晋南地区铁路水文计算与流量验证

2016-09-28侯佳音

甘肃科技 2016年15期

关键词：桥址洪峰流量水文站

侯佳音

（甘肃综合铁道工程承包有限公司，甘肃兰州730000）

晋南地区铁路水文计算与流量验证

侯佳音

（甘肃综合铁道工程承包有限公司，甘肃兰州730000）

铁路水文计算与流量验证是铁路桥涵设计前期工作的一个重要环节，结合晋南地区某铁路勘测设计工作，针对鄂河流域进行了水文计算与流量验证，通过勘测实践过程及计算结果分析，总结了晋南地区铁路大中流域及小流域的水文计算方法与流量验证结果分析，为本地区类似工程的水文计算提供参考和借鉴。

铁路；大中流域；水文计算；流量验证

1　主要河流水系特征

铁路所在地区属黄河山西段流域，大部分经过鄂河流域。鄂河古称屿谷、鄂水，位于山西省乡宁县境内，为黄河的一级支流，发源于乡宁县管头镇东北部的断山岭，经管头镇、昌宁镇，于枣岭乡的万宝山村下直接汇入黄河，流域包括：乡宁县中西部及吉县西南部，地理坐标东经110°30′30″～111°03′39″，北纬35°51′03″～36°03′13″。鄂河全长71.1km，平均纵坡13.8‰，流域面积761km2，较大支流有蒿地沟、刘庄沟、下善沟、罗河、冯家沟、炭峪沟、西庄沟、庄上沟等。

鄂河流域地形自东北向西南倾斜，最高处为北部边缘的高天山，海拔1820.5m，最低处为万宝山村下入黄河口，海拔400m，中上游属土石山区，分布有大量的天然林，植被较好，中下部为黄土残垣区，有少量的人工林，植被覆盖较差。鄂河河道为V形河道，中上游河床为砂卵石，河床基本稳定，下游河床为基岩，河道稳定。

2　铁路大中流域水文勘测方法

大中流域有水利部门实测水文资料，采用实测水文资料推求设计流量和水位；无实测水文资料河段的大中桥，根据历史洪水调查资料推算洪峰流量［1］。收集地区流域图形资料（包括航摄照片、军用图、地形图等）和与线路有关的水利设施、航运规划和设计标准等资料；调查地区水文和气象特征；调查历史高水位和河道变迁情况，结合河道特征，合理划分滩槽，选定河床糙率系数。根据测绘资料，结合上下游水利设施等，合理推算桥址处设计流量和水位，确定桥梁孔径和高度。

沿线经过的大中型河流为鄂河，线路五次跨越鄂河，设置桥梁5座，桥址分别位于乡宁县县城上、下游。县城附近鄂河干流上设有乡宁水文站，控制流域面积328k㎡，占全流域43%。该站于1959年由黄委会设立为国家正规水文站，具有1959-1961年和1980年以来的实测资料，资料可靠，详见表1［2］。

表1　乡宁水文站洪峰流量

以上数据为水文站实测径流量资料，考虑系列的连续性及代表性，水文系列采用30a。用矩法作图解适线如图1所示。

图1　乡宁水文站频率曲线

本次验证采用铁一院编《壹桥8217大中河流洪峰设计流量》经验计算公式与《桥渡水文》中流域面积比拟法对比分析，并参考《山西省水文计算手册》中的经验公式进行核对。

2．1方法一

《壹桥8217》经验计算公式为：

K——与自然地理条件有关的系数；

I1——流域主河槽平均坡度，‰；

f——流域形状系数，f=F/L2，L为流域长度，km；

H日——流域历年最大日雨量平均值；

F——流域面积，km2；

QP——指定频率P%的洪峰流量；

KP——P-Ⅲ指定频率P%的模比系数。

2．2方法二

流域面积比拟法计算公式［1］：

式中：Q1——桥址处洪峰流量，m3/s；

Q2——水文站处洪峰流量，m3/s；F1——桥址处流域面积，km2；

F2——水文站处流域面积，km2；

n——指数，这里取0.5。

2．3方法三

式中：QP——频率为P的设计洪峰流量，m3/s；

Cp——与频率P和地类有关的经验参数；

A——涉水工程控制的流域面积，km2；

N——面积指数；

N1、β——经验参数；

S0p——涉水工程控制流域内定点概率雨力的面平均值，mm/h。

3　大中流域洪峰流量验证及结果分析

用上述3种方法对本线大中流域桥址处百年一遇洪峰流量进行计算，并对比分析结果见表2。

表2　大中流域百年一遇洪峰流量计算成果对比表

通过对以上桥址处3种方法的百年一遇洪峰流量计算成果分析，方法一分别与方法二、方法三相对比较，其误差值均在8%以内，计算方法及结果真实可信。

由于在应用方法二时，两流域面积相差不宜超过20%，且流域内自然地理条件需较一致，降水较均匀，对于铁路全线大中河流洪峰流量计算适用性较低。方法三仅建立了流域面积与流量的对应关系，对于不同自然地理条件及流域形态的计算流域准确性较低，不能更好的反应流域特征及差异性。经综合分析，晋南地区铁路大中流域百年一遇洪峰流量采用铁一院编《壹桥8217大中河流洪峰设计流量》中经验公式法计算较为准确合理，适用性强。

4　小流域流量验证

本线所跨越流域面积小于100km2的河沟属于小流域流量计算。本次采用铁一院编《壹桥8216》计算法与《山西省水文计算手册》常用经验公式法对小流域洪峰流量计算进行了比较分析。

4．1方法一

《壹桥8216》经验计算公式为：

式中：Qp——设计流量，m3/s；

k1——产流因子；

η——暴雨点面折减系数；

Sp——设计暴雨参数，mm/h；

F——汇水面积，km2；

k2——损失因子；

k3——造峰因子；

n’——随暴雨衰减指数n而变的指数；

x——河槽和山坡综合汇流因子；

y——反映流域汇流特征的指数。

根据收集资料确定设计暴雨参数SP为75mm/h，暴雨衰减指数n为0.7，计算代表性5处河沟的流量见表3。

表3　小流域百年一遇洪峰流量计算成果对比表

4．2方法二

《山西省水文计算手册》地区与上文大中流域水文勘测方法中方法三相同，改公式适用于汇水面积在10～3000km2范围内的洪峰流量计算，通过面积指数N来调整不同面积范围与流量的关系，计算代表性5处河沟的流量见表3。

4．3流量验证及结果分析

用上述两种方法对5处代表性小流域河沟的百年一遇洪峰流量进行计算，并对比分析结果如下：

通过对以上两种方法的百年一遇洪峰流量计算成果分析，方法一与方法二相对比较，其误差值绝大部分在8%以内，计算方法及结果真实可信。从两种方法的公式可以看出，方法一的流量计算考虑了小流域河沟形态、土壤类别、植被状况及降雨资料等因素，能很好地反应不同河沟特征。由计算结果分析得知，汇水面积在1～50km2的范围内，方法一适用条件较好，而50～100km2范围内误差值略大。考虑到方法一的优点以及铁路桥涵设计水文计算时便捷、连贯、一致的特点，小流域流量计算公式采用《壹桥8216》经验计算公式法较为准确合理。