計(jì)洪水流量一般采用推理公式法計(jì)算[4]。這些公式均以暴雨公式推求設(shè)計(jì)暴雨,并以洪水形成原理為基礎(chǔ),在一定概論條件下建立起來。目前,我國西北地區(qū)鐵路橋涵設(shè)計(jì)過程中流量的計(jì)算方法[5]仍以鐵一院院編公式為主,且停留在20~30年前的水平。隨著自然地理?xiàng)l件的變遷、氣候變化以及降雨資料的增加,原計(jì)算公式的適用性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。本文主要以隆務(wù)河[6](隆務(wù)河屬黃河一級(jí)支流,發(fā)源于澤庫鄉(xiāng)境內(nèi)多禾茂鄉(xiāng)加倉村若恰山區(qū),源頭海拔4 042m,出境處的海拔2 160m,總落差為1 882m,隆務(wù)河全長156.8km,流域面積4 960km2,屬山區(qū)性河流。并設(shè)有同仁、隆務(wù)河口兩個(gè)水文站)洪峰流量的計(jì)算為例,驗(yàn)證原計(jì)算公式在當(dāng)前條件下的適用性,從而為以后該地區(qū)的水文計(jì)算提供理論依據(jù)。

        1 洪峰流量計(jì)算

        新建西寧至成都鐵路于青海省同仁縣跨越隆務(wù)河,本文對(duì)隆務(wù)河同仁水文站處設(shè)計(jì)洪峰流量采用鐵一院院編壹橋8212[7]《大中河流洪峰設(shè)計(jì)流量》(黃河上游地區(qū))計(jì)算公式(以下統(tǒng)稱“壹橋8212計(jì)算公式”)、地方經(jīng)驗(yàn)公式及數(shù)理統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行計(jì)算,并將三種方法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

        1.1 壹橋8212計(jì)算公式

        (1)流域平均海拔在2 500m以下的涇北洛、渭河,清水河,祖歷河,洮河,大夏河,莊浪河下游河段以及湟水部分支流,其計(jì)算公式如下:

        Q=KI10.167f0.2H日F0.56

        (1)

        (2)流域平均海拔在2 500m以上的洮河,大夏河上游段干支流,莊浪河上游,湟水部分支流和西寧以上干流,黃河積石關(guān)以上小支流,其計(jì)算公式如下:

        Q=KI10.167f0.2H日F0.7

        (2)

        式中:Q:為多年平均流量(m3/s);K為與自然地理?xiàng)l件、流域物理特征有關(guān)的系數(shù);I1為流域主河槽平均坡度(‰);f為流域形狀系數(shù),f=F/L2,L為流域長度(km);H日為流域歷年最大日雨量平均值(mm);F為流域面積(km2)。

        式中:K值變化取決于流域內(nèi)的物理特征,與流域的徑流系數(shù)和水土流失有密切的關(guān)系。湟水河流域土壤基本上為黃土質(zhì)砂黏土與黏砂土,在該種條件下,流域年侵蝕模數(shù)Z和rc值大的K值大,反之則小。綜上所述且據(jù)《博拉河、隆務(wù)河、湟水土石山區(qū)覆蓋層較厚的各支流(西寧、西納川)、莊浪河上游K、Z、rc一覽表》取K值0.003 8~0.004 4與隆務(wù)河橋址處情況較吻合。

        隆務(wù)河同仁水文站處:

        據(jù)《青海省水文手冊(cè)》[8]得知:F=2832km2,L=112.8km,I1=12.2‰;H日=28.4mm;根據(jù)院編壹橋8212大中河洪峰流量計(jì)算公式可得:f=F/L2=4907/147.05=0.2226。

        多年平均流量計(jì)算如下:

        Q均=KI10.167f0.2H日F0.7=102.1m3/s

        根據(jù)院編《壹橋8212》表五,Cv-F關(guān)系表Cv=1.2F-0.08=0.64;據(jù)院編《壹橋8212》表六,Cv-Cs關(guān)系表Cs/Cv=3.0,查表K0.33%=3.96,K1%=3.28,

        Q1%=P1%×Q均=334.88m3/s

        Q0.33%=P0.33%×Q均=404.32m3/s

        1.2 地方經(jīng)驗(yàn)公式

        計(jì)算設(shè)計(jì)洪峰流量,除推理公式外,目前還廣泛使用地方經(jīng)驗(yàn)公式。根據(jù)一個(gè)地區(qū)的實(shí)測(cè)和調(diào)查洪峰流量或相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)參數(shù),與主要影響因素之間建立關(guān)系,然后根據(jù)相關(guān)線的形式配以適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)方程,這種方程式就叫做地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式[9],經(jīng)驗(yàn)公式中未能單獨(dú)考慮的其他因素,用綜合系數(shù)反映。

