占?jí)汉拥捞幝坊O(shè)計(jì)標(biāo)高的確定

龔鳳林 （吉林市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司天津一分公司 天津300122）

占?jí)汉拥捞幝坊O(shè)計(jì)標(biāo)高的確定

龔鳳林 （吉林市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司天津一分公司 天津300122）

山區(qū)中河溝眾多，且河溝的彎曲度較大，鑒于公路設(shè)計(jì)時(shí)因制約因素較多而產(chǎn)生路基占?jí)汉拥赖那闆r，考慮根據(jù)相應(yīng)的原則將河道進(jìn)行適當(dāng)改移，并根據(jù)地方暴雨資料計(jì)算出來的設(shè)計(jì)流量對(duì)新的河槽斷面和路基高度進(jìn)行結(jié)合設(shè)計(jì)，并使改移河道處路基設(shè)計(jì)標(biāo)高高于相應(yīng)洪水頻率下的洪水水位、洪峰壅水高、波浪侵襲高以及0.5 m安全高度之和，以確保澇季洪水不沒過路面，保障公路安全運(yùn)營(yíng)。

山區(qū)公路 河道改移 流量計(jì)算 路基標(biāo)高

山區(qū)中河溝眾多，河溝彎曲度較大，由于受線形指標(biāo)、填挖高度、工程地質(zhì)等制約因素的影響，不可避免的會(huì)出現(xiàn)路基占?jí)旱偷燃?jí)河溝的情況。此類小河溝一般流量較小，常年水位很低。對(duì)于這種類型的公路設(shè)計(jì)，可以考慮將主河槽進(jìn)行適當(dāng)?shù)母囊撇⒉扇∠鄳?yīng)的路基防護(hù)措施，但為防止?jié)乘陂g洪水漫過路基影響公路運(yùn)營(yíng)，應(yīng)對(duì)路基的設(shè)計(jì)標(biāo)高進(jìn)行嚴(yán)格的控制。本文以一個(gè)設(shè)計(jì)工點(diǎn)為例進(jìn)行闡述。

1 工程概況

某條位于河北省張家口的改建二級(jí)公路，路基設(shè)計(jì)寬10.5 m，設(shè)計(jì)時(shí)速60 km/h。由于受整體線形指標(biāo)的控制，該公路線位在K567+040～K567+400里程范圍內(nèi)占?jí)毫瞬糠趾拥?，該河道系地方低等?jí)不通航河道，主槽常年最深不到1 m。經(jīng)1∶50 000地形圖勾繪，占?jí)汉拥捞幒恿鞯膮R水面積F為184.3 km2，流域長(zhǎng)度L為23.229 km，實(shí)測(cè)洪水比降i=0.01。河道內(nèi)淤泥深0.5 m，卵石或者碎石層厚1.5 m，以下為砂礫巖。河槽糙率1/n=25，河灘糙率1/n=20，W（風(fēng)速）=3 m/s。根據(jù)工點(diǎn)實(shí)際情況，經(jīng)過方案分析比選，考慮對(duì)主河槽進(jìn)行適當(dāng)?shù)母囊?，改移河道平面圖如圖1所示。

2 河道改移原則

改移河道設(shè)計(jì)[1]的原理就是對(duì)公路占?jí)旱膹澢拥捞幵泻拥肋M(jìn)行裁彎取直、挖灘改河、清除弧石等，最終達(dá)到增大河道曲線半徑，使河槽繞離公路路基的目的，同時(shí)要對(duì)新河槽進(jìn)行水文計(jì)算，確定路基高度，并采取相應(yīng)的邊坡防護(hù)措施確保運(yùn)營(yíng)安全。河道改移的橫斷面位置關(guān)系如圖2。

改移河道平面設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮起終點(diǎn)的順接（見圖3），同時(shí)也應(yīng)確保起終點(diǎn)所夾直線長(zhǎng)L1≤4B（水面寬），彎曲段長(zhǎng)L2≈（12～14）B（水面寬）。當(dāng)河道設(shè)計(jì)需要改變寬度時(shí)，應(yīng)滿足變寬段長(zhǎng)度 l/b≥6，其中 b=（B2-B1）/2。

