兰州市排洪沟洪道流量复核及水文计算分析

侯丽萍

（兰州市城市建设设计院，甘肃 兰州 730030）

0 前言

兰州市区分布的排洪沟东起桑园峡包兰铁路黄河桥，西至河口兰新铁路黄河桥，南以七道梁为界，北部在中铺子—甘家滩一线，目前已有排洪道主沟81条、支沟959条，危害较严重的排洪沟99条。本文以五里铺洪道为例，对洪道的流量进行复核，并对洪道水文进行分析计算。

1 现状分析及流量调查

五里铺排洪沟是兰州市东区的一条主要排洪沟道（见图1），为大洪沟的北段，大洪沟源于皋兰山，流经区域为张家大坑、南山路、铁路、火车站路、五里铺桥至雁滩南河道，流域面积2.19 km2。该沟原名老狼沟，拓建于1952年，为土沟，与大洪沟并排汇入黄河，设计流量50 m3/s。1952年进行沟道拓建时将老狼沟沿山根并入大洪沟，1965年大洪沟改线向东并入小洪沟再汇入烂泥沟，老狼沟则利用原大洪沟下游一段作为一条单独的洪道排洪，更名为大洪沟。

1951年8月14日，兰州市东盆地一次降雨76.8 mm，历时18 h，最大小时降雨量27 mm，老狼沟、大洪沟、小洪沟、烂泥沟4条沟道同时爆发大规模泥流，冲出泥沙56万m3，覆盖了皋兰山前至医学院间约1.6 km2面积。1961年，兰州市东盆地一次降雨22.2 mm，大洪沟爆发中等规模泥流。强度不同的降雨引起不同规模的泥石流，该沟几次泥石流的发生与降雨的对应关系见表1。

表1 大洪沟几次泥石流的发生与降雨的对应关系

冲出的泥沙主要由粘土和粉土构成，并含有少量的砂砾和碎石，按照泥石流性质划分原则，结合甘肃省科学院地质灾害防治研究所提出的《兰州市滑坡泥石流防灾规划研究报告》，该沟以泥流为主。沟内滑坡发育，固体物质可能补给量在50万m3/km2以上，一次泥流冲出物质为2～5万m3，泥流容重在1.6～2.0 t/m3。排泄困难，淤埋严重，威胁大，属于严重泥流区。

2 流量核对计算

为了准确求得该沟道的设计流量，我们根据沟道的具体情况，对不同部门各种类型的公式进行了分析、试算和比较，筛选出铁道科学研究院经验公式。为了合理选择设计流量，结合该沟历史洪水情况，推算100 a一遇的清水流量，再换算成泥石流洪峰流量。通过计算，并根据兰州市城市建设设计院1995年防汛规划设计研究以及《甘肃泥石流》记载，该洪道定性为稀性泥流。100 a一遇流量50 m3/s。

3 设计断面复核

本次设计洪道断面将以前沿用的单一梯形断面优化为复式梯形断面(见图2)，上口宽为16 m，沟道下底宽为8 m，中间设置2 m宽的过渡平台，边坡采用透空的六边形混凝土格栅进行加固，格栅内植草皮；下梯形断面深度1.2 m，沟道总深度为3.3～3.5 m。

在进行水文复核计算时，P-Ⅲ型分布曲线的适应性很强，只要参数CV及Cs选用适当，都能与我国洪水相适应，没有多大差别。由于五里铺排洪沟的实测洪水，故我们在此采用小金沟的实测资料进行洪水频率计算，通过适线求得变差系数CV与偏差系数Cs。因为就兰州地区而言，小金沟的洪水汇水面积、沟道长度、沟床比降、洪水成因都与五里铺排洪沟有很强的相似性。

3.1 小金沟洪水流量计算

表2为小金沟调查洪水频率计算表。

多年平均洪峰流量：

表2 小金沟调查洪水频率计算表

查皮尔逊Ⅲ型曲线的离均系数φp值表，见表3（《桥涵水文》p37页）。

频率分布函数公式：

频率为P的年最大洪峰流量：

通过计算得年最大洪峰流量，见表4。

3.2 五里铺排洪沟洪水频率计算中参数的确定

从甘肃省水文图集中查得CV值在1.0～1.3左右，区域内有资料站的计算值及查图所得的值，见表5。

根据小金沟洪水频率计算结果，结合兰州市区山洪－泥石流设计流量特征，兰州市区CV值采用1.2，CS/CV值采用2.5较为实际，因此确定五里铺排洪沟的CV值采用1.2，CS/CV值采用2.5。

3.3 五里铺排洪沟洪峰流量计算

年最大洪峰流量均值：

式中：F——流域面积，km2；查《兰州市南北两山沟道设计洪水计算成果表》得F=2.2 km2。

HM平均——年最大时段雨量均值，mm；查《甘肃省暴雨洪水图集》得HM平均=17.5mm。

J——干流河道平均坡度，‰；查《兰州市南北两山沟道设计洪水计算成果表》得J=328‰。

f——流域形状系数；f=F/L2，L=主沟道长度；查《兰州市南北两山沟道设计洪水计算成果表》得L=3.3 km，f=2.2/（3.3×3.3）=0.20。

K——综合系数；根据研究，区内沟道流域面积较大，土壤结构、植被类型较为复杂，综合系数K取值为0.28。

表3 皮尔逊Ⅲ型曲线的离均系数φp值表（1）

表4 年最大洪峰流量（1）

表5 变差系数CV与偏差系数CS统计表

n，m，α，β——指数；根据地理特征、暴雨特征、洪峰流量特征，求得各指数分别为：n=0.6，m=0.75，α=0.16，β=0.08。

查皮尔逊Ⅲ型曲线的离均系数φp值表，见表6（《桥涵水文》p37页）。

通过计算，得年最大洪峰流量，见表7。

表6 皮尔逊Ⅲ型曲线的离均系数φp值表（2）

表7 年最大洪峰流量（2）

3.4 五里铺排洪沟下梯形断面流速计算

根据明渠均匀流公式计算流速，具体如下：

其中：过水面积 ω=10.176；湿周 ρ=10.584；沟底平均纵坡I=0.36%；糙率n=0.025。代入公式：

3.5 流量验算

当水深为1.2 m时，下梯形护砌断面可通过的流量为:

五里铺排洪沟的10 a一遇的流量为20.63m3/s。

由于 Q下＝23.71(m3/s)＞20.63(m3/s)

所以，通过上述计算可知，五里铺排洪沟下护砌断面设防标准满足10 a一遇洪水流量的要求。

3.6 五里铺排洪沟100 a一遇流量复核计算

五里铺排洪沟全断面为复式断面，下梯形为浆砌块石护砌，上梯形断面为格栅植草护坡。本次计算按最不利因素考虑，即全断面糙率系数均按照草皮护坡取值进行水力计算。

根据明渠均匀流公式计算流速：

其中：过水面积 ω＝32.08；湿周 ρ＝19.04；沟底平均纵坡I＝0.36%；糙率n=0.04。代入公式：

五里铺排洪沟全断面可通过的流量为：

五里铺排洪沟的100 a一遇的流量为50m3/s。

由于 Q全＝68.01(m3/s)＞Q1%＝50(m3/s)，所以，通过上述计算可知，五里铺排洪沟全断面设防标准满足100 a一遇洪水流量的要求。

4 结论

通过以上计算可知，在进行五里铺排洪沟洪道治理工程设计时，所采用的优化复式断面既可以满足城市安全防汛泄洪的要求，又可以有效增加城市绿化用地面积，扩展城市休闲空间，建成生态景观型洪道。