塞拉利昂新建鐵路工程小流域徑流計算方法研究

侯杰平

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

?

塞拉利昂新建鐵路工程小流域徑流計算方法研究

侯杰平

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

對國內(nèi)外較常用的水文計算公式進(jìn)行研究，根據(jù)收集資料和現(xiàn)場勘測資料，采用廣東省洪峰流量經(jīng)驗公式Qp=C2×H24P×Fn，利用塞拉利昂水文站實測資料推算水文公式中的參數(shù)值，通過現(xiàn)場勘測，篩選10處較為可靠的小流域工點，按形態(tài)法計算出百年流量，并利用現(xiàn)場勘測工點的計算流量對經(jīng)驗公式參數(shù)進(jìn)行修正，重新擬定出從理論依據(jù)及現(xiàn)實效果上均能更好地適應(yīng)塞拉利昂地區(qū)鐵路沿線中小河流的暴雨洪水計算方法。

塞拉利昂 水文計算 水文勘測 形態(tài)法 參數(shù)修正

1 工程概況

塞拉利昂地處非洲西岸(見圖1)，屬熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，高溫多雨，干、濕季分明，年平均降雨量達(dá)2 000～5 000 mm，是西非降雨量最多的國家之一，洪水幾乎每年都會爆發(fā)。

2014年，鐵三院承擔(dān)了新建塞拉利昂礦石鐵路專用線項目的勘測設(shè)計工作。該項目位于塞拉利昂中部和南部，基本為北-南走向(見圖2)，線路起點位于潘帕河西側(cè)唐卡里里礦區(qū)，終點位于大西洋海邊普杰洪港，線路全長227.410 km。因設(shè)計要求，需要對沿線中小河流及溝谷進(jìn)行設(shè)計洪峰流量計算，以確定線路高程和橋涵孔徑規(guī)模。同時，通過對本地區(qū)水文計算方法的研究，為以后西非地區(qū)鐵路建設(shè)提供水文計算方面的參考。

圖1 非洲水系流域和塞拉利昂位置

圖2 塞拉利昂唐克里里至普杰洪礦區(qū)鐵路工程地理位置示意

2 小流域徑流計算公式研究思路

塞拉利昂經(jīng)濟(jì)欠發(fā)展，現(xiàn)為全世界最貧窮的國家之一，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)相對滯后，水利工程方面的基礎(chǔ)設(shè)施較少，內(nèi)戰(zhàn)不斷，2002年戰(zhàn)爭才趨近尾聲，以上水文計算公式所需很多參數(shù)都沒有記錄?？睖y期間收集到了《設(shè)計資料匯編—塞拉利昂》書籍資料，記錄了一些水文站的降雨資料，主要為20世紀(jì)70年代以前的日降雨量資料，其中離線位最近的為博城水文站。該水文站位于全線中間位置，記錄了20年左右的日降雨量資料，通過對比以上水文計算公式以及收集到的水文資料和塞拉利昂國內(nèi)現(xiàn)場水文勘測資料情況，本次塞拉利昂新建鐵路工程小徑流流量計算公式擬采用廣東省洪峰流量經(jīng)驗公式Qp=C2×H24P×Fn，其中參數(shù)Qp為設(shè)計頻率流量，C2為隨計算頻率而變化的頻率系數(shù)，H24P為24h不同頻率的降雨量，n為地區(qū)暴雨點面折減系數(shù)，F(xiàn)為匯水計算面積。

通過收集的水文資料初步推算經(jīng)驗公式中的參數(shù)，再根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查資料采用形態(tài)法[5，9，10]計算每個調(diào)查工點的流量，通過對比此經(jīng)驗公式和形態(tài)法的流量計算結(jié)果，驗證經(jīng)驗公式是否合理，并根據(jù)工點形態(tài)法計算流量結(jié)果修正經(jīng)驗公式中的參數(shù)C2、n。

3 小流域徑流經(jīng)驗公式確定參數(shù)計算方法

3.1 水文計算公式

本次鐵路工程水文計算公式初步擬采用小徑流流量計算經(jīng)驗公式

QP=C2×H24P×Fn，

式中 QP——頻率為P的暴雨流量/(m3/s)；

H24P——24h內(nèi)頻率為P的暴雨量/mm；

n——地區(qū)暴雨點面折減系數(shù)，暫取0.84；

F——流域面積/km2；

C2——參數(shù)，按表1查用。

表1 C2參數(shù)查用

3.2 H24P的計算

通過收集的博城水文站降雨資料，可得本地區(qū)1955年～1972年日最大降雨量，根據(jù)收集的降雨量資料推求經(jīng)驗公式中的參數(shù)H24P。其每年最大日降雨量見表2(塞拉利昂博城水文站，其中：1inch=25.4mm)。

