既有白城至阿爾山鐵路改造小流域徑流計算方法

吳 昊

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

既有白城至阿爾山鐵路改造小流域徑流計算方法

吳 昊

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

根據(jù)本工程沿線勘測結(jié)果，利用地方暴雨徑流計算公式和鐵三院山丘區(qū)暴雨徑流計算公式計算出的流量和用形態(tài)法推算出的流量進行比較分析，選定了沿線地面暴雨徑流的計算方法和參數(shù)取值。

水文計算 重現(xiàn)期 水文斷面 比降 形態(tài)法

小流域暴雨徑流計算是確定橋式方案是否合理及孔跨是否滿足要求的主要依據(jù)。同時，小流域暴雨徑流計算也會通過控制線路高程、橋長等因素對全線工程造價產(chǎn)生較大影響。

既有白阿線自東南方向白城的芒罕屯車站至西北方向的阿爾山北站，途經(jīng)車站為大石寨、德伯斯、索倫、明水河、五叉溝、白狼、阿爾山、新伊爾施，線路全長197.9 km。

線路位于內(nèi)蒙古自治區(qū)興安盟科爾沁右翼前旗及阿爾山市境內(nèi)，總的地勢由東南向西北逐漸增高，海拔高程400～900 m，相對高差20～200 m，平均自然坡度為6‰～25‰。線路由東南向西北依次分為低山丘陵區(qū)及低中山河流寬谷區(qū)等。

徑流條件：測區(qū)內(nèi)的河流以大興安嶺為分界，大興安嶺東南側(cè)為松花江水系的歸流河、洮兒河，大興安嶺西北側(cè)為額爾古納河水系的阿爾善高勒、勃爾古高勒。

驗證典型工點選擇：在區(qū)間范圍內(nèi)選擇水文條件較為典型的河溝進行驗證，即要求與線路的交叉點處河溝水文斷面穩(wěn)定，溝形順直，且水流通暢，河床沖淤變化小并有可靠洪水位基準點，現(xiàn)場調(diào)查資料詳細，以保證形態(tài)法的正確性。

1 計算公式說明與驗證方法

本線主要經(jīng)過歸流河流域和洮兒河流域，沿線絕大部分為山區(qū)，有大量的溝谷，主槽很明顯，夏季雨量比較集中，容易造成短時的洪澇災害，且地處山區(qū)，周圍人煙稀少，給小流域驗證帶來一定的困難。

1.1 驗證方法

根據(jù)工點處的暴雨徑流計算公式、鐵三院小流域暴雨徑流計算方法計算出的流量與用形態(tài)法推算出的流量進行對比，確定工點處小流域暴雨徑流計算方法與參數(shù)是否正確。

1.2 公式說明

(1)形態(tài)法

調(diào)查歷年水位發(fā)生的年份及洪水位。調(diào)查水位發(fā)生的年份以確定洪水的頻率，調(diào)查洪水發(fā)生時的情況。為保證資料的可靠性，既要深入現(xiàn)場調(diào)查取證也要到水利部門收集相關(guān)水文資料驗證。現(xiàn)場找到并詳細詢問當?shù)鼐用?，整理出較為可靠的歷史洪水位點的平面位置、高程。

現(xiàn)場選取至少兩個有可靠洪跡點的斷面計算。斷面盡量選擇河道順直，水流順暢，河灘窄，且無河汊及支流匯入，河底沖淤變化小的點位計算。確定洪水比降時采用歷史洪水位的走向線，參考水底線和常水位線綜合確定。在天然河槽中，洪水并不一定符合恒定均勻流的規(guī)則，水面比降會隨水位的變化而轉(zhuǎn)變。

整理外業(yè)資料，劃分河槽并確定參數(shù)，根據(jù)河流的標準斷面和坡度算出在此水位對應的流量，最后根據(jù)洪水發(fā)生的年份確定其重現(xiàn)期。利用本地偏差系數(shù)(Cs)、變異系數(shù)(Cv)之間的關(guān)系及兩次不同重現(xiàn)期流量，推求設計流量換算系數(shù)X(T1/T2)值，以推求百年流量。

(2)地區(qū)公式法

經(jīng)查閱《吉林省水文圖集》，本次勘測范圍均位于水文圖集所包括的區(qū)域內(nèi)，故此次水文計算公式采用吉林省的地方法。

吉林省地區(qū)暴雨計算公式：

洪峰流量計算公式

式中Qm——最大流量/(m3/s)；

φ——徑流系數(shù)；

S——雨力，即最大1 h的雨量/mm；

n——暴雨指數(shù)；

τ——匯流歷時/h；

F——流域面積/km2。

各種重現(xiàn)期年最大24 h暴雨量的推算，可在吉林省水文圖集中最大24 h暴雨均值等值線圖(水文圖18)查取均值，再在吉林省水文圖集中最大24 h暴雨變差系數(shù)(Cv)等值線圖(水文圖19)上查取(Cv)值，用(Cv)值皮爾遜Ⅲ型曲線的模比系數(shù)KP值表(附表二)查KP，偏差系數(shù)CS統(tǒng)一采用3.5倍變差系數(shù)即CS=3.5CV，用下式計算

