李 盛，秦 軍，蔡 磊，馬 莉，于本田，余云燕

（1.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.中國(guó)鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司 工務(wù)部，甘肅 蘭州 730030）

西北漫流區(qū)尤指河西地區(qū)祁連山、龍首山、合黎山和馬鬃山山腳下存在的特有山前流域，是由山區(qū)驟降暴雨引發(fā)山洪，其夾雜的大量泥沙經(jīng)山口漫流流出而形成的連續(xù)沖積錐［1］所形成。這類特殊山前流域由于沒有固定的主河道，山洪在漫流區(qū)搖擺不定，遍地漫流，對(duì)既有鐵路路基產(chǎn)生不同程度的沖刷破壞，甚至?xí)：α熊囆熊嚢踩瑥亩斐删薮蟮慕?jīng)濟(jì)和財(cái)產(chǎn)損失。鐵路部門針對(duì)漫流區(qū)洪水對(duì)鐵路路基的沖刷破壞也曾進(jìn)行過以工程措施為主的相關(guān)治理，如沿路基修建導(dǎo)流堤、擋水壩以及引水渠，試圖將漫流的洪水引入就近的鐵路橋涵進(jìn)行下瀉。但是，既有鐵路橋涵的通洪能力是在原來流域特性及原有相關(guān)排水建筑物影響下設(shè)計(jì)的，已不能順利下瀉當(dāng)前過量的洪水。所以，當(dāng)山區(qū)驟降暴雨引發(fā)洪水時(shí)，橋涵因通洪能力不足，常發(fā)生滿孔水害。此外，近年來由于氣候變化、人為干涉、流域下墊面的變化等因素［2］，河西山區(qū)流域發(fā)生山洪災(zāi)害的頻率加大，導(dǎo)致鐵路橋涵發(fā)生水害的頻率也隨之增加。2020年5月由于暴雨引發(fā)山洪，蘭新線山丹境內(nèi)漫流區(qū)某涵洞遭受了通洪能力之外的洪水，導(dǎo)致涵洞滿孔，水上鐵路路肩等災(zāi)害，漫流水害如圖1所示。

目前該類流域洪災(zāi)的應(yīng)對(duì)措施以治理為主［3］，而山洪災(zāi)害的治理工作應(yīng)結(jié)合防范與治理兩方面科學(xué)的應(yīng)對(duì)，從抗洪能力著手，定量掌握橋涵的抗洪能力，進(jìn)而進(jìn)行洪災(zāi)預(yù)警研究。不能盲目、無針對(duì)性的治理，不能發(fā)生洪災(zāi)后再采取治理措施。此外，鐵路橋涵按山口布置，較零散，數(shù)量也較多，給鐵路部門治理工作帶來極大的工作量。因此，針對(duì)蘭新線鐵路水害重點(diǎn)治理的漫流區(qū)開展橋涵水文分析很有必要。

目前有關(guān)山區(qū)鐵路水害的研究主要有：譚炳炎［4］研究了山區(qū)鐵路沿線暴雨泥石流預(yù)報(bào)，完善了泥石流組合預(yù)報(bào)模式；張治中［5］通過南疆線水文勘察，以包爾圖溝的水文分析為例，介紹了長(zhǎng)大漫流地區(qū)水文調(diào)查、分析與計(jì)算方法；羅紅枝等［6］通過對(duì)漫流區(qū)流域特點(diǎn)和水文特征分析以及典型病害原因分析，對(duì)漫流區(qū)水文計(jì)算方法和鐵路橋涵布設(shè)提出了建議，對(duì)該地區(qū)工程設(shè)置和水文計(jì)算有一定的借鑒和參考價(jià)值；王昌鵬［7］以蘭新高速鐵路新疆戈壁漫流區(qū)橋涵為研究對(duì)象，分析了漫流對(duì)橋涵排洪的影響以及漫流區(qū)橋涵設(shè)計(jì)及布置情況，為漫流區(qū)橋涵的設(shè)計(jì)提供了參考。但是，針對(duì)漫流區(qū)既有鐵路橋涵通洪現(xiàn)狀的研究還不足，根據(jù)通洪能力進(jìn)行預(yù)警雨量的研究也不足。

