湍水頭溝穿新建呂臨鐵路支線段洪水分析計(jì)算

宿賓

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

湍水頭溝穿新建呂臨鐵路支線段洪水分析計(jì)算

宿賓

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

介紹了新建呂臨鐵路支線工程的基本情況，確定工程穿越河流的具體斷面位置。分別采用《山西省水文計(jì)算手冊(cè)》無資料地區(qū)計(jì)算方法、水文比擬法計(jì)算設(shè)計(jì)斷面處的設(shè)計(jì)洪水，進(jìn)行設(shè)計(jì)斷面處的洪水分析計(jì)算；同時(shí)與以往計(jì)算的結(jié)果相比較，最終確定設(shè)計(jì)洪峰流量。

洪水分析；設(shè)計(jì)洪水；設(shè)計(jì)斷面

1 項(xiàng)目概況

呂臨（孟）支線途經(jīng)臨縣、方山和柳林縣等國家扶貧重點(diǎn)縣和革命老區(qū)，人多地少、自然條件差，農(nóng)民人均耕地僅0.18hm2，貧困人口占全省的1/10多。

新建鐵路呂臨（孟）支線位于山西省呂梁市境內(nèi)，線路自太中銀鐵路呂梁站引出，經(jīng)大武鎮(zhèn)到達(dá)三交，線路在此分出岔線，一條向北方向至臨縣縣城以北城莊鎮(zhèn)，另一條向南方向至柳林縣的磧口鎮(zhèn)。

鐵路線在呂梁市境內(nèi)，主要有兩處跨越河流，分別為前陡泉村附近的湍水頭溝和林家坪鎮(zhèn)附近的湫水河，對(duì)湍水頭溝與鐵路支線交叉段洪水進(jìn)行分析計(jì)算。

2 流域概況

湫水河為黃河的一級(jí)支流，位于呂梁山脈西脊，發(fā)源于興縣的白龍山東北麓大坪頭，從陽坡入境，縱貫縣境中部，由東北向西南，流經(jīng)白文、城莊、安業(yè)、三交、林家坪、磧口等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，于磧口注入黃河。干流全長(zhǎng)122km，流域總面積1984.21km2。

湍水頭溝也稱車趕溝，系湫水河一級(jí)支流，發(fā)源于方山縣石站頭，流域分左、右兩支，形狀呈“Y”形，由東向西，流經(jīng)車趕鄉(xiāng)（右支）、湍水頭鎮(zhèn)（左支）等村莊，在鐘底村兩支匯合后經(jīng)崔家坪、后陡泉、前陡泉，于三交鎮(zhèn)溝門村匯入湫水河，河道全長(zhǎng)27.8km，控制流域面積189.43km2，離臨公路貫穿而過。

3 洪水計(jì)算

湍水頭溝流域?qū)贌o資料地區(qū)，本次設(shè)計(jì)洪水計(jì)算采用2011年3月編制的《山西省水文計(jì)算手冊(cè)》（以下簡(jiǎn)稱《手冊(cè)》）和水文比擬法兩種方法進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)新建呂臨鐵路支線工程跨湍水頭溝的位置，確定計(jì)算斷面為“前陡泉”斷面。

3.1 林家坪水文站設(shè)計(jì)洪水

3.1.1 歷史洪水及重現(xiàn)期確定

湫水河流域的歷史洪水曾進(jìn)行過多次調(diào)查。確認(rèn)的湫水河流域兩次特大洪水為1875年和1951年，地點(diǎn)為林家坪村，控制流域面積1873km2，洪峰流量分別為7700m3/s和5200m3/s。這與《山西省暴雨洪水規(guī)律研究》中基本一致，可靠程度略有差異，說明其成果可采用。

經(jīng)歷次分析考證，對(duì)于1875年洪水在晉西各調(diào)查河段洪峰流量的序位情況，該次洪水為1875年以來之首位，調(diào)查期按134年考慮；1951年歷史洪水為1875年以來的第二次特大洪水，調(diào)查期按67年考慮。

