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        山區(qū)鐵路小流域暴雨徑流計(jì)算方法淺析

        2022-09-21 08:13:48杜亮
        工程建設(shè)與設(shè)計(jì) 2022年17期
        關(guān)鍵詞:設(shè)計(jì)

        杜亮

        (陜西省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065)

        1 工程概況

        新建池黃鐵路起于寧安城際池州站,終點(diǎn)接軌黃山北站,是武漢至杭州間快速客運(yùn)通道的組成區(qū)段。線路展布于風(fēng)景秀麗的皖南山區(qū),依次經(jīng)過沿江丘陵、九華山山脈、太平湖、黃山山脈,最后抵達(dá)休寧、績溪盆地。

        沿線流域以黃山山脈為界,線路依次經(jīng)過長江流域和新安江流域,跨越的河流主要有白沙河、童溪河、九華河、青通河、青弋江、前溪河等。年平均降水量1 574.5~1 797.6 mm,年最大降水量2 260.7~2 508.2 mm。

        2 暴雨徑流計(jì)算方法簡介

        2.1 鐵四院法

        TB 10017—1999《鐵路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》[1](項(xiàng)目建設(shè)時(shí)本規(guī)范為現(xiàn)行規(guī)范)中,鐵四院法洪峰流量計(jì)算公式如式(1)所示:

        式中,QP為洪峰流量;Rp為歷時(shí)t=6 h或24 h的設(shè)計(jì)凈雨深,mm;Rp=Ht,pC3,Ht,p為歷時(shí)t=6 h或24 h的設(shè)計(jì)暴雨量,mm,可利用水利部門資料查取,C3為洪峰徑流系數(shù),查TB 10017條文說明表3.3.11-12取值;B5為雨型系數(shù),查TB 10017條文說明表3.3.11-13取值;A5為洪峰消減系數(shù),隨E、D而變(E為與坡面自然特征及產(chǎn)流條件有關(guān)的參數(shù);D為反應(yīng)河槽與山坡調(diào)蓄能力的參數(shù)),可從說明圖3.3.11-1或說明圖3.3.11-2查取;t0為凈雨歷時(shí),取24 h;F為流域面積。

        E、D按式(2)、式(3)計(jì)算:

        式中,kA為斷面系數(shù);L1為主河溝長度,km;I2為流域坡面平均坡度,‰(當(dāng)I2≥300‰時(shí),取300‰);bc為坡面平均長度,由式(4)、式(5)確定:

        式中,Σli為流域中支汊河溝的總長,km,所取支汊河溝的長度均應(yīng)大于0.4L1。

        kA按式(6)計(jì)算:

        式中,a0應(yīng)取高水位時(shí)過水全面積ω及最大水深hm,由式(7)計(jì)算;m1按TB 10017條文說明表3.3.11-14查??;I1為主河槽平均坡度,‰,可按式(8)計(jì)算:

        式中,l0,l1,…,ln為分段河長,km;h0,h1,…,hn為河道縱斷面各分段點(diǎn)對(duì)出口斷面處的高差,m。

        2.2 安徽84辦法

        《安徽省暴雨參數(shù)等值線圖、山丘區(qū)產(chǎn)匯流分析成果和山丘區(qū)中、小面積設(shè)計(jì)洪水計(jì)算辦法》(簡稱安徽84辦法),采用了納希線性瞬時(shí)單位線模型,主要有2個(gè)參數(shù)N和k,認(rèn)為流域上瞬時(shí)單位凈雨深經(jīng)過N個(gè)相同的串聯(lián)的線性水庫調(diào)蓄后的出流過程,就是流域出口斷面處的流量過程線。k為每個(gè)水庫的調(diào)節(jié)系數(shù)或調(diào)蓄滯時(shí),Nk=m1,m1是匯流時(shí)間的度量,具有時(shí)間因次。對(duì)于皖南山區(qū),m1概化后的計(jì)算表達(dá)式(9):

        式中,J為河道平均坡度,‰;R3為設(shè)計(jì)頻率的3 h面凈雨量,mm。

        主要用于安徽省淮河以南,積水面積在10~300 km2,無水文實(shí)測(cè)資料的山丘區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算,對(duì)于集水面積10 km2以下的特小流域,也可提供參考。

        2.3 黃山地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式

        《黃山水文手冊(cè)》[2]根據(jù)本地區(qū)實(shí)測(cè)流量資料的水文站年最大流量頻率計(jì)算成果及流域幾何特征參數(shù),分別建立了不同頻率的設(shè)計(jì)洪峰流量與流域面積、河道坡度的經(jīng)驗(yàn)公式,其相關(guān)系數(shù)都在0.95以上,可供無資料地區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算用。為了提高適用性與可靠性,經(jīng)驗(yàn)公式分200~3 000 km2、200 km2以下建立。

