西寧成都鐵路隆務(wù)河設(shè)計(jì)洪峰流量的計(jì)算

李偉龍

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

修建鐵路時(shí)經(jīng)常需要架設(shè)橋梁以跨越河流、溝谷。如果橋梁(尤其是高程)設(shè)計(jì)不當(dāng)就會造成嚴(yán)重水毀，不僅給工程帶來損失，而且影響列車的行車安全[1-3]。由于多數(shù)地區(qū)的河流實(shí)測徑流資料不夠完整，不能滿足工程設(shè)計(jì)需求，因此大中河流域的設(shè)計(jì)洪水流量一般采用推理公式法計(jì)算[4]。這些公式均以暴雨公式推求設(shè)計(jì)暴雨，并以洪水形成原理為基礎(chǔ)，在一定概論條件下建立起來。目前，我國西北地區(qū)鐵路橋涵設(shè)計(jì)過程中流量的計(jì)算方法[5]仍以鐵一院院編公式為主，且停留在20～30年前的水平。隨著自然地理?xiàng)l件的變遷、氣候變化以及降雨資料的增加，原計(jì)算公式的適用性有待進(jìn)一步驗(yàn)證。本文主要以隆務(wù)河[6](隆務(wù)河屬黃河一級支流，發(fā)源于澤庫鄉(xiāng)境內(nèi)多禾茂鄉(xiāng)加倉村若恰山區(qū)，源頭海拔4 042m，出境處的海拔2 160m，總落差為1 882m，隆務(wù)河全長156.8km，流域面積4 960km2,屬山區(qū)性河流。并設(shè)有同仁、隆務(wù)河口兩個(gè)水文站)洪峰流量的計(jì)算為例，驗(yàn)證原計(jì)算公式在當(dāng)前條件下的適用性，從而為以后該地區(qū)的水文計(jì)算提供理論依據(jù)。

1 洪峰流量計(jì)算

新建西寧至成都鐵路于青海省同仁縣跨越隆務(wù)河，本文對隆務(wù)河同仁水文站處設(shè)計(jì)洪峰流量采用鐵一院院編壹橋8212[7]《大中河流洪峰設(shè)計(jì)流量》(黃河上游地區(qū))計(jì)算公式(以下統(tǒng)稱“壹橋8212計(jì)算公式”)、地方經(jīng)驗(yàn)公式及數(shù)理統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行計(jì)算，并將三種方法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析。

1.1 壹橋8212計(jì)算公式

(1)流域平均海拔在2 500m以下的涇北洛、渭河，清水河，祖歷河，洮河，大夏河，莊浪河下游河段以及湟水部分支流，其計(jì)算公式如下：

Q=KI10.167f0.2H日F0.56

(1)

(2)流域平均海拔在2 500m以上的洮河，大夏河上游段干支流，莊浪河上游，湟水部分支流和西寧以上干流，黃河積石關(guān)以上小支流，其計(jì)算公式如下：

Q=KI10.167f0.2H日F0.7

(2)

式中：Q：為多年平均流量(m3/s)；K為與自然地理?xiàng)l件、流域物理特征有關(guān)的系數(shù)；I1為流域主河槽平均坡度(‰)；f為流域形狀系數(shù)，f=F/L2，L為流域長度(km)；H日為流域歷年最大日雨量平均值(mm)；F為流域面積(km2)。

式中：K值變化取決于流域內(nèi)的物理特征，與流域的徑流系數(shù)和水土流失有密切的關(guān)系。湟水河流域土壤基本上為黃土質(zhì)砂黏土與黏砂土，在該種條件下，流域年侵蝕模數(shù)Z和rc值大的K值大，反之則小。綜上所述且據(jù)《博拉河、隆務(wù)河、湟水土石山區(qū)覆蓋層較厚的各支流(西寧、西納川)、莊浪河上游K、Z、rc一覽表》取K值0.003 8～0.004 4與隆務(wù)河橋址處情況較吻合。

隆務(wù)河同仁水文站處：

據(jù)《青海省水文手冊》[8]得知：F=2832km2，L=112.8km，I1=12.2‰；H日=28.4mm；根據(jù)院編壹橋8212大中河洪峰流量計(jì)算公式可得：f=F/L2=4907/147.05=0.2226。

多年平均流量計(jì)算如下：

Q均=KI10.167f0.2H日F0.7=102.1m3/s

根據(jù)院編《壹橋8212》表五，Cv-F關(guān)系表Cv=1.2F-0.08=0.64；據(jù)院編《壹橋8212》表六，Cv-Cs關(guān)系表Cs/Cv=3.0，查表K0.33%=3.96，K1%=3.28，