3.1.2 實(shí)測(cè)洪水系列

林家坪水文站位于臨縣林家坪村，1953年7月1日建成測(cè)流，控制流域面積1873km2。

由于湫水河流域先后修建了7座中小型水庫，除陽坡水庫修建于1958年外，其余水庫均建于20世紀(jì)70年代。為了保持洪水系列的一致性，需對(duì)建庫以后和建庫以前（包括歷史洪水）的洪水系列進(jìn)行一致性處理。按照常規(guī)，應(yīng)根據(jù)各水庫對(duì)區(qū)域內(nèi)洪水的調(diào)蓄情況，將建庫以后的洪水系列還原到建庫以前，還原后的洪水系列與建庫以前的洪水系列保持一致。然后再根據(jù)歷年暴雨洪水情況、水庫分布和調(diào)度運(yùn)行規(guī)則進(jìn)行演算，以此分析流域內(nèi)水庫調(diào)蓄對(duì)洪水的影響。但由于這些水庫均無進(jìn)、出庫水文測(cè)站，水庫控制范圍內(nèi)的雨量以及蓄水資料殘缺不全；加上湫水河流域一般洪水均由局部暴雨形成，大范圍的暴雨較少，水庫分布又比較分散，且水庫控制的流域面積較小，陽坡水庫控制流域面積251km2，其余6座水庫僅150.2km2，還原計(jì)算存在一定難度。

因此，本次林家坪洪水系列采用修建陽坡水庫以后的1959—2010年52年實(shí)測(cè)洪峰流量系列資料，多年平均918m3/s。

3.1.3 洪水頻率分析

根據(jù)1959—2010年共52年洪峰流量系列，按不連續(xù)系列計(jì)算經(jīng)驗(yàn)頻率，加入歷史調(diào)查洪水，采用P-Ⅲ型曲線進(jìn)行計(jì)算，統(tǒng)計(jì)參數(shù)均值為1000，變差系數(shù)CV為1.25，對(duì)比系數(shù)CS/CV為2.2，求得林家坪設(shè)計(jì)洪水成果及統(tǒng)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 湫水河林家坪站洪峰流量頻率成果表

3.2 設(shè)計(jì)斷面洪水

3.2.1 水文比擬法

湍水頭溝為湫水河支流，前陡泉斷面控制流域面積175km2，設(shè)計(jì)洪水采用林家坪水文站設(shè)計(jì)洪水，按面積比指數(shù)法推求。公式如下：

式中：Q設(shè)計(jì)——橋位斷面設(shè)計(jì)洪峰流量，m3/s；

Q林家坪——林家坪站設(shè)計(jì)洪峰流量，m3/s；

F設(shè)計(jì)——橋位斷面處流域面積，km2；

F林家坪——林家坪站流域面積，km2；

n——面積指數(shù)，取0.5。

經(jīng)計(jì)算，前陡泉斷面100年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為1822m3/s，50年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為1495m3/s，20年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為1079m3/s。

3.2.2 手冊(cè)法

計(jì)算流域自然地理特征及產(chǎn)流、匯流有關(guān)的河道特征，其中流域面積和主河道長(zhǎng)在實(shí)測(cè)地形圖上量算，產(chǎn)匯流地類參考《山西省水文計(jì)算手冊(cè)選用站水文下墊面產(chǎn)流地類圖冊(cè)》（簡(jiǎn)稱《手冊(cè)》）得到。即：流域面積175km2，主河道長(zhǎng)度26.4km，流域平均坡度23.6‰，產(chǎn)流地類為黃土丘陵溝壑，匯流地類為黃土丘陵。