此外，漫流區(qū)因?qū)偃辟Y料流域，目前針對(duì)缺資料、無資料地區(qū)預(yù)警雨量的研究一直是難題［8］。目前對(duì)該類缺資料流域預(yù)警雨量的研究主要有：周慧妍等［9］通過水位流量反推法、災(zāi)害與降雨頻率分析法、頻率曲線法3類方法結(jié)合單位線推求設(shè)計(jì)洪水的途徑對(duì)云南省缺資料小流域臨界雨量進(jìn)行過研究，分析得出單位線針對(duì)缺資料小流域匯流過程合理性較好，且水位流量反推更適合該類流域臨界雨量的研究；程曌［10］通過災(zāi)害與降雨同頻率的方法結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式法、推理公式法、和數(shù)值模擬對(duì)黟縣地區(qū)臨界雨量進(jìn)行了推求，解決了缺資料地區(qū)修建水工建筑物沒有水文資料或缺乏水文資料的難題；Bharali B 等［11］利用VPKWM 數(shù)值模型，采用SCS-CN 進(jìn)行降雨徑流模擬，通過與觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了VPKWM 模型針對(duì)缺資料流域洪水計(jì)算的合理性；王燕云［12］等建立了一種與無資料具有相似流域特性的鄰近有資料流域的產(chǎn)匯流模型進(jìn)行預(yù)警雨量的推求，與水文水力學(xué)法產(chǎn)匯流及水位流量反推計(jì)算的臨界雨量真實(shí)值對(duì)比結(jié)果相近，簡(jiǎn)便可靠的模型為無資料或缺資料流域山洪預(yù)警提供了便利。通過分析目前研究現(xiàn)狀，無資料和缺資料流域山洪災(zāi)害多采用以水文分析結(jié)合水力物理機(jī)制或水文模型的方法，進(jìn)行預(yù)警雨量或臨界雨量的推求。

本文運(yùn)用山洪災(zāi)害分析方法對(duì)河西地區(qū)缺資料漫流區(qū)流域蘭新鐵路進(jìn)行橋涵水文沿線分布研究。通過單位線與SWMM 水文模型［13］（暴雨洪水管理模型）2 類方法推求設(shè)計(jì)洪水，利用設(shè)計(jì)洪水對(duì)蘭新線漫流區(qū)部分鐵路橋涵進(jìn)行設(shè)計(jì)水位、通洪能力及預(yù)警雨量分析。為鐵路部門對(duì)該地區(qū)既有鐵路橋涵水毀采取防護(hù)措施及新建線路設(shè)計(jì)提供必要的數(shù)據(jù)支撐。

1 漫流區(qū)橋涵水文資料及分析方法

1.1 橋涵水文資料

橋涵水文分析使用的資料根據(jù)獲取途徑分為如下2部分。

外業(yè)資料：對(duì)水害發(fā)生可能性較大的鐵路橋涵進(jìn)行實(shí)地勘察。通過實(shí)地勘察確定各橋涵相關(guān)的攔水壩、引水渠、導(dǎo)流堤走向，以此確定橋涵所屬的流域邊界；通過測(cè)量確定橋涵的滿孔成災(zāi)水位高程。

內(nèi)業(yè)資料：通過Google Earth 獲取與鐵路橋涵相關(guān)流域的集水面積、坡度以及主河道坡度、長(zhǎng)度等參數(shù)；通過ArcGis獲取SWMM 水文模型的前期資料；通過鐵路局降雨資料、各地區(qū)暴雨洪水圖集和水文手冊(cè)獲取設(shè)計(jì)暴雨推求資料。

1.2 橋涵水文分析方法

1.2.1 洪水過程計(jì)算

利用設(shè)計(jì)洪水對(duì)漫流區(qū)鐵路橋涵設(shè)計(jì)水位、通洪能力及預(yù)警雨量進(jìn)行推求分析。設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算過程首先為設(shè)計(jì)暴雨的計(jì)算，然后再利用設(shè)計(jì)暴雨進(jìn)行設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算。

1）設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算

根據(jù)分析橋涵所屬地區(qū)暴雨洪水圖集、水文手冊(cè)，計(jì)算不同控制時(shí)段下各頻率的設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量；然后，通過流域點(diǎn)—面關(guān)系將設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)面雨量；最后，按照時(shí)程分配將設(shè)計(jì)面雨量轉(zhuǎn)化為降雨過程。其中降雨歷時(shí)為24 h 的設(shè)計(jì)面雨量可直接按上述過程推求得到，而其他歷時(shí)的設(shè)計(jì)面雨量需結(jié)合暴雨強(qiáng)度公式推求得到，其暴雨強(qiáng)度計(jì)算式如下。

式中：Ht，P為降雨歷時(shí)為t、降雨頻率為P 的暴雨量（設(shè)計(jì)面雨量），mm；SP為降雨頻率為P 的雨力，mm·h-1；n為暴雨衰減指數(shù)。

2）設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

《山洪災(zāi)害分析評(píng)價(jià)技術(shù)要求》和相關(guān)文獻(xiàn)［14］指出，對(duì)于洪水資料缺乏的流域，若設(shè)計(jì)洪水沒有針對(duì)性及經(jīng)驗(yàn)性的計(jì)算方法，應(yīng)采用多種計(jì)算方法降低因某一種計(jì)算方法造成的誤差，確保計(jì)算方法的合理性。

