中法公路涵洞水文設(shè)計(jì)方法對(duì)比

毛雪松，徐 旺，臧芝樹，唐 可，湯鑫磊

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；2.中國(guó)公路工程咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100097)

近年來，中國(guó)向非洲國(guó)家提供了大量資金和優(yōu)惠性貸款，主要用于公路、鐵路、橋涵、港口等重大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，在向非洲國(guó)家提供投資的同時(shí)，我國(guó)很多設(shè)計(jì)研究院及施工單位也逐漸承擔(dān)著工程設(shè)計(jì)和施工任務(wù).由于我國(guó)公路技術(shù)人員剛剛涉及非洲公路設(shè)計(jì)，兩者設(shè)計(jì)理念、設(shè)計(jì)方法存在一定的差異，為了更好的保證工程質(zhì)量，迫切需要對(duì)比中非規(guī)范之間的差異性.又由于歷史遺留和現(xiàn)實(shí)存在等各方面的原因，許多非洲國(guó)家一直使用法國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，所以，進(jìn)行中法規(guī)范對(duì)比十分重要.

目前關(guān)于中法公路修筑技術(shù)規(guī)范的對(duì)比，主要集中于中法公路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[1]、施工方法[2]、巖土劃分[3]、地基處理設(shè)計(jì)[4]、路基填料使用條件[5].涵洞作為重要的排水設(shè)施，其設(shè)計(jì)直接影響著路基的排水效果和穩(wěn)定.為了進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，我國(guó)工程設(shè)計(jì)人員應(yīng)該考慮國(guó)內(nèi)的涵洞設(shè)計(jì)與非洲國(guó)家項(xiàng)目所在地的差異性，推薦合理的設(shè)計(jì)方法.JIA Z等[6]介紹了非洲國(guó)家肯尼亞缺乏水文資料時(shí)設(shè)計(jì)流量計(jì)算方法；劉毅等[7]對(duì)阿爾及利亞東西高速公路一標(biāo)段水文水力進(jìn)行了計(jì)算，系統(tǒng)地介紹了法國(guó)涵洞水文設(shè)計(jì)方法；HU Yiming等[8]介紹了基于不確定性的中國(guó)水文頻率分析方法；華鵬年等[9]提出了中國(guó)小流域設(shè)計(jì)流量計(jì)算方法；李長(zhǎng)秋[10]等按照中國(guó)涵洞水文設(shè)計(jì)方法對(duì)綏建公路24 km涵洞水文水力進(jìn)行了計(jì)算.但是在涵洞設(shè)計(jì)流量計(jì)算及水力驗(yàn)算方面，尚無進(jìn)行中國(guó)規(guī)范和法國(guó)規(guī)范的系統(tǒng)對(duì)比.本文從考慮公路涵洞設(shè)計(jì)流量計(jì)算方法和水力驗(yàn)算的差異性出發(fā)，以具體涵洞為工程實(shí)例，應(yīng)用中國(guó)規(guī)范和法國(guó)規(guī)范進(jìn)行了設(shè)計(jì)與驗(yàn)算.

1 中法公路涵洞水文設(shè)計(jì)方法的差異性

中法公路涵洞設(shè)計(jì)流程基本上相同，都是先進(jìn)行資料收集，然后計(jì)算涵洞設(shè)計(jì)流量，接下來初擬涵洞類型及尺寸，最后進(jìn)行涵洞水力驗(yàn)算.但是，中法公路涵洞類型的確定、設(shè)計(jì)流量計(jì)算方法、水力驗(yàn)算方法不完全相同.

1.1 中法公路涵洞類型的確定

法國(guó)規(guī)范按如下方面擬定涵洞類型[11]：需按照對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)流量初步選擇涵洞類型；當(dāng)流量較小、無其他功能要求、涵洞頂面最大填土高度不大于8 m時(shí)，應(yīng)采用圓管涵；當(dāng)流量較大、無其他功能要求、涵洞頂面最大填土高度大于8 m時(shí)，應(yīng)采用小孔徑框架.