式中H24P——不同重現(xiàn)期的年最大24 h暴雨量/mm；

KP——模比系數(shù)；

H24——年最大24 h暴雨量均值/mm。

SP=H24P·(24)n-1

τ～φ間存在下列理論關(guān)系

式中τ0——為當某流域上徑流系數(shù)φ=1.0時的匯流時間；

L——主河長度/km；

J——河道坡度；

m——匯流參數(shù)。

徑流系數(shù)φ值根據(jù)流域平均入滲率μ值來確定。

當τ

當τ>tc時

式中tc——產(chǎn)流歷時/h；

μ——損失參數(shù)，是tc歷時內(nèi)的平均損失率/(mm/h)。

當采用實測資料進行分析時，由于雨量和流量都是實際觀測值，則可在一定的概化和假定條件下反求參數(shù)μ和m值。

設計最大洪峰流量計算步驟如下。

①根據(jù)地形圖量算流域特征F、L、J；

③根據(jù)設計暴雨和降雨徑流關(guān)系計算Sp、hR、tc；

tc的計算方法，采用簡化公式如下

④根據(jù)tc判斷和計算μ值；

當tc≤24 h

當tc≥24 h

⑤根據(jù)公式

計算τ0或由諾模圖查τ0值；

即求得最大洪峰流量Qm。

(3)鐵三院方法

根據(jù)本次勘測范圍內(nèi)的地形選用如下公式

式中，C2參數(shù)可按下式計算

式中，β0、γ0、m0、A4均為參數(shù)，可從《水文手冊》表5-21查取。

Sp——頻率為p的雨力/(mm/min)。

P0——參數(shù)，可按下式計算

上式N0為參數(shù)，可從《水文手冊》表5-21查取。

g0為參數(shù)，可按下式計算

g0=1+m0·P0

n——暴雨衰減系數(shù)(本次驗證由當?shù)厮氖謨圆榈?；

L4——流域長度，從分水嶺算起/km；

I4——流域坡度，從分水嶺算起，用加權(quán)法計算；

F——集水面積/km2；

η——為暴雨點面折減系數(shù)，從《水文手冊》表5-8查取。

2 驗證實例

驗證一：保門河2號橋

基本數(shù)據(jù)：F(匯水面積)=10.65 km2

(1)形態(tài)法

根據(jù)既有幾個河流的不同重現(xiàn)期的流量比值X(T1/T2)以及重現(xiàn)期T1、T2查《水文手冊》附錄6得CV值，并與地方經(jīng)驗資料《吉林省水文圖集》比較最后確定CV值。然后根據(jù)竣工圖資料Q1/T2、CV值查《水文手冊》附錄6得X(P/T2)， 推算得Q1/100。經(jīng)驗證本段可使用參數(shù)為CV=0.6

得出：Q1%=157.42 m3/s。

(2)地方經(jīng)驗公式

經(jīng)查閱《吉林省水文圖集》，本次勘測范圍均位于水文圖集所包括的區(qū)域內(nèi)。

降水量變差系數(shù)Cv=0.6；查得K1%=3.2；

代入公式求得

Q1%=135.79 m3/s

(3)鐵三院法

代入公式求得

Q1%=127.04 m3/s

同樣，可得其他工點的流量計算。

3 驗證分析

限于沿線山區(qū)人煙稀少，本測段從白阿線沿線選出5處較為典型的小面積流域作為驗證的工點，結(jié)果見表1～表4。

表1 地區(qū)公式法計算參數(shù)及結(jié)果

表2 鐵三院法公式計算參數(shù)及結(jié)果

表3 形態(tài)法、吉林省地方法、三院法流量對照

表4 吉林省地方法、三院法與形態(tài)法流量比例對照

三院法、地方法計算結(jié)果與形態(tài)法比例關(guān)系如圖1所示。

圖1 三院法、地方法計算結(jié)果與形態(tài)法比例關(guān)系

4 結(jié)論

小流域暴雨徑流計算和流域內(nèi)的氣候、地貌、地形、地質(zhì)等有著很大的關(guān)系，通過以上的驗證工作及數(shù)據(jù)處理，得出如下結(jié)論：

吉林省地方法的計算結(jié)果大部分比三院法的計算結(jié)果偏大，二者的計算結(jié)果比較接近，最大的偏離為24%。從結(jié)果中可以看出，流域面積越小，兩者之間的差距越大，流域面積適中的時候，兩者算出來的結(jié)果相差不多，流域面積較大相差也比較大。從計算公式和說明可以看出，三院法考慮的因素比較綜合，公式較全面。本方法主要適用于華北地區(qū)和東北地區(qū)，覆蓋面較廣，很多參數(shù)考慮了較多的情況，如植被、河流溝床附近的地形等，計算出來的結(jié)果有一定的規(guī)律趨勢。地方法是根據(jù)當?shù)氐乃臈l件制定的，公式較簡單，基本上可以反映此地的水流情況，由于處于大興安嶺地區(qū)，影響流量的因素較多，故地方法和三院法的計算結(jié)果與實地調(diào)查的結(jié)果都有一定的偏差。

結(jié)論：本次勘測范圍內(nèi)采用地方經(jīng)驗公式計算流量較為合理。

[1] 鐵道部.鐵路工程設計技術(shù)手冊：橋渡水文[M].北京；中國鐵道出版社，1999

[2] 吉林省水文總站、吉林省水文勘測設計院.吉林省水文圖集[R].長春：吉林水文總站，1974

[3] TBJ17—86鐵路橋渡勘測設計規(guī)范[S]

TheCalculationoftheSmallWatershedRunofffortheReconstructionoftheExistingRailwayfromBaichengtoArxan

WU Hao

2014-09-16

吳 昊(1981—)，男，2004年畢業(yè)于西南交通大學土木工程專業(yè)，工學學士，工程師。

1672-7479(2014)06-0054-03

P641.1

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