漫流區(qū)流域?qū)俸游鲀?nèi)陸河流，流域內(nèi)水文站點(diǎn)缺乏，單位線法是計(jì)算該地區(qū)設(shè)計(jì)洪水最適用的理論計(jì)算方法；此外，近年運(yùn)用水文模型計(jì)算設(shè)計(jì)洪水的方法逐漸成為熱點(diǎn)，常用的水文模型［15-18］有SWMM，HEC-HMS，DPSIR，MIKE SHE 和新安江等。其中秦軍等［19］已驗(yàn)證了SWMM 水文模型對(duì)漫流區(qū)流域山洪模擬的適用性。因此，選擇單位線法和SWMM 水文模型2 種方法推求漫流區(qū)的設(shè)計(jì)洪水。

1.2.2 設(shè)計(jì)洪水

設(shè)計(jì)洪水分析基于小流域設(shè)計(jì)暴雨和設(shè)計(jì)洪水具有相同頻率的假設(shè)［20］，即降雨與災(zāi)害同頻率發(fā)生。因此，為了分析正常降雨強(qiáng)度和暴雨強(qiáng)度下橋涵的防洪現(xiàn)狀，用2，50 及100年一遇設(shè)計(jì)洪水的最高水位與橋涵控制斷面的成災(zāi)水位對(duì)比，判斷對(duì)應(yīng)的最高水位能否滿足橋涵成災(zāi)水位要求，以此定量地掌握橋涵設(shè)計(jì)防洪現(xiàn)狀。

設(shè)計(jì)洪水分析中，確定橋涵控制斷面的設(shè)計(jì)洪水水位過程線是關(guān)鍵，其確定方法為：根據(jù)橋涵實(shí)測(cè)資料，通過水力計(jì)算得到橋涵控制斷面的水位流量關(guān)系曲線；利用水位流量關(guān)系曲線將1.2.1 節(jié)方法得到的設(shè)計(jì)洪水流量過程線轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)洪水水位過程線。

1.2.3 通洪能力

利用橋涵成災(zāi)的臨界重現(xiàn)期，分析橋涵通洪能力。因此，根據(jù)橋涵成災(zāi)的臨界重現(xiàn)期將橋涵發(fā)生漫流水害的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行等級(jí)劃分。風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分參考鐵路橋涵水文設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和漫流區(qū)降雨資料確定，詳細(xì)等級(jí)劃分見表1。

表1 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

通洪能力分析中，確定橋涵成災(zāi)的臨界重現(xiàn)期是關(guān)鍵，其確定方法為試算法，試算流程如圖2 所示，其中成災(zāi)流量Q災(zāi)通過成災(zāi)水位h0確定，ε 為引入的允許誤差。通過反復(fù)試算，最終求得橋涵成災(zāi)的臨界重現(xiàn)期和臨界降雨量。

圖2 試算流程

1.2.4 預(yù)警雨量

山洪預(yù)警指標(biāo)有水位預(yù)警和雨量預(yù)警2 個(gè)指標(biāo)［21］，本文選擇雨量預(yù)警指標(biāo)對(duì)漫流區(qū)鐵路橋涵進(jìn)行水害預(yù)警。雨量預(yù)警指標(biāo)利用水位流量反推法求解，求解時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn)。

前期影響雨量對(duì)徑流深度有影響［22］，土壤含水量又決定前期影響雨量，最終會(huì)影響橋涵控制斷面處的洪峰流量。因此，推求橋涵預(yù)警雨量時(shí)應(yīng)考慮土壤含水量的影響。通過現(xiàn)場(chǎng)勘察及參考相關(guān)文獻(xiàn)［23］，在SWMM 水文模型中，為了考慮土壤含水量對(duì)預(yù)警雨量的影響，采用土壤初始下滲能力f0分別為85，106 和127 mm·h-1代表較濕、一般、較干3種土壤含水量狀態(tài)。

利用水位流量反推法求解橋涵成災(zāi)預(yù)警雨量時(shí)，為預(yù)留防洪應(yīng)急時(shí)間，將0.8h0作為預(yù)警水位，利用預(yù)警水位進(jìn)行預(yù)警雨量的反推。