中國(guó)規(guī)范按如下方面擬定涵洞類型：缺少石料且有足夠填土高度的地區(qū)應(yīng)選用鋼筋混凝土管涵；無石料且過水面積較大的地區(qū)應(yīng)選用鋼筋混凝土蓋板涵；軟土地區(qū)應(yīng)選用鋼筋混凝土箱涵；跨越深溝或高路堤地區(qū)應(yīng)選用拱涵；石料豐富且過水流量較小地區(qū)應(yīng)選用石板涵.在擬定涵洞類型時(shí)，法國(guó)規(guī)范只考慮了設(shè)計(jì)流量和填土高度，而中國(guó)規(guī)范還需考慮材料供給、土性及地形差異等因素.由于中國(guó)規(guī)范考慮的因素比法國(guó)規(guī)范多，考慮的更加全面，所以在擬定涵洞類型方面，中國(guó)規(guī)范更加合理.

1.2 中法公路涵洞設(shè)計(jì)流量計(jì)算方法

1.2.1 法國(guó)規(guī)范公路涵洞設(shè)計(jì)流量計(jì)算方法

法國(guó)公路涵洞設(shè)計(jì)流量計(jì)算方法主要參考的是由法國(guó)公路和高速公路技術(shù)研究所編寫的文件《公路排水系統(tǒng)設(shè)施》，設(shè)計(jì)流量的計(jì)算方法有有理公式法、基底公式法、轉(zhuǎn)換公式法，具體適用范圍見表1[12-13].

表1 計(jì)算方法的適用范圍

(1)有理公式法

有理公式法最為常用，其設(shè)計(jì)流量計(jì)算公式為

(1)

式中：Q(T)為設(shè)計(jì)流量(m3/s)；C(T)為地表漫流系數(shù)；SBVA為匯水面積(km2)；i(T)為平均降雨強(qiáng)度(mm/h)，其公式為

(2)

C(T)與地表植被覆蓋情況、地貌形態(tài)、地表坡度、土壤類型等有關(guān)，法國(guó)規(guī)范只規(guī)定了當(dāng)重現(xiàn)期為10a時(shí)的地表漫流系數(shù)，對(duì)于任意重現(xiàn)期T的地表漫流系數(shù)可以采用相關(guān)公式計(jì)算.

(2)基底公式法

該公式來自于法國(guó)農(nóng)業(yè)部的規(guī)定，應(yīng)首先計(jì)算重現(xiàn)期為10a的設(shè)計(jì)流量，然后推求重現(xiàn)期為100a的設(shè)計(jì)流量.

重現(xiàn)期為10a的計(jì)算公式為

(3)

式中：系數(shù)R為土壤的漫流能力系數(shù)，一般根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)確定；P(10)為重現(xiàn)期為10a的日降雨量(mm).

重現(xiàn)期為100a的計(jì)算公式為

Q(100)=b′×Q(10)

(4)

式中：b′為參數(shù)，具體取值取決于匯水面積.

(3)轉(zhuǎn)換公式法

轉(zhuǎn)換公式法設(shè)計(jì)流量計(jì)算公式為

Q(T)=α×QR(T)+β×QC(T)

(5)

式中：α、β為平衡系數(shù)，兩系數(shù)之和為1，當(dāng)1 km2

1.2.2 中國(guó)規(guī)范公路涵洞設(shè)計(jì)流量計(jì)算方法

中國(guó)公路涵洞設(shè)計(jì)流量計(jì)算方法主要參考2007年交通部發(fā)布的《公路涵洞設(shè)計(jì)細(xì)則》，包括暴雨推理法、徑流系數(shù)法、形態(tài)調(diào)查法和直接類比法[14].

(1)暴雨推理法

暴雨推理法是一種半經(jīng)驗(yàn)半理論的計(jì)算方法，一般適用于匯水面積小于100 km2情況.其設(shè)計(jì)流量計(jì)算公式為

(6)

式中：QP為設(shè)計(jì)流量(m3/s)；SP為雨力(mm/h)；τ為匯流時(shí)間(h)；n為暴雨遞減系數(shù)；μ為損失參數(shù)；F為匯水面積(km2).

(2)徑流形成法

徑流形成法是目前公路部門普遍使用的一種計(jì)算方法，適用于匯水面積F≤30 km2的小流域.其設(shè)計(jì)流量計(jì)算公式為

(7)

式中：ψ為地貌系數(shù)；h為徑流厚度；F為匯水面積(km2)；β為洪水傳播的流量折減系數(shù)；γ為洪水區(qū)降雨量不均勻折減系數(shù)；δ為小水庫(kù)(湖泊)調(diào)節(jié)作用影響洪峰流量的折減系數(shù).