新河道的縱坡應(yīng)是既不沖刷又不淤積的穩(wěn)定縱坡。由于改河后的河道是新開挖的河道，且改移長(zhǎng)度一般不長(zhǎng)，為順應(yīng)水流，一般起點(diǎn)和終點(diǎn)坡度都宜與原河道河底縱坡相順接。若兩縱坡之間坡差不大，可不設(shè)豎曲線。

新河道橫斷面設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以能容納公路路基的設(shè)計(jì)洪水頻率的流量為原則，同時(shí)應(yīng)使造床流量水位的河面寬度與原河道的穩(wěn)定河寬大致相符。河槽橫斷面形狀一般采用梯形。河床斷面上下游斷面不宜相差過大，以免造成跌水或壅水。河床斷面宜按水流經(jīng)濟(jì)斷面確定，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)，防止水流重歸故道。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)原則，對(duì)本工點(diǎn)河槽進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母囊?，改移后的河槽平面圖如圖1所示，縱斷面設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

3 河道水位計(jì)算

改移河道后新河道的設(shè)計(jì)水位會(huì)隨著改移后的河槽和河灘位置以及公路設(shè)計(jì)線位、路基高度、路基寬度等因素發(fā)生變化。因此，在確定路基設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，應(yīng)根據(jù)河道改移后的過水?dāng)嗝嬗?jì)算出的設(shè)計(jì)水位作為路基控制標(biāo)高的依據(jù)。通常情況下沿河路基邊緣標(biāo)高應(yīng)高于設(shè)計(jì)水位+壅水高+波浪侵襲高+0.5 m的安全高度的規(guī)定，[2]而水位計(jì)算的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是河流流量的計(jì)算。

3.1 流量計(jì)算

最常用的流量計(jì)算方法是利用暴雨資料推算設(shè)計(jì)流量法。[3]該方法是通過流域內(nèi)雨量站的實(shí)測(cè)暴雨資料，采用年最大值法，對(duì)不同歷時(shí)的暴雨量用水文統(tǒng)計(jì)法推算設(shè)計(jì)頻率的暴雨，并利用點(diǎn)面換算公式，得出不同歷時(shí)的凈雨量，最后通過地方經(jīng)驗(yàn)公式，推求不同設(shè)計(jì)頻率對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)流量。

根據(jù)《河北省張家口市水文水資源手冊(cè)》，本工點(diǎn)洪水流量的計(jì)算采用暴雨資料推算設(shè)計(jì)流量的方法，采用如下所示的河北省地方推理公式進(jìn)行流量計(jì)算。

式中：Qm—洪峰流量；

t—暴雨歷時(shí)；

τ—流域匯流歷時(shí)；

Rτ—相當(dāng)于τ時(shí)段的最大凈雨深；

F—流域面積；

J—主河道坡度；

L—主河道長(zhǎng)度；

m—經(jīng)驗(yàn)匯流參數(shù)。

本公路為二級(jí)公路，根據(jù)文獻(xiàn)[2]的相關(guān)規(guī)定，計(jì)算洪水頻率取1/50。根據(jù)文獻(xiàn)[4]中的各時(shí)段年最大暴雨多年平均值H的等值線圖和年最大暴雨變差系數(shù)等值線圖查出不同歷時(shí)t的暴雨量均值H和變差系數(shù)CV值，取偏差系數(shù)Cs=3.5 CV，根據(jù)皮爾遜Ⅲ型模比系數(shù)表查K2%，據(jù)此求得50年一遇1 h、6 h、24 h點(diǎn)雨量列入下表1：