表2 博城水文站1955年～1972年日最大降雨量 inck

首先將每年日最大降雨量按歷年降雨量遞減順序排列，如表3。

表3 每年日最大降雨量按歷年降雨量遞減順序排列

適線法修正：偏差系數(shù)按Cs=2.0，2.5，3.5，…，CV取值，假定Cs=3CV和Cs=4CV，查《水文手冊》附表，得出兩條理論頻率曲線(如圖3)，很明顯，兩條曲線的坡度很平緩，說明計算出來的Cv偏小，需要調(diào)整Cv值。

圖3 頻率曲線關(guān)系

令Cs=3.5CV，由公式

計算得σcv=0.075。

因此得CV=0.36+0.075=0.435，采用CV=0.44，再重新繪制理論頻率曲線(如圖3)，該理論頻率曲線與經(jīng)驗頻率點配合良好。

最后采取CV=0.44，Cs=3.5CV。

3.3 參數(shù)及系數(shù)的確定

通過表1可查得百年一遇參數(shù)C2=0.053，通過推算得百年一遇H1%=360.60 mm，由于塞拉利昂與我國廣東省氣候類似，所以指數(shù)n根據(jù)廣東省經(jīng)驗值暫取0.84，最后得出百年一遇初步流量計算公式為Q1%=0.053×360.60×F0.84，即Q1%=19.11×F0.84。根據(jù)鐵三院橋渡水文計算公式，可得50年一遇流量計算公式為Q1%=1.125Q2%，即Q2%=0.889Q1%

4 形態(tài)法小徑流計算

通過實地調(diào)查，確定所調(diào)查河流的歷史洪水位及相應(yīng)的洪水頻率；其次，根據(jù)實測河流斷面、河床坡度及按河床特征確定的糙率，用謝才—曼寧公式[11，12]計算所調(diào)查歷史洪水的流量；利用本地區(qū)的偏差系數(shù)(Cs)、變異系數(shù)(Cv)及調(diào)查洪水的重現(xiàn)期流量，推求設(shè)計流量換算系數(shù)X(T1/T2)，進(jìn)而推求百年流量。

4.1 小流域徑流驗證工點水文調(diào)查情況

本次現(xiàn)場水文勘測共對29個小徑流工點進(jìn)行了調(diào)查記錄整理，包括被調(diào)查人情況、調(diào)查談話資料及調(diào)查資料的可信性評價，并通過該調(diào)查資料確定所調(diào)查洪水的歷史重現(xiàn)期。

通過對29個小徑流工點進(jìn)行可信度篩選，選取了其中10處較為可靠的小徑流工點作為本次推求百年流量計算公式的依據(jù)，驗證工點信息見表4。

由于篇幅限制，本次調(diào)查工點只列兩處情況說明。

(1)小徑流驗證工點一

流域內(nèi)地勢較陡，雜草灌木叢生，河槽兩側(cè)生長有高大喬木，寬約10 m，深約6 m，橋下水流深0.5 m，河水清澈，無淤積，有雜草灌木叢生河床地質(zhì)為巖石，河底平順。此處有一座廢鋼軌搭成的簡易橋，經(jīng)詢問當(dāng)?shù)鼐用?，最大洪水位距橋面約0.5 m，幾乎1～2年發(fā)生一次。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查詢問和分析，此洪水位按2年一遇考慮。

(2)小徑流驗證工點七

流域內(nèi)地勢略有起伏，雜草灌木叢生，河槽兩側(cè)生長有高大喬木和茂密灌木雜草，流域內(nèi)沖溝較多，主槽寬約20 m，驗證工點處有一既有Doowaye River公路橋梁，跨度為2～10.9 m，凈高4.6 m，橋下水流渾濁，水深約1 m。據(jù)當(dāng)?shù)厍蹰LGbondo(65歲)介紹，此處既有公路橋修建于1985年，從該橋建成通車至今，橋梁尚未遇到淹沒該橋的洪水。本地區(qū)大概每年8月份～10月份為雨季，降雨量都會很大，洪水時，水位都會到達(dá)距離既有橋梁底下約1.5 m的位置，每隔3～5年發(fā)生一次。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查和分析，采用酋長所指認(rèn)梁底以下1 m作為歷史洪水位，洪水重現(xiàn)期按5年一遇考慮。

表4 小流域徑流驗證工點信息

4.2 形態(tài)法計算百年流量

根據(jù)現(xiàn)場小徑流1～10號驗證工點調(diào)查情況，按形態(tài)法計算驗證各工點流量，并換算成百年流量，各工點流量計算結(jié)果見表5。