(3)形態(tài)調(diào)查法

形態(tài)調(diào)查法是一種結(jié)合形態(tài)調(diào)查確定設(shè)計(jì)流量的方法，目前公路部門應(yīng)用較為普遍，當(dāng)有可靠的歷史洪水調(diào)查資料時(shí)，其適用范圍不受限制.采用形態(tài)調(diào)查法時(shí)，應(yīng)首先計(jì)算斷面流速和歷史洪水流量，然后計(jì)算涵洞形態(tài)斷面處的洪峰流量，最后推求擬建涵洞處設(shè)計(jì)流量.

(4)直接類比法

直接類比法是用已有涵洞作為形態(tài)斷面，采用類似形態(tài)調(diào)查法推求擬建涵洞設(shè)計(jì)流量的方法，應(yīng)用的前提條件是能調(diào)查到已有涵洞可靠的涵前洪水積水高度及相應(yīng)的洪水頻率.

1.2.3 中法公路涵洞設(shè)計(jì)流量計(jì)算方法對(duì)比

(1)設(shè)計(jì)流量計(jì)算方法的對(duì)比

中國(guó)規(guī)范的暴雨推理法、徑流形成法和法國(guó)規(guī)范計(jì)算方法都是半理論半經(jīng)驗(yàn)法，即利用一系列參數(shù)計(jì)算設(shè)計(jì)流量，但法國(guó)規(guī)范計(jì)算方法之間有一定的聯(lián)系，例如有理公式法和基底公式法是轉(zhuǎn)換公式法的基礎(chǔ)；中國(guó)規(guī)范特有兩種經(jīng)驗(yàn)方法—形態(tài)調(diào)查法、直接類比法，它們都是通過某處洪峰流量推求擬建涵洞的設(shè)計(jì)流量，可以大大提高設(shè)計(jì)流量計(jì)算的準(zhǔn)確性.

(2)參數(shù)對(duì)比

中法規(guī)范有一些參數(shù)是相同的，例如匯水面積、匯水時(shí)間、降雨量.但是法國(guó)規(guī)范用到的參數(shù)較中國(guó)規(guī)范參數(shù)少，主要是因?yàn)橛幸恍﹨?shù)考慮了很多影響設(shè)計(jì)流量的因素，例如地表漫流系數(shù)考慮了地表植被覆蓋情況、地貌形態(tài)、地表坡度、土壤類型、日降雨量，而中國(guó)規(guī)范需用到地貌系數(shù)、徑流厚度、滯留厚度三個(gè)參數(shù)來反映這些因素的影響；雖然在反映相同因素對(duì)設(shè)計(jì)流量計(jì)算的影響時(shí)，中國(guó)規(guī)范用到的參數(shù)比法國(guó)規(guī)范多，但是這樣會(huì)使計(jì)算結(jié)果相對(duì)合理.另外，中國(guó)規(guī)范引入了一系列折減系數(shù)、遞減指數(shù)、損失參數(shù)，而法國(guó)規(guī)范沒有這些參數(shù)，中國(guó)規(guī)范考慮的這些系數(shù)與實(shí)際情況更加相符，這樣會(huì)相對(duì)增加計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性.

對(duì)于各個(gè)參數(shù)值的獲取，法國(guó)規(guī)范更多的是計(jì)算，而中國(guó)規(guī)范更多的是查表選取經(jīng)驗(yàn)值，例如徑流形成法除了匯水面積這一參數(shù)外其它參數(shù)都是查表獲取，顯然在參數(shù)值獲取方面法國(guó)規(guī)范比中國(guó)規(guī)范更加合理.

(3)適用范圍對(duì)比

對(duì)于不同計(jì)算方法的適用范圍，法國(guó)規(guī)范主要依據(jù)匯水面積以及是否處于濱海地區(qū)進(jìn)行區(qū)分；中國(guó)規(guī)范主要依據(jù)匯水面積、是否有可靠的歷史洪水調(diào)查資料以及河溝附近是否存在已建涵洞來選擇計(jì)算方法，應(yīng)結(jié)合具體條件確定.在選擇計(jì)算方法時(shí)，法國(guó)規(guī)范的適用范圍劃分比中國(guó)規(guī)范明確，方便設(shè)計(jì)人員進(jìn)行選擇.

