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    蘭渝鐵路兩水至廣元段小流域流量計(jì)算與驗(yàn)證

    2015-06-01 09:17:32李金銘
    鐵道建筑 2015年8期
    關(guān)鍵詞:武都廣元氣象站

    李金銘

    (中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,陜西 西安 710043)

    蘭渝鐵路兩水至廣元段小流域流量計(jì)算與驗(yàn)證

    李金銘

    (中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,陜西 西安 710043)

    蘭渝鐵路兩水至廣元段線路經(jīng)過的主要水系為白龍江及其支流、嘉陵江支流。區(qū)域內(nèi)支溝眾多,各支溝流域內(nèi)山高溝深,沿線暴雨參數(shù)取值跨越幅度大,取值分段多。本文用形態(tài)調(diào)查法驗(yàn)證《壹橋8216》計(jì)算手冊在該區(qū)域的適用性,得出較合理的計(jì)算參數(shù),為蘭渝鐵路兩廣至廣元段沿線橋梁水文設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。研究結(jié)果可為川陜甘交界區(qū)及類似區(qū)域小流域水文計(jì)算分析提供參考。

    蘭渝鐵路 水文計(jì)算 小流域 暴雨參數(shù) 形態(tài)調(diào)查法

    1 工程概況

    蘭渝鐵路兩水至廣元段位于川陜甘三省交界區(qū)域,線路經(jīng)過的主要水系為白龍江及其支流、嘉陵江支流。線路穿越水系如圖1所示。區(qū)域內(nèi)支溝眾多,各支溝流域內(nèi)山高溝深,河道狹窄、彎曲,河床多以卵石為主,夾有片石、塊石及漂石。沿線各支溝大多只是季節(jié)性流水,水流主要由降雨補(bǔ)給。降水分布有明顯的季節(jié)變化,多集中在6—9月。6月中旬和7月上旬多出現(xiàn)暴雨。8月下旬至9月中旬為秋雨連綿的季節(jié),易出現(xiàn)雨量大、歷時(shí)長的暴雨。雨季的降水量約占全年的50%~60%。降水量自南向北、自東向西逐漸遞減。沿線降雨量西北小、東南大,暴雨參數(shù)S1%取值60~100 mm,跨越幅度大,取值分段多。

    線路所經(jīng)過流域以洛塘河分界,小里程側(cè)流域內(nèi)坡面植被較差,風(fēng)化嚴(yán)重,零星生長有灌木及部分喬木,局部地區(qū)巖石裸露,水土流失嚴(yán)重,人為活動(dòng)較為頻繁。尤其是兩水至透防段泥石流較發(fā)育。大里程側(cè)流域內(nèi)植被茂盛,多為省級自然保護(hù)區(qū),水土保持較好,人為活動(dòng)較少[1]。

    圖1 蘭渝鐵路穿越水系示意

    針對本地區(qū)暴雨參數(shù)取值變化幅度較大及洛塘河兩側(cè)流域坡面及植被差異較大的特殊情況。采用兩種不同的方法對小流域各參數(shù)取值進(jìn)行驗(yàn)證。洛塘河以北地區(qū),利用武都?xì)庀笳镜慕涤曩Y料,采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)適線法計(jì)算相關(guān)參數(shù)。洛塘河以南地區(qū),選取漢道河、杜家河、源溪河等3個(gè)小流域河溝進(jìn)行了形態(tài)調(diào)查,并將調(diào)查結(jié)果與據(jù)《壹橋8216》Q-F曲線查得的流量進(jìn)行比較,以此來驗(yàn)證應(yīng)用《壹橋8216》時(shí)各系數(shù)取值的合理性及《壹橋8216》在線路經(jīng)過地區(qū)的適用性。

    2 應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)適線法計(jì)算暴雨參數(shù)

    隴南地區(qū)線路經(jīng)過區(qū)域內(nèi)人為活動(dòng)較為頻繁,加之泥石流溝較多,每年都在清淤,溝槽形態(tài)變化較大,洪痕難以調(diào)查,無法作形態(tài)調(diào)查。鑒于此,收集武都?xì)庀笳镜慕涤曩Y料進(jìn)行兩水—透防段的小流域暴雨參數(shù)計(jì)算。