表1 50年一遇點(diǎn)雨量計(jì)算表

根據(jù)上表所列數(shù)據(jù)，通過線性內(nèi)差求得不同暴雨歷時(shí)t的點(diǎn)雨量，通過文獻(xiàn)[3]查得點(diǎn)面折減系數(shù)，得到不同歷時(shí)的面雨量=點(diǎn)雨量×點(diǎn)面折減系數(shù)。查《河北省張家口市水文水資源手冊(cè)》中表6-1得出不同歷時(shí)凈雨深Rτ，由公式（3）求得經(jīng)驗(yàn)匯流參數(shù) m=4.63，利用公式（1）、（2）先求出洪峰流量 Qm及匯水歷時(shí)τ，計(jì)算過程匯總列入表2。

表2 洪峰流量及匯水歷時(shí)計(jì)算匯總表

根據(jù)表2中數(shù)據(jù)繪制Qm-t曲線和Qm-τ曲線，兩條曲線的交點(diǎn)橫坐標(biāo)Q1=493.143 m3/s即為所求的50年一遇洪峰流量。

3.2 河槽截面設(shè)計(jì)

河槽改移和路基修建以后，要使新的河槽斷面能夠滿足流域流量的要求，就要求河槽有恰當(dāng)?shù)臄嗝?，此時(shí)可以先假定一個(gè)水位，并給出一個(gè)設(shè)計(jì)過水?dāng)嗝?，根?jù)設(shè)計(jì)的河槽縱坡來計(jì)算流量Q2，若該流量Q2與之前通過統(tǒng)計(jì)方法得到的流量Q1相差超過±5%，[3]則繼續(xù)調(diào)整斷面尺寸，直到滿足要求為止。

這種根據(jù)假定水位來求流量的方法是形態(tài)斷面法，該方法是建立在謝才-滿寧公式的基礎(chǔ)之上的，如下式：

式中：V——河流的流速；

n——河流斷面的糙率；

R——斷面的水力半徑，過水面積與濕周之比；

i——河流的洪水比降。則可利用下式計(jì)算流量：

式中：ωc、ωt——主槽和邊灘的過水面積；

Vc、Vt——主槽和邊灘的流速；

Qc、Qt——主槽和邊灘的流量。

根據(jù)公式（4）、（5）的多次試算結(jié)果，假定設(shè)計(jì)水位為878.1 m，取改河河槽斷面為梯形斷面，頂寬20 m，坡比1∶1，高1.4 m進(jìn)行水力計(jì)算的結(jié)果如下表：

表3 河道水力計(jì)算表

通過以上計(jì)算過程可知：

所以擬定的洪水位H2%=878.1 m可以認(rèn)為是50年一遇的設(shè)計(jì)水位。

但是由于水面寬度為90.26 m，小于200 m，所以可以不考慮波浪侵襲高度。[1]再者，改河后洪峰通過方向與路基邊坡順切，路基邊坡并不阻礙洪峰通過，因此可不考慮壅水高度。所以改河處路基的控制標(biāo)高為：

該工點(diǎn)處路基的設(shè)計(jì)標(biāo)高至少需要878.6 m。

4 結(jié)語

改移河道與公路路基的結(jié)合設(shè)計(jì)是普通公路設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到的情況，特別是對(duì)于較低等級(jí)的公路，這種設(shè)計(jì)理念對(duì)于控制投資有非常重要的意義。但考慮到澇季期間河溝的洪水位較高可能侵襲路基，甚至淹沒路基影響車輛運(yùn)營(yíng)，威脅交通安全，所以改移河道處的路基設(shè)計(jì)標(biāo)高必須高于相應(yīng)頻率下的設(shè)計(jì)水位、壅水高、波浪侵襲高（水面較寬時(shí)）以及0.5 m的安全高度的總和。同時(shí)應(yīng)對(duì)占?jí)涸诤哟采系穆坊走M(jìn)行加固處理，并對(duì)路基邊坡采取安全防護(hù)措施，以確保路基穩(wěn)定?！?/p>

[1]交通部.公路路基設(shè)計(jì)手冊(cè)（第二版）[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2]公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].JTG B01-2003.

[3]張學(xué)齡.橋涵水文[M].北京：人民交通出版社，1996.

[4]河北省張家口市水文水資源手冊(cè)[Z].

[5]堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].G B 50286-1998.

2012-03-06