Q1%=P1%×Q均=334.88m3/s

Q0.33%=P0.33%×Q均=404.32m3/s

1.2 地方經(jīng)驗(yàn)公式

計(jì)算設(shè)計(jì)洪峰流量，除推理公式外，目前還廣泛使用地方經(jīng)驗(yàn)公式。根據(jù)一個(gè)地區(qū)的實(shí)測和調(diào)查洪峰流量或相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)，與主要影響因素之間建立關(guān)系，然后根據(jù)相關(guān)線的形式配以適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)方程，這種方程式就叫做地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式[9]，經(jīng)驗(yàn)公式中未能單獨(dú)考慮的其他因素，用綜合系數(shù)反映。

目前我國常用的地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式，有單因素公式、多因素公式及洪峰流量均值經(jīng)驗(yàn)公式這三種類型。本文主要對單因素計(jì)算公式進(jìn)行簡單介紹。

單因素公式是目前最簡單的經(jīng)驗(yàn)公式，此公式只突出流域面積F[(km)2]這一影響因素：

Qp=KpFn

(3)

式中：Qp為設(shè)計(jì)流量(m3/s)；n是隨流域面積大小和地區(qū)而變化的指數(shù)。Kp是與頻率和地區(qū)有關(guān)的綜合參數(shù)。經(jīng)查找《青海省水文手冊》中“年最大流量～流域面積經(jīng)驗(yàn)公式表”得到：隆務(wù)河流域同仁水文站處的百年流量計(jì)算公式：

Q1%=11.1F0.42=11.1×28320.42=313m3/s

1.3 數(shù)理統(tǒng)計(jì)法

在隆務(wù)河同仁水文站處共收集到了1957～2014年的每年隆務(wù)河最大洪峰流量，共計(jì)58年(表1)，這58年最大洪峰流量作為一個(gè)連續(xù)系列，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)法[10]結(jié)合青海省暴雨參數(shù)[11-12]計(jì)算流量。

表1 隆務(wù)河同仁水文站各年最大洪峰流量

連續(xù)系列的經(jīng)驗(yàn)頻率計(jì)算公式為：

(4)

平均流量計(jì)算公式為：

(5)

通過計(jì)算，得出平均流量：∑Q=7732.7m3/s；Q均=133.32m3/s。

變異系數(shù)：

(6)

通過計(jì)算得出：Cv=0.42。

在海森機(jī)率格紙上通過多次適線后認(rèn)為，采用特征值Cv=0.42，Cs=3.0，Cv的理論頻率曲線與經(jīng)驗(yàn)頻率曲線吻合的較好(圖1)故特征值采用如下：

圖1 Kp頻率曲線

故特征值采用如下：Cv=0.42，Cs=3.0Cv=1.26，Qp%=Kp×Q均，Q均=133.32m3/s

Q1%=2.34×133.32=311.97m3/s

Q0.33%=2.69×133.32=358.63m3/s

2 流量驗(yàn)證

為了驗(yàn)證院編計(jì)算公式的在當(dāng)前條件下是否具有一定的適用性，故需對上述幾種計(jì)算公式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比(表2)。

表2 計(jì)算結(jié)果對比

從上表中可以看出，壹橋8212公式、地方經(jīng)驗(yàn)公式及數(shù)理統(tǒng)計(jì)法所計(jì)算得的百年流量Q1%彼此十分接近，相差都在10 %以內(nèi)；壹橋8212公式與數(shù)理統(tǒng)計(jì)法所計(jì)算得的三百年流量Q0.33%相差11.3 %；且壹橋8212公式的計(jì)算結(jié)果均略大其他兩種方法的計(jì)算結(jié)果，對于高程的設(shè)計(jì)而言是偏安全的。這也說明了壹橋8212中的計(jì)算公式對于隆務(wù)河乃至該地區(qū)流量的計(jì)算具有一定的適用性。

3 結(jié)論

本文以西成線中隆務(wù)河設(shè)計(jì)洪峰流量的計(jì)算為背景，運(yùn)用院編壹橋8212公式、地方經(jīng)驗(yàn)公式及數(shù)理統(tǒng)計(jì)法這三種計(jì)算理論，計(jì)算了隆務(wù)河的百年及三百年流量，并對三種方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比分析。得到以下結(jié)論：

(1)院編壹橋8212公式計(jì)算結(jié)果與其他兩種方法的結(jié)果十分接近，說明此公式對于隆務(wù)河及該地區(qū)流量的計(jì)算具有一定的適用性，可為今后該地區(qū)的流量設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

(2)經(jīng)驗(yàn)公式是在缺乏水文資料的情況下總結(jié)出的一種簡易計(jì)算方法，其結(jié)果具有一定的局限性；且院編計(jì)算公式很難全面考慮影響流量計(jì)算的各個(gè)因素。因此今后在計(jì)算洪峰流量時(shí)可通過采用多種計(jì)算方法的核對比較，以便選用合理的計(jì)算結(jié)果。