高菲
(四川省交通勘察設(shè)計研究院有限公司,成都 610031)
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(nèi)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(dǎo)致境內(nèi)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(gòu)筑物、不同匯水區(qū)域主河溝的選擇不同對洪水洪峰設(shè)計流量和涵洞孔徑的影響做了計算并對結(jié)果進行分析。
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(shè)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(shè)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(shè)比較完善,匯水區(qū)域內(nèi),多存在其他公路等構(gòu)筑物,設(shè)計人員在設(shè)計時,有時直接就以構(gòu)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(nèi)構(gòu)筑物和不考慮區(qū)域內(nèi)構(gòu)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(yīng)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
結(jié)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(jié)果得到因主河道選擇的不同而造成的不同設(shè)計洪水頻率下洪峰流量差值關(guān)系圖,具體見圖1a、圖1b。
由圖1a 可得,同一流域面積內(nèi),主河道選取的不同造成了洪水洪峰流量的不同,在同一設(shè)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(shè)計頻率的減小而增大,設(shè)計頻率為2%是分界點,設(shè)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(shè)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(nèi)A 河道為主河道,考慮匯水區(qū)域內(nèi)已有構(gòu)筑物和不考慮2 種情況下計算出的流量差與設(shè)計頻率關(guān)系圖。由圖1b 可得,同一設(shè)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(shè)計頻率的增大而減小,且設(shè)計頻率越小,差值標線為急劇增大,設(shè)計頻率越大,差值緩慢變小。設(shè)計頻率為2%是分界點,設(shè)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(shè)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(shè)計頻率與流量差值的關(guān)系
計算3 個匯水流域內(nèi)同一設(shè)計頻率下,不同主河道的選擇、是否考慮已有構(gòu)筑物并以構(gòu)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(shè)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(nèi)構(gòu)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(shè)計就越大。在主河道選擇相同的情況下,不考慮區(qū)域內(nèi)構(gòu)筑物比考慮區(qū)域內(nèi)構(gòu)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
對比上述工況下洪水洪峰流量和涵洞孔徑的計算結(jié)果,可得以下結(jié)論:在計算流域的洪水洪峰流量時,匯水流域內(nèi)主河道選擇尤為重要,在面對匯水流域內(nèi)不明顯的上游溝的選擇時,其分水嶺高程對洪峰設(shè)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(gòu)造物,在工程項目建設(shè)中,每年暴雨時節(jié),常有公路水毀、涵洞堵塞而造成的洪災(zāi)發(fā)生,從工程安全角度和寬容性設(shè)計角度考慮及經(jīng)濟、合理的設(shè)計原則出發(fā),在工程設(shè)計計算洪水洪峰流量時,應(yīng)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(nèi)有既有的構(gòu)筑物時,應(yīng)不考慮阻水影響,按天然匯水區(qū)域來進行計算。