        1)流域面積200~3 000 km2,適用公式(10):

        2)流域面積小于200 km2,根據(jù)使用參數(shù),分兩種情況:(1)設(shè)計(jì)頻率洪峰流量與流域面積F相關(guān),適用公式(11);(2)設(shè)計(jì)頻率洪峰流量與流域面積F、河道平均坡度J相關(guān),適用公式(12)或公式(13)。

        《黃山水文手冊(cè)》建議優(yōu)先采用與流域面積F相關(guān)的公式進(jìn)行計(jì)算。

        2.4 推理公式法

        根據(jù)《橋渡水文》[3]介紹的推理公式法設(shè)計(jì)流量計(jì)算公式為式(14):

        式中,α為洪峰流量系數(shù);αp為暴雨強(qiáng)度,mm;sP為雨力,數(shù)值上等于時(shí)段1 h的平均雨強(qiáng),與αp的關(guān)系為式(15):

        式中,n為暴雨衰減指數(shù),由地方水文手冊(cè)資料查??;τ為流域匯流時(shí)間,h,由式(16)確定:

        式中,m為匯流參數(shù);Lc為流域全長;I為沿最遠(yuǎn)流程的平均比降。

        τ和a存在下列理論關(guān)系,見式(17)和式(18):

        式中,n為暴雨衰減指數(shù);τ0為徑流系數(shù)a=1.0時(shí)的匯流時(shí)間;由于產(chǎn)流時(shí)間tc與匯流時(shí)間τ存在差異,又區(qū)分為全面匯流和部分匯流兩種情況。

        全面匯流情況:tc≥τ,出口斷面處的設(shè)計(jì)洪峰流量由全面流域匯流所形成,見式(19)和式(20):

        2.5 形態(tài)勘測(cè)法

        利用水力學(xué)中的謝才-曼寧公式,結(jié)合河槽的粗糙系數(shù)nc和河床比降和橋址河床斷面,建立流量與水位及流速的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線,從而可利用調(diào)查獲得的水位間接推求設(shè)計(jì)流量。計(jì)算時(shí)假定橋梁位于穩(wěn)定均勻流河段,謝才-曼寧公式為式(22):

        式中,v為過水?dāng)嗝娴钠骄魉伲琺/s;1/nc為粗糙系數(shù);nc為糙率;Is為水力坡度,‰;R為水力半徑,m。

        得到設(shè)計(jì)流量Q計(jì)算公式為式(23):

        3 工點(diǎn)計(jì)算結(jié)果分析

        在線路沿線選取了10處水位計(jì)算工點(diǎn),分別用以上介紹的4種方法計(jì)算設(shè)計(jì)流量,計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?和表2所示。

        由表1和表2可以看出,百年一遇設(shè)計(jì)流量計(jì)算,鐵四院法和安徽84辦法計(jì)算結(jié)果相近、變化趨勢(shì)一致,計(jì)算結(jié)果偏于安全,推理公式法介于中間;黃山經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算結(jié)果偏小、且變化趨勢(shì)和其他3種方法有顯著差異;在流域面積約小于50 km2區(qū)段,鐵四院法流量計(jì)算結(jié)果偏安全,流域面積大于50 km2區(qū)間,安徽84辦法計(jì)算值較偏安全,在整個(gè)流域分布區(qū)間內(nèi),兩者的變化趨勢(shì)基本一致。

        表1 設(shè)計(jì)流量計(jì)算結(jié)果匯總表

        表2 以鐵四院法為基準(zhǔn)流量比較

        4 工點(diǎn)計(jì)算驗(yàn)證

        池黃鐵路沿線地形地貌變化多樣,橋址多位于山區(qū),人煙稀少,且缺乏水文站連續(xù)序列的水文記錄資料,故通過選擇有驗(yàn)證條件的工點(diǎn)通過洪痕調(diào)查,利用形態(tài)勘測(cè)的方法間接驗(yàn)證理論計(jì)算方法。以上驗(yàn)證結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

        表3 工點(diǎn)驗(yàn)證結(jié)果匯總表

        驗(yàn)證工點(diǎn)3種方法的流量計(jì)算結(jié)果相近,表明理論公式的選擇和參數(shù)的取值是適合的。

        5 結(jié)語

        通過暴雨徑流計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析和工點(diǎn)驗(yàn)證,表明選擇鐵四院法作為本工程小流域暴雨徑流計(jì)算方法是合適的。根據(jù)以上計(jì)算分析結(jié)果,結(jié)合本地區(qū)既有鐵路工程的水文計(jì)算成果,池黃鐵路暴雨徑流計(jì)算方法,建議優(yōu)先采用鐵四院法;對(duì)于流域面積大于50 km2區(qū)段,以安徽84辦法作為參照,可以提高計(jì)算結(jié)果的可靠性。

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