黔张常铁路岩溶洼地桥址洪水位的分析研究

乔雷涛

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

黔张常铁路岩溶洼地桥址洪水位的分析研究

乔雷涛

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

以黔张常铁路途经的水沙坪洼地为例，归纳了岩溶洼地洪水位计算原理，详细介绍较大流域面积洼地区域内的桥址洪水位的计算过程，简述较小流域面积洼地洪水位的简化计算方法。计算结果表明：计算水位与实际调查水位相吻合，该方法适用于岩溶洼地桥址洪水位的分析研究。

铁路桥涵；岩溶洼地；洪水位

1 概述

黔江至张家界至常德铁路(以下简称“黔张常铁路”)位于湘西北、鄂西南和渝东南交界地带,区域呈西高东低态势。线路沿线大部分处于武陵山脉的中山、低山区,主要以溶丘洼地、丘峰深谷洼地、龙嵴洼地,台丘洼地和斜坡沟谷等为主［1-2]。地下发育了大量洞穴和管道,形成特殊的地表、地下双层水文地质结构,造成水文地质环境分布的复杂性。地下暗河、地表漏斗、落水洞和岩溶洼地极为发育。

岩溶洼地一般靠暗河、落水洞、漏斗排水行洪,当暴雨雨量较大,暗河、落水洞、漏斗等排水不畅时,就会在低洼地段积水。这种低洼地段是由于构造或岩溶作用而产生的,往往有数平方千米也有大至数百平方千米,积水时一片汪洋。当积水高度超过其下方最低地面高程时,就开始往下游溢洪。在落水洞等的消水作用下,洼地地面又会从积水中显露出来。若铁路从这种暂时低洼积水地段经过时,必须查清地下水流的来龙去脉和洼地积水高度,从而采取必要的工程措施,使铁路满足积水位要求［3- 5]。

本文针对岩溶洼地的特点,分析和研究了岩溶地区洼地设计洪水位的计算方法。

2 岩溶洼地水文计算原理

2.1 设计流量过程线

设计流量过程线一般情况下可以概化为三角形,如果地区有根据实测资料制定的典型流量过程线,则应用地区典型流量过程线［6]。

2.2 溶洞的消水能力计算

当流水经过溶洞地区,洪水期溶洞的消水能力往往小于来水流量,则导致洞前产生大片积水。为了减少淹没范围和满足铁路设计的要求,对于溶洞前有过高积水者,可以选择适当地点开凿泄水隧洞,使排水通畅,以降低积水位。

溶洞的消水能力的确定,可通过实际洪水观测,至少测得一次洪水,在上游有来水流量过程线Q来=f(t)和水位流量关系曲线Q来=f(H),在下游有洼槽(如泄水隧洞、排水沟等)的Q下=f(t)和Q下=f(H),以及溶洞前积水位的变化过程线H积=f(t)。有了以上观测资料和洞前蓄水体积与积水位关系曲线V积=f(H积) (从地形等高线求出),即可按水量平衡方程式求算溶洞的消水能力与水位关系曲线Q消=f(H积)

当来水至溶洞口,除了溶洞消水外,下游无其他出路时,则上式变为

以上各式中t为时间,Δt为时段长,注脚1和2表示时段开始和终止的数值。

求解公式(2)和公式(3),可用列表计算。

溶洞的消水能力,往往受杂草、树枝和铁路弃作等阻水的影响,致使积水额外抬高。因此必须采取措施,防止洞口阻塞,以确保溶洞的消水能力,在计算溶洞消水能力时要充分预见到杂物对消水能力的影响。

2.3 最高积水位的计算

铁路经过溶洞前的积水地区,路肩高程必须高出设计洪水位的最高积水位,这个积水位同样可按照水量平衡方程式求算,变换公式(2),即可求得积水体积的变化过程线

当水流在溶洞下游无出路时,则上式改写为

求解公式(4)和公式(5),可将设计洪水过程线划分为若干时段,在每一时段算出来的水量为

计算时首先假设该时段平均积水位¯H积,从Q下= f(H)和Q消=f(H)关系曲线上求出¯Q下和¯Q消；其次从V积=f(H积)关系曲线上求出V积,然后将¯Q来、¯Q下、¯Q消和V积各数值代入公式(4),看等号两端数值是否相等,如果不等,则重新假设H积,按上述办法重复计算至公式(4)两端相等为止。可列表计算。求出每个时段的平均积水高度后,即可绘制H积=f(t)关系曲线,从该曲线即可求出设计洪水时最高水位。

