高菲

（四川省交通勘察設計研究院有限公司，成都 610031）

1 工程概況

四川資陽某一級公路位于四川盆地丘陵地區(qū)，地貌為丘陵地貌。工程區(qū)丘陵山地地貌分為淺切丘陵、中切丘陵和深切丘陵。主要表現(xiàn)為緩谷淺丘，高差一般不超過30m。中切丘陵地貌高程220～420m，高差30～60m。深切丘陵地貌標高240～550m，相對高差60～100m。項目區(qū)屬亞熱帶溫暖濕潤氣候區(qū)，具有冬暖、春旱、夏熱、秋涼，降水充沛的特點。平均降雨量931.8mm。測區(qū)春季雨量小，降雨日數(shù)少，夏季雨量多，強度大，秋冬季降雨日數(shù)較多，而雨量不大的特點。路線所經(jīng)區(qū)域的地表水主要來源于大氣降水。區(qū)內年降雨量分布不均勻，雨季（6～9 月）降雨量占全年降雨量的70%以上，導致境內的河流具有汛期洪水暴漲暴落、枯水季節(jié)徑流很小甚至有斷流的特點。

本文對不同匯水面積區(qū)域中有無阻水構筑物、不同匯水區(qū)域主河溝的選擇不同對洪水洪峰設計流量和涵洞孔徑的影響做了計算并對結果進行分析。

2 計算依據(jù)

水文計算公式繁多，但是該項目處于四川省地區(qū)，采用《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》[1]中的推理公式來計算暴雨洪水流量是合理且可靠的。其公式如下：

式中，Q 為最大流量，m3/s；ψ 為洪峰徑流系數(shù)；S 為暴雨雨力，mm/h；τ 為流域匯流時間，h；n 為暴雨公式指數(shù)；F 為集水面積，m2。

工況設置了多種情況：（1）不同流域面積；（2）匯水流域是否考慮已有道路的阻水；（3）匯水流域中不同匯流河道的選取。主要計算和分析其對洪水洪峰流量的影響和涵洞孔徑的影響，從而得出最優(yōu)設計方案。

本次計算涵洞的匯水面積考慮了3 個流域，分別為2.4km2、4.4km2和21.9km2。公路建設比較完善，匯水區(qū)域內，多存在其他公路等構筑物，設計人員在設計時，有時直接就以構筑物（例如，已有的公路等）為界限分水嶺來勾繪流域面積。為此，此次匯水區(qū)域工況分了考慮區(qū)域內構筑物和不考慮區(qū)域內構筑物的工況。在計算主河溝比降的時候，常常遇匯水區(qū)域內多條河溝的匯水面積和分水嶺高程的不同而難以去選定主河溝，特別是匯水流域內不明顯的上游溝的選擇時，所以此次主河溝的工況只考慮A 和B 兩種。A、B 分別表示該匯水區(qū)域內的河溝，A 號河溝分水嶺高程值比B 號河溝分水嶺高程高，但匯水面積小于B 河溝。上述3 種不同流域所對應的特征值如表1 所示。

表1 各種工況下試驗流域的基本特征值

3 計算結果與分析

結合該項目路線地形，對3 個匯水流域不同工況進行計算，根據(jù)計算結果得到因主河道選擇的不同而造成的不同設計洪水頻率下洪峰流量差值關系圖，具體見圖1a、圖1b。

由圖1a 可得，同一流域面積內，主河道選取的不同造成了洪水洪峰流量的不同，在同一設計頻率下，流量差值隨著匯水面積的增大而增大；在同一匯水面積下，隨著洪水設計頻率的減小而增大，設計頻率為2%是分界點，設計頻率小于2%，隨著頻率的減小，流量差值表現(xiàn)為增加較快，設計頻率大于2%，隨著頻率的增大，流量差值表現(xiàn)為緩慢減小。

圖1b 為以所有匯水流域內A 河道為主河道，考慮匯水區(qū)域內已有構筑物和不考慮2 種情況下計算出的流量差與設計頻率關系圖。由圖1b 可得，同一設計頻率下，流量差值隨著流域面積的增大而增大；相同匯水面積下，隨著設計頻率的增大而減小，且設計頻率越小，差值標線為急劇增大，設計頻率越大，差值緩慢變小。設計頻率為2%是分界點，設計頻率小于2%，隨著頻率的減小，流量差值表現(xiàn)為增加較快，設計頻率大于2%，隨著頻率的增大，流量差值表現(xiàn)為緩慢減小，且流域面積越大，該分界點越明顯。

圖1 不同主河道下設計頻率與流量差值的關系

計算3 個匯水流域內同一設計頻率下，不同主河道的選擇、是否考慮已有構筑物并以構筑物為流域邊線對涵洞孔徑計算的影響，以無壓力涵洞為例。

采用《橋涵水文》[2]及JTG/T D65-04—2007《公路涵洞設計細則》[3]中的公式進行計算，見式（2）：

式中，Q1為過涵流量，m3/s；ε 為壓縮系數(shù)，取1.0；φ 為流速系數(shù)，取0.95；Ak為過水面積，m2；g 為重力加速度，取9.80m/s2；H0為涵前總水頭，m；hk為涵洞進口附近臨界斷面的水深，m。

涵洞孔徑計算成果如表2 所示。在不考慮區(qū)域內構筑物的情況下，選擇不同的河道，對涵洞孔徑都造成了影響，河溝的分水嶺高程越高，洪水洪峰流量越大，涵洞孔徑設計就越大。在主河道選擇相同的情況下，不考慮區(qū)域內構筑物比考慮區(qū)域內構筑物所計算得出的涵洞孔徑大得多。

表2 涵洞孔徑計算成果表

4 結語

對比上述工況下洪水洪峰流量和涵洞孔徑的計算結果，可得以下結論：在計算流域的洪水洪峰流量時，匯水流域內主河道選擇尤為重要，在面對匯水流域內不明顯的上游溝的選擇時，其分水嶺高程對洪峰設計流量影響比其集水面積影響更大，隨著流域面積的增大，此現(xiàn)象表現(xiàn)得更為明顯。

很多中小流域既無水文觀測資料，又無可參照的構造物，在工程項目建設中，每年暴雨時節(jié)，常有公路水毀、涵洞堵塞而造成的洪災發(fā)生，從工程安全角度和寬容性設計角度考慮及經(jīng)濟、合理的設計原則出發(fā)，在工程設計計算洪水洪峰流量時，應選擇上游溝分水嶺高程最高的作為主河道，從而進行洪水洪峰流量計算；當匯水區(qū)域內有既有的構筑物時，應不考慮阻水影響，按天然匯水區(qū)域來進行計算。