按《手冊(cè)》選取定點(diǎn)，從暴雨等值線圖上查得不同歷時(shí)的暴雨均值及變差系數(shù)CV值，按HP=KP（其中HP設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量，KP為模比系數(shù)）計(jì)算出不同頻率的設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量。計(jì)算面雨量初值，求解暴雨公式參數(shù)，得出設(shè)計(jì)面雨量，進(jìn)行時(shí)程分配，計(jì)算出主雨歷時(shí)tz和主雨雨量HP（tz）。結(jié)果見表2。

表2 主雨歷時(shí)及主雨雨量計(jì)算表 單位：mm

根據(jù)各支流流域下墊面條件，由《手冊(cè)》查出流域包氣帶充分風(fēng)干時(shí)的吸收率、流域包氣帶充分風(fēng)干時(shí)的導(dǎo)水率和設(shè)計(jì)頻率為P的流域前期土濕標(biāo)志B0，p，計(jì)算可能損失、凈雨深、產(chǎn)流歷時(shí)、損失率和凈雨過程分配。

匯流計(jì)算采用綜合瞬時(shí)單位線法和推理公式法進(jìn)行計(jì)算。

綜合瞬時(shí)單位線法：綜合瞬時(shí)單位線將流域匯流過程假設(shè)為由n個(gè)等效線性水庫串聯(lián)體對(duì)水流的調(diào)蓄過程。把瞬時(shí)作用于流域上的單位凈雨水體在流域出口斷面形成的時(shí)間概率密度分布曲線稱為瞬時(shí)匯流曲線，量綱為。把單位凈雨乘以瞬時(shí)匯流曲線稱為瞬時(shí)單位線。

在計(jì)算過程中，匯流地類為黃土丘陵，β1，β2，α為經(jīng)驗(yàn)性指數(shù)，分別取0.047，0.190，0.397；C1為復(fù)合地類匯流參數(shù)，取1.000；C2為單地類匯流參數(shù)，取0.62。計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 前陡泉斷面設(shè)計(jì)洪峰流量成果表 單位：m3/s

推理公式法：最大流量Qm計(jì)算采用數(shù)值法。單一地類匯流參數(shù)m取值，黃土丘陵0.35，計(jì)算結(jié)果見表3。

3.3 設(shè)計(jì)洪水成果采用

前陡泉斷面設(shè)計(jì)洪水，2009年采用1991年編制的《山西省暴雨洪水計(jì)算實(shí)用手冊(cè)》（以下簡(jiǎn)稱《雨洪手冊(cè)》）中推理公式進(jìn)行過計(jì)算，設(shè)計(jì)斷面不同方法的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算結(jié)果見表3。

從表中可以看出，本次水文比擬法及《手冊(cè)》推理公式法較“2009年雨洪手冊(cè)”計(jì)算成果偏大較多；《手冊(cè)》綜合瞬時(shí)單位線法與《雨洪手冊(cè)》推理公式法計(jì)算結(jié)果接近，差值在允許計(jì)算的誤差范圍內(nèi)，說明計(jì)算結(jié)果較為合理。

林家坪水文站控制流域面積1873km2與前陡泉斷面控制流域面積175km2相差過大，且流域內(nèi)下墊面條件差異、產(chǎn)匯流特性均有較大差別，不能反映流域的產(chǎn)匯流過程，因此，不宜按面積比推求設(shè)計(jì)洪水。

4 結(jié)論

本次設(shè)計(jì)斷面洪水的確定，對(duì)比分析了三種計(jì)算成果，一是采用《手冊(cè)》中無資料地區(qū)洪水計(jì)算方法的計(jì)算成果，二是參考相近流域的林家坪水文站的洪峰流量依照水文比擬法的計(jì)算成果，三是2009年采用《雨洪手冊(cè)》的計(jì)算成果。經(jīng)分析，決定采用《手冊(cè)》綜合瞬時(shí)單位線法計(jì)算結(jié)果。

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］1004-7042（2016）11-0026-02

宿賓（1984-），男，2009年畢業(yè)于華北水利水電學(xué)院農(nóng)業(yè)水土工程專業(yè)，工程師。

2016-09-20；

2016-10-24