3 岩溶洼地洪水位实例计算分析

流域面积较大的洼地可运用上述方法进行洪水位计算分析,以黔张常铁路水沙坪洼地为例进行了详细计算。流域面积较小的洼地可运用简化方法进行计算分析,介绍了简化计算方法,为岩溶洼地地区洪水位计算提供设计依据。

3.1 勘测资料

3.2 推理公式法计算洪水过程线

(1)设计暴雨

黔张常铁路水沙坪3号大桥桥址位于水沙坪村,距水沙坪村的泄水洞200 m,控制流域面积35.5 km2,根据《湖南省暴雨洪水查算手册》［7-8],暴雨一致区属第4区,产流分区为第Ⅲ区,设计暴雨成果见表1。

表1 设计暴雨成果

(2)设计净雨

根据《湖南省暴雨洪水查算手册》,暴雨一致区属第4区,产流分区为第Ⅲ区,I0=30 mm,φ=0.8,计算地表径流深R上=R总×φ=207 mm。

(3)洪水过程线的推算

用径流分配系数法求地面径流过程［9]

已知R上=207 mm,F=35.5 km2,根据铁一院法［10,12]求得Q1%=533 m3/s。

（5）做好决策气象服务还需要为人民群众科普相关知识，提高决策气象服务在人民群众中的权威性，让人民群众都能够认识到决策气象服务的重要性，并在相关气象预警信息发布后，能够及时采取措施做好防灾减灾工作。所以，这就需要气象部门和地方政府增强应对气候变化的责任感和紧迫感。要采取主题日、科普讲座、应急演练等多种形式，通过网络、电视、手机、公益广告等多种渠道，加大宣传力度，深入普及气候变化和气象灾害的防御知识，增强人民群众的防灾减灾意识，增强公众抗御各类气象灾害的信心。

则时段地面径流总量为

根据《湖南省暴雨洪水查算手册》选用径流分配系数表(十二)中峰量比为0.26,然后用各时段分配系数分别乘以∑Qi,即得相应净雨深R上的地面径流过程曲线。

地下径流过程的计算:

已知地下径流R下=R总-R上=41.7 mm,由Qi-t过程曲线地面径流过程底宽为15 h,以第15小时处为地下径流峰顶位置,按照等腰三角形关系求地下径流峰值

自Qm地开始每增减一个时段,其流量减少一个

(Qi+即得水沙坪百年一遇设计洪水过程曲线,见图1。

3.3 泄水洞泄水能力曲线

对于流水部分为矩形断面的泄水隧洞,流量Q (m3/s)与洞前积水深H(m)的关系可按式(6)计算

图1 百年一遇洪水过程曲线

式中 b―――断面宽,m；

M1―――流量系数,取M1=1.34。

取b=4,M1=1.34,绘制泄水隧洞泄水能力曲线如图2所示。

图2 泄水洞泄水能力曲线

3.4 泄水洞前积水深与蓄水体积曲线

泄水洞前蓄水体积与积水深的关系曲线,最好根据实测等高线地形图进行绘制,当缺乏实测地形图时,可按下列近似公式进行计算。

(1)蓄水水面呈抛物线形时

(2)蓄水水面呈三角形时

(3)蓄水水面呈矩形时

式中 α―――沟岸以上的横向地面平均边坡系数；

I1―――沟底纵坡,‰；

H―――从沟底算起的积水深度,m；

h―――沟深,m；

h0―――河沟天然水深,m；

L―――泄水洞距山脚的平均距离,m。

按公式(7)计算蓄水体积与洞前积水深关系

V=48 000［(H-2.5)3-(0.5-2.5)3]