2 蘭新線漫流區(qū)涵洞水文分析

山丹縣境內(nèi)祁連山聳立于南，大黃山雄踞于東，龍首山屏障于北，丘巒起伏，溝壑縱橫。除山區(qū)外，全境自東南向西北緩斜坡降，縣境南部和東部為漫流形成的沖洪積平原，中部為槽形地帶的漫流沖積平原。山丹縣境內(nèi)蘭新線K477+000—K478+000 段處于龍首山山前漫流區(qū)，該范圍內(nèi)的漫流洪水經(jīng)攔水壩、導(dǎo)流堤、引水渠等一系列導(dǎo)流措施，最終通過研究段內(nèi)某涵洞（簡(jiǎn)稱K涵洞）下泄，該涵洞時(shí)常遭遇洪水，導(dǎo)致涵洞滿孔、水上鐵路路肩等水害。因此，將該涵洞作為蘭新線漫流區(qū)鐵路橋涵水文分析過程的典例。

該涵洞所屬的相關(guān)流域分為山洪孕產(chǎn)災(zāi)山區(qū)流域和山洪成災(zāi)受災(zāi)漫流區(qū)流域，2 種流域因流域特征參數(shù)存在差異，設(shè)計(jì)洪水的推求方法有所不同，應(yīng)分別對(duì)推求方法進(jìn)行合理性分析后，再進(jìn)行橋涵水文計(jì)算。

2.1 所屬山區(qū)流域時(shí)的設(shè)計(jì)洪水

2.1.1 設(shè)計(jì)暴雨推求

1）設(shè)計(jì)面雨量推求

根據(jù)河西地區(qū)短歷時(shí)暴雨的降雨歷時(shí)特點(diǎn)，選取1，2 和3 h 為控制時(shí)段，24 h 控制時(shí)段用于設(shè)計(jì)洪水的合理性分析；以暴雨洪水圖集中的山丹站為代表點(diǎn)，得到研究流域重心最大各時(shí)段的點(diǎn)雨量均值和暴雨變差系數(shù)Cv；根據(jù)暴雨偏態(tài)系數(shù)Cs取3.5Cv的皮爾遜Ⅲ型曲線（P-Ⅲ型曲線）KP（模比系數(shù)）值表得到各重現(xiàn)期的KP值，進(jìn)而得到不同時(shí)段各重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量，結(jié)果見表2。

表2 不同重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量

根據(jù)流域點(diǎn)面折減系數(shù)及流域形狀改正系數(shù)得到相應(yīng)時(shí)段不同重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)面雨量。各控制時(shí)段2，50 和100年一遇的設(shè)計(jì)面雨量結(jié)果見表3，其中1，2 和3 h時(shí)段的設(shè)計(jì)面雨量由24 h時(shí)段的設(shè)計(jì)面雨量結(jié)合暴雨強(qiáng)度式（1）求得。

表3 百年一遇設(shè)計(jì)面雨量

2）設(shè)計(jì)面雨過程推求

選取河西地區(qū)流域主雨峰為1 h 的綜合暴雨雨型，按照控制時(shí)段同頻率放大［24］得到百年一遇面雨量過程，結(jié)果見表4。

表4 百年一遇面雨量過程

2.1.2 設(shè)計(jì)洪水推求

河西內(nèi)陸河山區(qū)流域缺乏實(shí)測(cè)降雨徑流數(shù)據(jù)，無法驗(yàn)證設(shè)計(jì)洪水結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，利用單位線法與數(shù)值模擬法對(duì)比分析其計(jì)算結(jié)果的合理性。

1）單位線法推求設(shè)計(jì)洪水

河西地區(qū)漫流區(qū)下墊面是石山森林草原，流域?qū)儆诟珊档貐^(qū)，產(chǎn)流模式為超滲產(chǎn)流。在超滲產(chǎn)流模式下，入滲期平均產(chǎn)流量為4.37 mm·h-1，產(chǎn)流前的初損量為9.34 mm，凈雨深為27.94 mm，通過時(shí)段單位線得到降雨時(shí)長(zhǎng)為24 h 的百年一遇洪水過程線，其洪水流量見表5。

表5 百年一遇洪水流量

2）數(shù)值模擬法推求設(shè)計(jì)洪水

SWMM 模擬降雨徑流的主要控制模型為非線性水庫(kù)模型［25］，其產(chǎn)流形式選擇Horton 下滲模式。關(guān)于SWMM 水文模型對(duì)西北河西漫流區(qū)流域的適用性、參數(shù)率定及模型驗(yàn)證，詳見文獻(xiàn)［19］。結(jié)合SWMM 用戶手冊(cè)及相關(guān)文獻(xiàn)［26］，關(guān)鍵參數(shù)率定結(jié)果見表6。

表6 模型關(guān)鍵參數(shù)率定結(jié)果

將確定好的設(shè)計(jì)降雨時(shí)間序列輸入已建立的SWMM 水文模型，在非線性水庫(kù)模式下，經(jīng)下滲、填洼、蒸發(fā)等損失過程模擬［27］，得到的洪水過程線如圖3所示。