1.3 中法公路涵洞水力驗(yàn)算對(duì)比

中法公路涵洞的設(shè)計(jì)都是根據(jù)設(shè)計(jì)流量初擬涵洞類型及孔徑后，再進(jìn)行水力驗(yàn)算[15-16].

(1)驗(yàn)算內(nèi)容對(duì)比

中法規(guī)范驗(yàn)算內(nèi)容基本上相同，需要驗(yàn)算涵洞內(nèi)流速、水深、涵前雍水.

(2)驗(yàn)算標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

在水力驗(yàn)算標(biāo)準(zhǔn)方面，中法規(guī)范有一定的差異性，具體對(duì)比見表2.

表2 驗(yàn)算標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比

對(duì)于涵洞凈空高度，法國(guó)規(guī)范認(rèn)為它只與涵洞進(jìn)口高度有關(guān)，中國(guó)規(guī)范認(rèn)為它還與涵洞類型有關(guān)，并且中國(guó)規(guī)范取值更大，相對(duì)保守一點(diǎn)；另外，法國(guó)規(guī)范還需考慮路基邊緣至涵前雍水頂面高差，而中國(guó)規(guī)范沒有提及，法國(guó)規(guī)范這方面比較合理.

(3)驗(yàn)算公式對(duì)比

當(dāng)水流狀態(tài)為臨界流或正常水流時(shí)，中法規(guī)范都可以用相關(guān)公式計(jì)算涵洞內(nèi)水流高度和流速，具體公式見表3.中法規(guī)范涵前雍水公式見表4.

表3 水流高度和流速公式

注：Q(T)、Qp為設(shè)計(jì)流量(m3/s)；B、Bk為凈寬(m)；ξ為側(cè)向壓縮系數(shù)；kn、n為粗糙系數(shù)；Rh、R為水力半徑(m)；Sn、A為流水?dāng)嗝婷娣e；pn為設(shè)計(jì)縱坡；I為水力梯度.

表4 涵前雍水公式

2 工程實(shí)例分析

以文獻(xiàn)[17]的阿爾及利亞東西高速公路W5標(biāo)段K34+482涵洞為工程實(shí)例，應(yīng)用中法公路涵洞水文設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了計(jì)算和結(jié)果對(duì)比.

2.1 工程概況

阿爾及利亞東西高速公路W5標(biāo)段沿線地形以丘陵為主，地形起伏大，部分路段位于平原地段，地形平坦.沿線沒有大型河流，一些小的河溝是季節(jié)性的，干旱期長(zhǎng)，但是雨季強(qiáng)度大.

W5標(biāo)段K34+482處有一條河溝，匯水區(qū)范圍主要為耕地，地表土為黏土，匯水面積25.3 km2，該匯水區(qū)漫流長(zhǎng)度L1=3 320 m，平均縱坡P1=0.074，徑流長(zhǎng)度L2=5 660 m，平均縱坡P1=0.052，近十年和近百年來日降雨量的最大深度分別為P(10)=120 mm、P(100)=450 mm，擬設(shè)1-8×5.5 m箱形涵洞，涵洞采用水泥混凝土結(jié)構(gòu)，洞口設(shè)計(jì)為八字墻，該河溝匯水區(qū)范圍內(nèi)最低處路基邊緣高程分別為391.8 m，涵洞進(jìn)出口高程擬定為389.0 m和388.5 m，涵洞長(zhǎng)為46.1 m.

2.2 法國(guó)公路涵洞水文設(shè)計(jì)方法

2.2.1 設(shè)計(jì)流量計(jì)算

(1)采用有理公式法計(jì)算QR(100)

(2)采用基底公式法計(jì)算QC(100)

(3)采用轉(zhuǎn)換公式法計(jì)算Q(100)

由于該河溝處于濱海地區(qū)，匯水面積在10～50 km2范圍內(nèi)，所以應(yīng)該采用轉(zhuǎn)換公式法來計(jì)算設(shè)計(jì)流量，其中,α=(50-25.3)/40=0.62，β=1-α=0.38，由公式(5)計(jì)算得Q(100)=155.84 m3/s .

