高速公路峰叢洼地水位分析

岳建彬，馬鳳杰

1.廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530007

2.廣西北部灣投資集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029

1 項(xiàng)目概況

某高速公路項(xiàng)目位于廣西壯族自治區(qū)河池市，期間穿越山間洼地，前后分別設(shè)置隧道1和隧道2。洼地路線右側(cè)靠隧道1出口，洼地邊有一條舊水利渠，該水利渠由明渠和排水隧道組成，全長(zhǎng)約1850m。排水隧道前明渠長(zhǎng)400m，斷面尺寸為2.0m×1.8m，漿砌片石鋪砌；排水隧道長(zhǎng)450m，進(jìn)口標(biāo)高263.1m，出口標(biāo)高262.95m，坡度為0.03%；排水隧道后明渠長(zhǎng)度為1000m，斷面尺寸與隧道前相同，漿砌片石鋪砌。水利渠為二十世紀(jì)六七十年代興修水利時(shí)期修筑，明渠部分於堵嚴(yán)重，局部已破壞，嚴(yán)重影響到洼地水排泄，排水隧洞基本完好，可步行穿過(guò)。該區(qū)域地形及結(jié)構(gòu)物布置如圖1所示。

圖1 區(qū)域地形與結(jié)構(gòu)物布置圖

2 暴雨強(qiáng)度分析

項(xiàng)目所在地河池市平均年降水量為1470.8mm，受冬、夏季風(fēng)交替影響，降水量季節(jié)分配不均，以夏季最多，冬季最少，春季多于秋季。統(tǒng)計(jì)歷年河池市出現(xiàn)的最大日降水量資料，其年際變化如圖2所示。

圖2 河池市日最大降水量年際變化圖

由圖2可知，1955年以來(lái)，河池市日最大降水量歷年變化幅度在61.1～252mm。其中，日降水量最大值為252mm，出現(xiàn)在1994年6月12日；其次為219.2mm，出現(xiàn)在1991年6月29日。另根據(jù)《廣西小橋涵設(shè)計(jì)暴雨洪水流量研究報(bào)告》，查得項(xiàng)目區(qū)域百年一遇最大降水量為110mm/h。依據(jù)以上資料，此次計(jì)算按110mm/h的暴雨持續(xù)2.5h，總降水量達(dá)275mm，作為該洼地百年一遇最不利暴雨強(qiáng)度。

3 百年一遇設(shè)計(jì)流量計(jì)算

根據(jù)交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究所的暴雨推理公式：

式中：Qp為規(guī)定頻率為p時(shí)的洪峰流量，m3/s；Sp為頻率為p時(shí)的暴雨雨力，查各?。ㄗ灾螀^(qū)）雨力等值線圖確定，mm/h；τ為匯流時(shí)間，h；n為暴雨遞減指數(shù)，按各?。ㄗ灾螀^(qū)）的分區(qū)查表確定；μ為損失參數(shù)，mm/h；F為匯水面積，km2。

結(jié)合該項(xiàng)目實(shí)際情況可得，洼地總匯水面積F=0.6km2，主河溝長(zhǎng)度L=0.62km，主河溝平均坡度I=85‰，查表廣西山區(qū)流域特征參數(shù)K=0.56，α=0.306。因此，可計(jì)算匯流時(shí)間τ：