圖3 K 涵洞對(duì)應(yīng)山區(qū)流域出口斷面洪水流量和百年一遇降雨量

3）結(jié)果對(duì)比

通過單位線法和數(shù)值模擬法分別計(jì)算K涵洞對(duì)應(yīng)的山區(qū)流域百年一遇洪水過程線，得到如下結(jié)果：由單位線法推求的洪水洪峰流量為51.4 m3·s-1，由數(shù)值模擬推求的洪水洪峰流量為49.12 m3·s-1，兩者洪峰流量相對(duì)誤差為4.6%，誤差在20%以內(nèi)，因此可作為容許誤差［28］。

通過對(duì)比分析數(shù)值模擬法與單位線法推求的設(shè)計(jì)洪水結(jié)果可見，數(shù)值模擬針對(duì)山區(qū)流域降雨徑流模擬效果較好。設(shè)計(jì)洪水洪峰流量是橋涵水文分析的關(guān)鍵指標(biāo)，利用SWMM 水文模型提高了洪峰流量推求效率，其計(jì)算過程方便，對(duì)于漫流區(qū)流域設(shè)計(jì)洪水的推求具有一定的指導(dǎo)意義。

2.2 所屬漫流區(qū)流域時(shí)的設(shè)計(jì)洪水

漫流區(qū)流域相比山區(qū)流域，流域特征參數(shù)無法確定，且漫流區(qū)洪災(zāi)研究對(duì)象為鐵路橋涵，因此不能用理論方法計(jì)算橋涵控制斷面處的設(shè)計(jì)洪水。SWMM 水文模型可設(shè)置流域出口斷面信息，能模擬橋涵控制斷面處的洪水過程線。因此，對(duì)于無法用理論方法計(jì)算設(shè)計(jì)洪水的問題，可通過構(gòu)建水文模型的方法解決。為進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值模擬的設(shè)計(jì)洪水在漫流區(qū)流域及橋涵控制斷面處的合理性，選取20180802 和20190909日期的2 場(chǎng)實(shí)測(cè)降雨徑流進(jìn)行模擬，模擬和實(shí)測(cè)結(jié)果如圖4所示。

圖4 2場(chǎng)降雨徑流過程

由圖4可見：20180802號(hào)降雨的洪水過程線顯示，雨型為單峰降雨產(chǎn)流形成的洪水在橋涵控制斷面處形成的洪水過程線也為單峰形狀，其中實(shí)測(cè)洪峰水深（水位）為0.68 m，模擬洪峰水深為0.73 m，兩者洪峰相對(duì)誤差為7.4%；20190909 號(hào)降雨的洪水過程線顯示，雨型為雙峰降雨產(chǎn)流形成的洪水在橋涵控制斷面處形成的洪水過程線也為雙峰形狀，其中實(shí)測(cè)洪峰水深為0.57 m，模擬洪峰水深為0.62 m，兩者洪峰相對(duì)誤差為8.8%。

模擬值與實(shí)測(cè)值洪峰相對(duì)誤差在允許范圍內(nèi)，模擬洪水過程線接近實(shí)測(cè)值，模擬效果較好。SWMM 數(shù)值模擬填補(bǔ)了漫流區(qū)洪水過程無法計(jì)算的空白。

通過對(duì)比橋涵所屬山區(qū)流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算與數(shù)值模擬結(jié)果，以及漫流區(qū)流域?qū)崪y(cè)洪水與數(shù)值模擬洪水過程線，驗(yàn)證了數(shù)值模擬對(duì)設(shè)計(jì)洪水推求的合理性。因此，考慮計(jì)算方法的合理性及計(jì)算效率，下文采用數(shù)值模擬法推求設(shè)計(jì)洪水，進(jìn)而進(jìn)行K涵洞設(shè)計(jì)水位、通洪能力、預(yù)警雨量的確定。

2.3 涵洞設(shè)計(jì)水位確定

K 涵洞過水?dāng)嗝鏋? 孔直徑1 m 圓涵，全長(zhǎng)19.1 m，上下游進(jìn)出口高差為0.11 m；涵洞滿孔成災(zāi)水位為1 m，即當(dāng)涵洞控制斷面處洪水水位超過1 m 時(shí)，判定涵洞成災(zāi)。涵洞設(shè)計(jì)水位確定過程如下：將2.1.1 節(jié)得到的不同重現(xiàn)期下日降雨的設(shè)計(jì)面雨輸入模型，在SWMM 集總式水文模型［29］下，經(jīng)產(chǎn)流—匯流演算最終得涵洞控制斷面處設(shè)計(jì)洪水過程線如圖5所示，其設(shè)計(jì)洪水結(jié)果見表7。