表5 小流域徑流驗證工點流量計算結(jié)果

5 形態(tài)法與經(jīng)驗基本公式流量計算結(jié)果對比分析及參數(shù)修正

5.1 形態(tài)法與經(jīng)驗基本公式計算結(jié)果對比

小流域徑流百年一遇流量計算經(jīng)驗公式經(jīng)由以上推算得Q1%=19.11×F0.84。各小流域驗證工點由經(jīng)驗公式和形態(tài)法計算的百年一遇流量結(jié)果見表6。由表6可見，經(jīng)驗公式計算結(jié)果略小于形態(tài)法計算結(jié)果，但兩者流量計算結(jié)果吻合較好，故本鐵路工程小流域徑流流量計算公式可采用由經(jīng)驗公式推算得出的流量計算公式Q1%=19.11×F0.84。

表6 小流域徑流驗證工點經(jīng)驗公式和形態(tài)法流量計算結(jié)果對比

5.2 經(jīng)驗公式計算參數(shù)修正

由以上計算結(jié)果對比可得，該經(jīng)驗公式基本上符合該地區(qū)小流域百年流量的計算，為了使該流量計算公式各參數(shù)取值更加準(zhǔn)確，現(xiàn)對公式Q1%=19.11×F0.84中的參數(shù)C2×H24P、n，利用形態(tài)法計算流量結(jié)果進(jìn)行修正(見圖4)。通過擬合法修正參數(shù)得C2×H24P=19.99，n=0.85，則百年一遇供水流量計算公式為Q1%=19.99×F0.85，從而得50年一遇流量計算公式為Q2%=0.889Q1%。

圖4 參數(shù)修正時百年流量與計算流域面積關(guān)系

6 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)等情況有著很大的關(guān)系。本次勘測在5萬圖上搜索小流域方位，走訪當(dāng)?shù)乩相l(xiāng)進(jìn)行洪水位調(diào)查，實地勘測水坡和水文斷面，分析篩選出10處較為典型的小流域作為驗證工點，根據(jù)勘測的水文資料，采用形態(tài)法對以上10處小流域流量進(jìn)行逐一計算和分析。其次，通過收集來的塞拉利昂本地24 h降雨資料，推算出經(jīng)驗公式中的基本參數(shù)H24P，得出經(jīng)驗公式基本形式為Q1%=19.11×F0.84，通過經(jīng)驗公式和形態(tài)法流量計算結(jié)果對比分析可知，經(jīng)驗基本公式Q1%=19.11×F0.84可滿足本地區(qū)小流域徑流流量計算要求。為了使經(jīng)驗基本公式各參數(shù)更加準(zhǔn)確，采用形態(tài)法流量計算結(jié)果對其參數(shù)進(jìn)行了修正，得Q1%=19.99×F0.85， 50年一遇流量計算公式為Q2%=0.889Q1%。

[1] 羅星文，李正祥.尼日尼亞中小河流暴雨洪水計算方法研究[J].科協(xié)論壇，2009(7)

[2] 鐵道部第一設(shè)計院，中國科學(xué)院地理研究所，鐵道部科學(xué)研究院西南研究所.小流域暴雨洪峰流量計算[M].北京：科學(xué)出版社，1978

[3] SETRA2006道路排水技術(shù)指南[Z]

[4] 肖軍.法國高速公路橫向徑流恢復(fù)設(shè)計的原理及方法[J].公路，2008(9)：61-63

[5] 鐵道部第三勘測設(shè)計院.橋渡水文[M].北京：中國鐵道出版社，1999

[6] 梅寒.洪峰流量經(jīng)驗公式法在北嶺截洪渠設(shè)計中的應(yīng)用[J].廣東水利水電，2003(6)

[7] 李昌茂，劉翀.山區(qū)小流域暴雨洪水的簡化計算[J].江西水利科技，2003，29(4)

[8] 郭紹光，梁揚(yáng)武.城區(qū)小流域暴雨洪水計算方法的探討[J].廣西水利水電，2003(2)

[9] 吳昊.既有白城至阿爾山鐵路改造小流域徑流計算方法[J].鐵道勘察，2014(6)

[10]穆偉，李群善，吳昊，等.山西中南部鐵路通道武陵至兗州段小流域徑流計算方法的確定[J].鐵道勘察，2009，35(3)

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

[12]TBJ17—86鐵路橋渡勘測設(shè)計規(guī)范[S]

Study of the Calculation Method of the Small Watershed Runoff of the New Railway Construction in Sierra Leone

HOU Jieping

2016-09-06

侯杰平(1981—)，男，2006年畢業(yè)于中南大學(xué)土木工程專業(yè)，工學(xué)碩士，工程師。

1672-7479(2016)06-0033-05

P333

B