    由武都?xì)庀笳臼占?970—2000年共計(jì)31年10 min的最大降雨量資料及1969—2005年共計(jì)37年的1 h和24 h最大降雨量資料。

    采用文獻(xiàn)[2]第五章小流域暴雨徑流計(jì)算公式計(jì)算暴雨強(qiáng)度、經(jīng)驗(yàn)頻率和理論統(tǒng)計(jì)參數(shù)。以下以武都?xì)庀笳?0 min最大降雨資料為例進(jìn)行計(jì)算。

    據(jù)武都?xì)庀笳灸?0 min最大降雨量序列(1 h及24 h暴雨參數(shù)計(jì)算方法與此相同)計(jì)算的統(tǒng)計(jì)參數(shù)見表1。

    表1 武都?xì)庀笳灸?0 min最大降雨量系列參數(shù)計(jì)算結(jié)果

    選取變差系數(shù)Cv及偏態(tài)系數(shù)Cs,用P-Ⅲ型曲線進(jìn)行多次適線,結(jié)果見圖2??芍?,當(dāng)Cv=0.48,Cs= 3.5Cv時(shí)理論頻率曲線與經(jīng)驗(yàn)頻率點(diǎn)吻合得較好。此時(shí),K1%=2.65,則 H1%=K1%×=2.65×9.27= 24.56 mm。

    圖2 P-Ⅲ型頻率曲線適線結(jié)果

    同上可計(jì)算得到1 h和24 h最大降雨量系列的暴雨參數(shù)。暴雨強(qiáng)度公式如下

    式中:SP為頻率為P的雨力,mm/min;Ht,P為各種時(shí)段t的頻率為P的暴雨雨量,mm;n為暴雨衰減指數(shù)。

    對式(1)兩邊取對數(shù)得

    式中:當(dāng)t以h計(jì)時(shí)SP即相當(dāng)t=1 h的暴雨強(qiáng)度;t≤1 h時(shí)n稱為n1;t>1 h時(shí)n稱為n2。由式(2)進(jìn)一步整理得P=1%時(shí)暴雨衰減指數(shù)計(jì)算公式為

    武都?xì)庀笳颈┯陞?shù)計(jì)算結(jié)果見表2。

    表2 武都?xì)庀笳颈┯陞?shù)計(jì)算結(jié)果

    3 流量計(jì)算

    采用《壹橋8216》中Q-F曲線求算小流域洪峰流量,除了需知暴雨參數(shù)(n1,n2,S1%)外,還需要知道橋位處匯水面積、土壤損失等級、地形等級、坡面流速系數(shù)A2[3]。匯水面積在小比例地形圖上圈繪,再用求積儀求算,也可在計(jì)算機(jī)上圈繪并求得。土壤損失等級分Ⅱ~Ⅵ類,不同的植被土壤對應(yīng)不同的等級,數(shù)值越大,流量損失越大,黏土、風(fēng)化輕微的巖石地區(qū)為Ⅱ類,無植被的松散的砂土為Ⅵ類。地形等級按流域坡度大小分為高山、低山、丘陵、平地4種。坡面流速系數(shù)與地表特征有關(guān),取值在0.002~0.055,坡面越光滑,取值越大,植被茂密的森林地區(qū)一般取0.002,瀝青或混凝土路面可取0.045。土壤損失等級、地形等級、A2均可自文獻(xiàn)[2]查表獲得。

    根據(jù)沿線自南向北降雨量遞減,植被由密變疏的規(guī)律,暴雨參數(shù)S1%取值60~100 mm/h,并以10 mm為一級差,自南向北遞減。暴雨衰減指數(shù)n1,n2自南向北遞增,在洛塘河以南分別取0.50,0.75,洛塘河以北分別取0.60,0.80。小流域流量計(jì)算時(shí)暴雨參數(shù)取值見表3。