        目前我國常用的地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式,有單因素公式、多因素公式及洪峰流量均值經(jīng)驗(yàn)公式這三種類型。本文主要對(duì)單因素計(jì)算公式進(jìn)行簡單介紹。

        單因素公式是目前最簡單的經(jīng)驗(yàn)公式,此公式只突出流域面積F[(km)2]這一影響因素:

        Qp=KpFn

        (3)

        式中:Qp為設(shè)計(jì)流量(m3/s);n是隨流域面積大小和地區(qū)而變化的指數(shù)。Kp是與頻率和地區(qū)有關(guān)的綜合參數(shù)。經(jīng)查找《青海省水文手冊(cè)》中“年最大流量~流域面積經(jīng)驗(yàn)公式表”得到:隆務(wù)河流域同仁水文站處的百年流量計(jì)算公式:

        Q1%=11.1F0.42=11.1×28320.42=313m3/s

        1.3 數(shù)理統(tǒng)計(jì)法

        在隆務(wù)河同仁水文站處共收集到了1957~2014年的每年隆務(wù)河最大洪峰流量,共計(jì)58年(表1),這58年最大洪峰流量作為一個(gè)連續(xù)系列,采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法[10]結(jié)合青海省暴雨參數(shù)[11-12]計(jì)算流量。

        表1 隆務(wù)河同仁水文站各年最大洪峰流量

        連續(xù)系列的經(jīng)驗(yàn)頻率計(jì)算公式為:

        (4)

        平均流量計(jì)算公式為:

        (5)

        通過計(jì)算,得出平均流量:∑Q=7732.7m3/s;Q均=133.32m3/s。

        變異系數(shù):

        (6)

        通過計(jì)算得出:Cv=0.42。

        在海森機(jī)率格紙上通過多次適線后認(rèn)為,采用特征值Cv=0.42,Cs=3.0,Cv的理論頻率曲線與經(jīng)驗(yàn)頻率曲線吻合的較好(圖1)故特征值采用如下:

        圖1 Kp頻率曲線

        故特征值采用如下:Cv=0.42,Cs=3.0Cv=1.26,Qp%=Kp×Q均,Q均=133.32m3/s

        Q1%=2.34×133.32=311.97m3/s

        Q0.33%=2.69×133.32=358.63m3/s

        2 流量驗(yàn)證

        為了驗(yàn)證院編計(jì)算公式的在當(dāng)前條件下是否具有一定的適用性,故需對(duì)上述幾種計(jì)算公式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(表2)。

        表2 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

        從上表中可以看出,壹橋8212公式、地方經(jīng)驗(yàn)公式及數(shù)理統(tǒng)計(jì)法所計(jì)算得的百年流量Q1%彼此十分接近,相差都在10 %以內(nèi);壹橋8212公式與數(shù)理統(tǒng)計(jì)法所計(jì)算得的三百年流量Q0.33%相差11.3 %;且壹橋8212公式的計(jì)算結(jié)果均略大其他兩種方法的計(jì)算結(jié)果,對(duì)于高程的設(shè)計(jì)而言是偏安全的。這也說明了壹橋8212中的計(jì)算公式對(duì)于隆務(wù)河乃至該地區(qū)流量的計(jì)算具有一定的適用性。

        3 結(jié)論

        本文以西成線中隆務(wù)河設(shè)計(jì)洪峰流量的計(jì)算為背景,運(yùn)用院編壹橋8212公式、地方經(jīng)驗(yàn)公式及數(shù)理統(tǒng)計(jì)法這三種計(jì)算理論,計(jì)算了隆務(wù)河的百年及三百年流量,并對(duì)三種方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。得到以下結(jié)論:

        (1)院編壹橋8212公式計(jì)算結(jié)果與其他兩種方法的結(jié)果十分接近,說明此公式對(duì)于隆務(wù)河及該地區(qū)流量的計(jì)算具有一定的適用性,可為今后該地區(qū)的流量設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

        (2)經(jīng)驗(yàn)公式是在缺乏水文資料的情況下總結(jié)出的一種簡易計(jì)算方法,其結(jié)果具有一定的局限性;且院編計(jì)算公式很難全面考慮影響流量計(jì)算的各個(gè)因素。因此今后在計(jì)算洪峰流量時(shí)可通過采用多種計(jì)算方法的核對(duì)比較,以便選用合理的計(jì)算結(jié)果。

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