圖5 不同重現(xiàn)期下設(shè)計(jì)洪水過程線

表7 不同重現(xiàn)期下設(shè)計(jì)洪水

結(jié)合圖5和表7可見：

（1）2年一遇的日降雨，洪峰水位在第11.00 h 時(shí)為0.37 m，達(dá)到成災(zāi)水位1 m 的37%，涵洞不會(huì)發(fā)生滿孔水災(zāi)。

（2）50年一遇的日暴雨，洪峰水位在第10.19 h 時(shí)為1.00 m，達(dá)到成災(zāi)水位1 m 的100%，涵洞發(fā)生滿孔水災(zāi)，且成災(zāi)的滿孔淹沒持時(shí)為2.30 h。

（3） 100年一遇的日暴雨，洪峰水位在第12.42 h 時(shí)為1.00 m，達(dá)到成災(zāi)水位1 m 的100%，涵洞發(fā)生滿孔水災(zāi)，且成災(zāi)的滿孔淹沒持時(shí)為3.08 h。

以上結(jié)果說明：K 涵洞不滿足50和100年一遇的設(shè)計(jì)洪水。涵洞是否發(fā)生滿孔水災(zāi)與降雨重現(xiàn)期有直接關(guān)系，降雨重現(xiàn)期越大涵洞發(fā)生滿孔水災(zāi)可能性越大；若涵洞發(fā)生滿孔水災(zāi)，降雨重現(xiàn)期會(huì)影響成災(zāi)持時(shí)，重現(xiàn)期越大成災(zāi)持時(shí)越久。

2.4 涵洞通洪能力確定

按照1.2.3 節(jié)試算流程分析橋涵通洪能力。通過圖6所示橋涵控制斷面不同水位時(shí)的流量曲線查得K涵洞成災(zāi)水位1 m對(duì)應(yīng)的臨界洪峰流量為29.55 m3·s-1。假定重現(xiàn)期為10年，降雨量為36.67 mm，由數(shù)值模擬所得橋涵控制斷面處洪水流量過程如圖7所示。

圖6 橋涵控制斷面處不同水位時(shí)的流量

圖7 10年一遇日降雨時(shí)橋涵控制斷面處洪水流量過程

由圖7 可知：10年一遇洪水洪峰流量為22.63 m3·s-1，未達(dá)到橋涵成災(zāi)的臨界洪峰流量29.55 m3·s-1。

因此需重新假定，增大重現(xiàn)期進(jìn)行試算，直至洪峰流量與臨界洪峰流量相等或無限接近時(shí)，假定的重現(xiàn)期即為橋涵成災(zāi)臨界重現(xiàn)期、降雨量為成災(zāi)臨界降雨量。

經(jīng)反復(fù)試算，發(fā)現(xiàn)當(dāng)重現(xiàn)期為12年一遇時(shí)，降雨量為41.7 mm，此時(shí)洪水洪峰流量恰好達(dá)到橋涵成災(zāi)臨界洪峰流量，由數(shù)值模擬得到橋涵控制斷面處洪水流量過程如圖8所示。

圖8 12年一遇日降雨時(shí)橋涵控制斷面處洪水流量過程

由此可知，K 涵洞成災(zāi)的臨界重現(xiàn)期為12年一遇，即該涵洞所屬流域在發(fā)生12年一遇的降雨時(shí)，涵洞很有可能發(fā)生滿孔水災(zāi)。對(duì)照1.2.3 節(jié)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，確定K涵洞為高風(fēng)險(xiǎn)工點(diǎn)，該涵洞在日后的防洪減災(zāi)工作中應(yīng)作為重點(diǎn)防治對(duì)象。

2.5 涵洞預(yù)警雨量確定

漫流區(qū)降雨一般在24 h 以內(nèi)，暴雨多以短歷時(shí)為主，洪災(zāi)預(yù)警控制時(shí)段選取1，2和3 h。

根據(jù)1.2.4 節(jié)方法，確定K 涵洞的預(yù)警水位為0.8 m，然后由圖7 橋涵控制斷面水位流量曲線查得對(duì)應(yīng)的預(yù)警洪峰流量為22.66 m3·s-1，最后由預(yù)警洪峰流量反算得到涵洞成災(zāi)預(yù)警雨量。3 種土壤含水量狀態(tài)下，不同預(yù)警時(shí)段（1，2 和3 h）的橋涵成災(zāi)預(yù)警雨量見表8。

表8 不同土壤含水量下K涵洞成災(zāi)預(yù)警雨量

由表8可見，在同一預(yù)警水位下呈現(xiàn)以下規(guī)律：

（1）預(yù)警時(shí)段越長(zhǎng)則預(yù)警雨量越大，反之越小，這是因?yàn)椴煌瑲v時(shí)的降雨，降雨時(shí)間越長(zhǎng)徑流損失越多，需要更多的降雨來補(bǔ)充徑流損失。