2.2.2 水力驗(yàn)算

2.3 中國(guó)公路涵洞水文設(shè)計(jì)方法

2.3.1 設(shè)計(jì)流量計(jì)算

根據(jù)《公路涵洞設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D65-04-2007)，由于匯水面積小于30 km2，可采用徑流形成法計(jì)算設(shè)計(jì)流量.該河溝的平均縱坡在6.0%～10.0%之間，匯水面積在20～30 km2之間，則ψ可取0.08、τ可取80 min；由于W5標(biāo)段地形以丘陵為主且干旱期長(zhǎng)、暴雨強(qiáng)度大，所以它類似于我國(guó)的暴雨分區(qū)9區(qū)；由暴雨分區(qū)、土壤類型、匯流時(shí)間、重現(xiàn)期，查表可得h=65 mm；河溝附近為耕地，則z可取35 mm；匯水面積離涵洞很近，β值應(yīng)取1；匯水區(qū)寬度小于5 km，γ可直接取1；涵洞附近沒有小水庫(kù)或湖泊，δ也可直接取1.由公式(7)計(jì)算得QP=168.96 m3/s.

2.3.2 水力驗(yàn)算

由中國(guó)涵洞臨界水流公式計(jì)算得vk=5.92 m/s、hk=3.57 m.由于涵洞采用砼結(jié)構(gòu)，n可取0.013，由中國(guó)涵洞正常水流公式計(jì)算得v=10.01 m/s、h=2.21 m.由于v>vk，流速不滿足要求.經(jīng)中國(guó)水力驗(yàn)算得，該涵洞設(shè)計(jì)不合理.

2.4 中法公路涵洞計(jì)算結(jié)果對(duì)比

中法規(guī)范設(shè)計(jì)流量計(jì)算結(jié)果分別為168.96 m3/s 、155.84 m3/s，中國(guó)規(guī)范計(jì)算結(jié)果比法國(guó)規(guī)范大10%左右，結(jié)果偏差與基底公式法用10a重現(xiàn)期計(jì)算設(shè)計(jì)流量然后轉(zhuǎn)換成100a重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)流量有關(guān)，而中國(guó)規(guī)范直接用重現(xiàn)期100a來選擇參數(shù)值進(jìn)行計(jì)算設(shè)計(jì)流量，這樣導(dǎo)致了中國(guó)規(guī)范設(shè)計(jì)流量計(jì)算值比法國(guó)規(guī)范計(jì)算值大；法國(guó)規(guī)范水力驗(yàn)算合格而中國(guó)規(guī)范水力驗(yàn)算不合格，這與設(shè)計(jì)流量大小、側(cè)向壓縮系數(shù)、粗糙系數(shù)得取值有關(guān).

3 結(jié)論

通過對(duì)中法公路涵洞水文設(shè)計(jì)方法進(jìn)行介紹和對(duì)比，并通過工程實(shí)例計(jì)算，可以得出如下結(jié)論：

(1)在擬定涵洞類型時(shí)，法國(guó)規(guī)范主要考慮最大填土高度(以8 m為界限)和設(shè)計(jì)流量大小，而中國(guó)規(guī)范還需考慮材料的供給問題、土性以及地形差異等因素.

(2)中國(guó)規(guī)范設(shè)計(jì)流量計(jì)算方法既有半理論半經(jīng)驗(yàn)法如暴雨推理法、徑流形成法又有經(jīng)驗(yàn)法如形態(tài)調(diào)查法、直接類比法，而法國(guó)規(guī)范只有經(jīng)驗(yàn)法，但是法國(guó)規(guī)范各方法之間有一定的聯(lián)系，例如有理公式法和基底公式法是轉(zhuǎn)換公式法的基礎(chǔ)，并且法國(guó)規(guī)范計(jì)算參數(shù)較少.

(3)中法公路涵洞水力驗(yàn)算內(nèi)容基本上相同，都需驗(yàn)算涵洞內(nèi)流速、水深、涵前雍水三方面內(nèi)容，但是它們?cè)u(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)有一定的差異性.水力驗(yàn)算公式基本上相同，但一些參數(shù)取值不相同.

(4)對(duì)阿爾及利亞東西高速公路W5標(biāo)段K34+482涵洞進(jìn)行了設(shè)計(jì)流量計(jì)算和水力驗(yàn)算，發(fā)現(xiàn)中國(guó)規(guī)范設(shè)計(jì)流量計(jì)算結(jié)果比法國(guó)規(guī)范大.