泄水洞口底高程为652.07 m,绘制泄水洞前蓄水体积与积水深的关系曲线如图3所示。

3.5 设计洪水时的泄水洞前最高积水位

图3 洞前蓄水体积与水位关系曲线

根据勘测资料,此处的消水洞的消水能力可以忽略不计,泄水洞前最高积水位可按照公式(4)不考虑消水流量计算,再结合图1、图2和图3关系曲线,用试算法列于表2,并绘出设计洪水位曲线如图4所示。最终求出百年一遇最高积水位H1%=659.02 m。

计算时首先假设该时段的平均积水位¯H积,从Q下=f(¯H积)关系曲线求出¯Q下,其次从V积=f(¯H积)关系曲线求出V积。然后将¯Q来、¯Q下和V积代入不考虑消水流量的公式(4),看两端数值是否相等,如果不等,则需要重新假设H积按上述方法重复计算,直至相等为止。

表2 泄水洞前设计洪水积水位变化过程计算

图4 设计洪水位过程线

3.6 桥位处水位

假设水沙坪地区可以沿河沟正常排水,则通过设计流量计算洞口位置处正常水深为h0=657.52-652.07=5.45 m,而洞口处的真实积水高度为6.95 m,从而得到洞口处壅水高度z1=6.95-5.45=1.5 m。

水沙坪3号大桥小里程侧桥台处离泄水洞洞口200 m,此处受壅水影响,该处水位为桥址最高水位,取z1=1.5 m,I=0.001 5,则壅水影响长度L=1.5× 2/0.001 5=2 000 m。

桥址处水位绝对高程为

H水位=652.07+200×0.001 5+5.45+

1.5 ×(2 000-200)/2 000=659.17 m。

根据实际调查此处洪水位为660.6 m,与计算基本吻合

3.7 较小面积洼地洪水位计算

较小面积的洼地汇水面积较小,可应用简化计算方法计算其洪水位,洪水时洼地的总水量可按式(11)进行计算

式中 WP―――设计洪水总量,m3；

F―――汇水面积,km2；

hR―――径流深度,mm,hR=αH24p。

其中,α―――径流系数,可根据各地区的水文手册或图集查定；

H24p―――设计频率的最大24 h暴雨量,mm,可查地区水文手册或图集。

岩溶地区由于落水洞的影响,洪水总量可乘以地表径流分配系数即为消水后的洪水总量。

对于较小面积岩溶洼地可假设为一个底小顶大的圆台,利用圆台体积计算公式可以计算出洪水时积水高度,此高度即为洼地洪水时最高洪水位。

4 结语

在铁路勘测设计工作中,岩溶洼地地形是不可避免的,岩溶洼地的洪水位成为铁路走向和高度的控制性因素,在铁路的勘测设计过程中必须解决此类问题。本文结合实例并针对岩溶洼地的特点,分析和研究了岩溶洼地设计洪水位的计算方法,为以后的铁路工程勘测设计过程中岩溶洼地洪水位计算提供了设计依据。

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［6] 杨全明,尹明万,李景海.岩溶地区设计洪水计算的探讨［J].水力发电,2005(2):13-17.

［7] 湖南省水利水电厅.湖南省暴雨洪水查算手册［M].长沙:湖南省水利水电厅,1984.

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Analysis and Research on Flood Level of Bridge Site of Chongqing-Zhangjiajie-Changde Railway in Karst Low-lying Land

QIAO Lei-tao
(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.,Ltd.,Xi'an 710043,China)

The research object in this paper was the Shuishaping low-lying land where the Chongqing-Zhangjiajie-Changde Railway passes through.This paper summarized the calculation principle of flood level of karst low-lying land,expounded the calculation process of flood level of bridge site in large river basin low-lying land,and introduced the simplified calculation method of flood level of bridge site in small river basin low-lying land.The calculation results show that the water level calculated and the one obtained from field investigation can well accord with each other,and so the above-mentioned method can be suitable for the analysis and research of flood level of bridge site in karst low-lying land.

railway bridge and culvert；karst low-lying land；flood level

U442.5+8

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.07.022

1004-2954(2014)07-0094-04

2013-11-19；

2013-12-02

乔雷涛(1984―),男,工程师,2009年毕业于哈尔滨工业大学结构工程专业,工学硕士,E-mail:285627242@qq.com。