（2）土壤越干燥則預(yù)警雨量越大，反之越小，這是因?yàn)椴煌康耐寥?，土壤含水量越低下滲量越大，降雨形成的徑流越小。

上述結(jié)果說明在土壤含水量一定且同一預(yù)警水位下，不同預(yù)警時(shí)段的預(yù)警雨量關(guān)系為3 h>2 h>1 h；在預(yù)警時(shí)段一定且同一預(yù)警水位下，土壤不同含水量的預(yù)警雨量關(guān)系為較干>一般>較濕。

3 蘭新線鐵路橋涵水文沿線分布

蘭新線河西地區(qū)武威至酒泉段內(nèi)發(fā)育較嚴(yán)重的漫流區(qū)有19 個(gè)，涉及122 座鐵路橋涵，漫流區(qū)及橋涵數(shù)量所屬區(qū)間統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表9。經(jīng)調(diào)研選取蘭新線漫流區(qū)內(nèi)典型的23 座橋涵進(jìn)行水文分析，為便于橋涵里程信息的表述，用m1—m23 表示23 座橋涵，涉及武威至金昌段內(nèi)4 座、山丹縣內(nèi)5 座、張掖市內(nèi)1座、高臺(tái)縣內(nèi)3座、酒泉市內(nèi)10座。按照K 涵洞水文分析方法，得到23 座橋涵的設(shè)計(jì)水位、通洪能力（風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)）、成災(zāi)預(yù)警雨量?？紤]篇幅有限，下文僅列出流域土壤初始下滲能力f0為106 mm·h-1，即土壤含水量為一般狀態(tài)下的計(jì)算結(jié)果，并對(duì)各橋涵的水文結(jié)果沿鐵路線分布情況進(jìn)行分析。

表9 蘭新線漫流區(qū)橋涵勘察統(tǒng)計(jì)結(jié)果 座

3.1 設(shè)計(jì)水位

由于各橋涵成災(zāi)水位存在差異，為具體了解設(shè)計(jì)水位能否達(dá)到成災(zāi)水位，定量的分析蘭新鐵路橋涵在當(dāng)前流域下的設(shè)計(jì)水位現(xiàn)狀沿線分布情況，利用各橋涵設(shè)計(jì)水位達(dá)成災(zāi)水位的比例進(jìn)行說明。結(jié)果繪制如圖9所示。

山丹是河西地區(qū)漫流區(qū)最嚴(yán)重的區(qū)域之一，由圖9 可知：山丹境內(nèi)5 座橋涵中，有4 座橋涵的各重現(xiàn)期設(shè)計(jì)水位均接近成災(zāi)水位，相比其他地區(qū)山丹地區(qū)橋涵設(shè)計(jì)水位接近成災(zāi)水位的情況最突出。其原因是：山丹地處高原，氣候特殊，降雨集中且年分布極不均勻，易降短歷時(shí)暴雨。因此，把山丹縣境內(nèi)橋涵作為山洪防范與治理的重點(diǎn)對(duì)象。

圖9 蘭新線漫流區(qū)部分橋涵設(shè)計(jì)水位達(dá)成災(zāi)水位分布

3.2 通洪能力

為明確漫流區(qū)內(nèi)蘭新線遭遇漫流水害時(shí)的通洪能力，從引發(fā)橋涵滿孔水害的降雨出現(xiàn)可能性的角度分析。計(jì)算成災(zāi)臨界降雨的重現(xiàn)期，根據(jù)成災(zāi)臨界重現(xiàn)期查表1 確定橋涵發(fā)生滿孔水害的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，利用風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行通洪能力的衡量。圖10 給出了蘭新線沿線漫流區(qū)部分橋涵風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分布。

圖10 蘭新線漫流區(qū)部分橋涵風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分布

由圖10 可知：在勘察評(píng)估的23 座橋涵中，低于百年一遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的橋涵有15 座，其中，中風(fēng)險(xiǎn)9座、高風(fēng)險(xiǎn)5座、極高風(fēng)險(xiǎn)1座。極高風(fēng)險(xiǎn)1座m18 橋涵位于酒泉市境內(nèi)，而剩余14 座中山丹境內(nèi)的5座橋涵均為中、高風(fēng)險(xiǎn)，山丹縣境內(nèi)的橋涵受洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)性較高。因此，將山丹縣境內(nèi)的橋涵作為漫流水害防范與治理的重點(diǎn)對(duì)象。