經(jīng)計(jì)算，τ=0.71h。

該項(xiàng)目所處位置按暴雨遞減指數(shù)n值分區(qū)屬于Ⅱ區(qū)，取n=0.44；Sp為110?？捎?jì)算損失參數(shù)：

經(jīng)計(jì)算，μ=73.44mm/h。

由此可得百年一遇設(shè)計(jì)流量Q1%=0.278×（110÷0.710.44-73.44）×0.6=9.1m3/s。

4 既有過(guò)水隧道排水流量計(jì)算

采用既有過(guò)水隧道進(jìn)行排水，其排水流量公式如下：

式中：V為斷面平均流速，m/s；W為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，m2。

根據(jù)明渠均勻流曼寧公式：

式中：R為水力半徑，m；n為粗糙系數(shù)；I為水力坡度。

隧道尺寸為2m×1.8m，過(guò)水?dāng)嗝鎃=3.6m2，濕周L=5.6m，水力半徑R為

經(jīng)計(jì)算，R=0.64m。

縱坡I=0.34‰，，則計(jì)算得斷面平均流速V=0.92m/s。進(jìn)而可得既有過(guò)水隧道排水流量Q=0.92×3.6=3.3m3/s。

5 洼地水位計(jì)算

5.1 考慮暴雨前洼地?zé)o積水情況

考慮暴雨前洼地?zé)o積水，則當(dāng)雨力達(dá)110mm/h的暴雨持續(xù)2.5h，洼地內(nèi)的水位上升可分為兩個(gè)階段，如圖3所示。

圖3 洼地水位上升過(guò)程示意圖

第一階段：水位從洼地底部上升至排水隧道入口標(biāo)高（263.11m），此階段匯水面積內(nèi)所有的暴雨流量皆流入洼地。

第二階段：水位從隧道入口標(biāo)高（263.11m）至此次降水最大水位標(biāo)高，此階段部分暴雨流量通過(guò)過(guò)水隧道排至洼地外。

首先，考慮第一階段，當(dāng)水位上升至263.11m，此時(shí)洼地容積約62560m3，扣除路基占用體積約13975m3，則剩余庫(kù)容為48585m3。若完全不考慮洼地下滲功能，則水位升至263.1m需持續(xù)降水時(shí)間為T(mén)=48585÷9.1÷60÷60=1.48h。其次，考慮第二階段，降水再持續(xù)2.5-1.48=1.02h，此時(shí)洼地內(nèi)雨水流入流量為Q1=9.1×1.02×60×60=33415.2m3。

計(jì)算雨水通過(guò)過(guò)水隧道流出量時(shí),考慮到過(guò)水隧道從開(kāi)始排水至全斷面排水需要一個(gè)過(guò)程，取其排水流量為全斷面流量的一半，即排水流量為3.3÷2=1.65m3/s，則1.04h內(nèi)，其排水量為Q2=1.65×1.02×60×60=6058.8m3。則洼地內(nèi)降水凈流入量為Q1-Q2=33415.2-6058.8=27356.4m3。

此時(shí)洼地內(nèi)水位升高約27356.4÷48585=0.56m，水位升至263.11+0.56=263.67m。

5.2 考慮暴雨前洼地已積水情況

考慮更不利情況，假設(shè)暴雨前洼地內(nèi)原水位已至排水隧道入口達(dá)263.11m，則持續(xù)2.5h暴雨時(shí)洼地內(nèi)雨水流入流量為Q1=9.1×2.5×60×60=81900m3。

計(jì)算雨水通過(guò)過(guò)水隧道流出量時(shí)，仍按排水流量1.65m3/s計(jì)，則2.5h內(nèi)排水量為Q2=1.65×2.5×60×60=14850m3。則洼地內(nèi)降水凈流入量為Q1-Q2=81900-14850=67050m3。

此時(shí)洼地內(nèi)水位升高約67050÷48585=1.38m，水位升至263.11+1.38=264.49m。

5.3 結(jié)論

最不利降水情況下，在保持既有過(guò)水渠暢通的條件下，洼地百年一遇計(jì)算水位可取264.49m，結(jié)合勘察調(diào)查水位，可取洼地段路基百年一遇設(shè)計(jì)水位標(biāo)高為265m。

6 結(jié)束語(yǔ)

文章以廣西壯族自治區(qū)喀斯特峰叢山區(qū)某高速公路穿越一洼地項(xiàng)目為例，開(kāi)展了洼地水位方案設(shè)計(jì)，提供了一種復(fù)雜條件下高速公路設(shè)計(jì)水位計(jì)算思路，可供類似工程參考。