    表3 蘭渝鐵路兩水至廣元段暴雨參數(shù)取值

    采用《壹橋8216》中Q-F曲線計(jì)算3個(gè)小流域的洪峰流量,計(jì)算參數(shù)取值及計(jì)算結(jié)果見表4。

    表4 Q-F曲線求算典型河溝流量匯總

    4 用形態(tài)調(diào)查法推算設(shè)計(jì)流量

    4.1 小流域河溝概述

    選取漢道河、杜家河、源溪河共3個(gè)小流域河溝進(jìn)行了形態(tài)調(diào)查。下面僅以漢道河為例說明具體的計(jì)算過程。

    漢道河為白龍江一級支流,發(fā)源于川陜交界的秦家埡,流經(jīng)杜家院、徐家院,至上油房,與柳家河匯合,于姚渡鎮(zhèn)周家院匯入白龍江。洪水調(diào)查地點(diǎn)為青川縣姚渡鎮(zhèn)陽山村,詳細(xì)情況整理成《漢道河洪水調(diào)查記錄》。調(diào)查段落河床及岸壁特征為:河道彎曲、狹窄,呈U形,寬15~20 m,為卵石質(zhì)河床,有少量漂石。河床縱坡較大,兩岸為人工干砌片石,河岸彎曲,岸上均為村莊。

    4.2 水文調(diào)查與計(jì)算

    據(jù)調(diào)查,1998年8月漢道河發(fā)生特大洪水,系當(dāng)?shù)卮迕?年齡78歲)記憶中最大的洪水,洪痕位于陽山小學(xué)一拱橋上,低于拱頂約0.5 m。據(jù)此推算洪水頻率相當(dāng)于50年一遇,洪水位約667.1 m。測得河流斷面、河床縱坡,按照河床特征確定河道糙率,采用謝才—曼寧公式計(jì)算流速和流量。計(jì)算的百年設(shè)計(jì)流量為136.15 m3/s。將其換算為100年一遇的設(shè)計(jì)流量Q1%=1.25×136.15=170.2 m3/s。

    同理,通過形態(tài)調(diào)查得到其余2條小河溝的設(shè)計(jì)流量,匯總見表5。

    表5 用形態(tài)調(diào)查法推算的典型河溝流量匯總

    5 計(jì)算結(jié)果對比分析

    將上述3個(gè)小河溝用《壹橋8216》計(jì)算的設(shè)計(jì)流量與用形態(tài)調(diào)查法推算的設(shè)計(jì)流量予以對比,結(jié)果見表6。

    表6 兩種方法計(jì)算的設(shè)計(jì)流量比較

    由表6可知,用《壹橋8216》與形態(tài)調(diào)查法所得的流量誤差除杜家河外均較小,在容許誤差范圍內(nèi),因此可以認(rèn)為在使用《壹橋8216》進(jìn)行小流域流量計(jì)算時(shí)所采用的參數(shù)是合理的。杜家河因河道彎曲、狹窄,水位受河灣超高影響較大,故調(diào)查洪痕較高,推算流量偏大。

    6 結(jié)語

    由于水文現(xiàn)象的復(fù)雜性,只有應(yīng)用多種方法互相驗(yàn)證并綜合分析來合理選擇參數(shù)的取值,才能取得可靠的小流域設(shè)計(jì)流量。本文將《壹橋8216》小流域流量計(jì)算方法與形態(tài)調(diào)查法相互驗(yàn)證,得出合理的計(jì)算參數(shù),為蘭渝鐵路兩水至廣元段橋梁水文設(shè)計(jì)提供了可靠依據(jù)。

    [1]中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.蘭渝鐵路蘭州至廣元段初步設(shè)計(jì)文件[Z].西安:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,2006.

    [2]鐵道部第三勘測設(shè)計(jì)院.鐵路工程設(shè)計(jì)手冊——橋渡水文[M].北京:中國鐵道出版社,1993.

    [3]劉宗峰.藏西南地區(qū)拉日鐵路沿線水文分析[J].鐵道建筑,2014(4):51-53.

    (責(zé)任審編 李付軍)

    U442.3

    :ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.08.11

    2015-04-17;

    :2015-05-20

    李金銘(1981— ),男,遼寧北鎮(zhèn)人,工程師。

    1003-1995(2015)08-0036-03

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