3.3 預(yù)警雨量

雖然在上面已經(jīng)確定出了橋涵發(fā)生漫流水害的臨界重現(xiàn)期，但是將該臨界重現(xiàn)期計(jì)算得到的臨界雨量作為防洪預(yù)警指標(biāo)是不安全、不科學(xué)的。考慮到應(yīng)急能力和鐵路安全的重要性，甚至關(guān)系到生命財(cái)產(chǎn)等安全，以及為了減少預(yù)警的誤報(bào)漏報(bào)等綜合因素，應(yīng)對(duì)發(fā)生漫流水害可能性較大的橋涵進(jìn)行預(yù)警雨量計(jì)算。按照確定K 涵洞預(yù)警雨量的方法，對(duì)蘭新鐵路部分橋涵預(yù)警雨量進(jìn)行計(jì)算。圖11 給出了不同預(yù)警時(shí)段下的預(yù)警雨量沿線分布結(jié)果。

各橋涵之間因地域、成災(zāi)水位、周圍排水設(shè)施等存在差異，預(yù)警雨量也大不相同。

極高風(fēng)險(xiǎn)m18 橋涵預(yù)警雨量最小，在短歷時(shí)1，2和3 h暴雨下預(yù)警雨量分別為14.92，16.59和17.67 mm；低風(fēng)險(xiǎn)橋涵m20 預(yù)警雨量最大，在短歷時(shí)1，2 和3 h 暴雨下預(yù)警雨量分別為54.21，59.38 和60.77 mm，最小與最大預(yù)警雨量極差達(dá)43.1 mm，相差較大，可見對(duì)每個(gè)橋涵進(jìn)行定量的預(yù)警雨量計(jì)算顯得尤為重要。預(yù)警雨量的計(jì)算可降低因定性評(píng)價(jià)不準(zhǔn)確、無針對(duì)而導(dǎo)致預(yù)警的誤報(bào)漏報(bào)等情況。

位于天祝縣境內(nèi)的m1 橋涵預(yù)警雨量較大，是因該地區(qū)具有高原氣候特征，橋涵設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較高，在蘭新鐵路沿線分析中不予考慮；東面武威到高臺(tái)段內(nèi)預(yù)警雨量相對(duì)較小，其中12 座橋涵中，有6座橋涵的預(yù)警雨量小于30 mm，而西面酒泉市境內(nèi)相對(duì)較大，其中10 座橋涵中，僅2 座橋涵的預(yù)警雨量小于30 mm。這種結(jié)果與地理位置有關(guān)，河西地區(qū)自東往西氣候逐漸干燥、降雨越少、降雨強(qiáng)度也越小。因此，除過個(gè)別橋涵之外，預(yù)警雨量自東往西存在增大的趨勢(shì)，應(yīng)將蘭新線漫流區(qū)內(nèi)位于河西地區(qū)武威至高臺(tái)段作為橋涵洪災(zāi)防范的重點(diǎn)區(qū)域。

4 結(jié) 論

（1）數(shù)值模擬和單位線2 種方法計(jì)算得到的設(shè)計(jì)洪水結(jié)果相近，且數(shù)值模擬作為設(shè)計(jì)洪水推求的新途徑，突破了漫流區(qū)流域出口處設(shè)計(jì)洪水無法計(jì)算的瓶頸。

（2）橋涵發(fā)生漫流水害與臨界重現(xiàn)期有直接關(guān)系，臨界重現(xiàn)期越大橋涵發(fā)生漫流水害可能性越大；若橋涵發(fā)生滿孔水害，降雨重現(xiàn)期會(huì)影響成災(zāi)持時(shí)，重現(xiàn)期越大成災(zāi)持時(shí)越久。

（3）預(yù)警降雨量與土壤含水量及預(yù)警時(shí)段有關(guān)。在預(yù)警時(shí)段一定、同一成災(zāi)水位下，不同土壤含水量下的預(yù)警雨量關(guān)系為：較干>一般>較濕；在土壤含水量一定、同一成災(zāi)水位下，不同預(yù)警時(shí)段的預(yù)警雨量關(guān)系為：3 h>2 h>1 h。

（4）設(shè)計(jì)水位最接近成災(zāi)水位的橋涵主要分布在山丹縣境內(nèi)；蘭新線漫流區(qū)內(nèi)典型的23 座橋涵中，不滿足百年一遇的橋涵有15 座，占分析對(duì)象的69.57%，其中：中風(fēng)險(xiǎn)9 座，高風(fēng)險(xiǎn)5 座，極高風(fēng)險(xiǎn)1座，且山丹縣境內(nèi)5座均為中高風(fēng)險(xiǎn)。

（5）預(yù)警雨量自東往西存在增大的趨勢(shì)，預(yù)警雨量相對(duì)較小的橋涵主要分布于包含山丹縣的武威至高臺(tái)段內(nèi)。