山丘平圩混合区高速公路水文分析研究

徐玲玲 ，张 巍 ，周 锋

（1.江苏省水利工程科技咨询股份有限公司，江苏 南京 210029;2.淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏 淮安 223005）

1 概述

山丘平圩混合区的高速公路在设计过程中，路线选定及构造物布设主要受地形限制和沿线河流水文控制，如何合理确定设计洪水位，是高速公路设计的基础，也是技术的难点。若片面增加设计标高，则会造成工程的浪费；若降低设计标高，则会造成洪水对高速公路的破坏，影响群众的生产、生活[1]。本文通过对沿线区域河、沟的设计洪水流量及设计洪水位进行水文分析计算，为公路路线选择、路基设计提供依据。

2 山丘平圩混合区高速公路水文分析

2.1 平原、圩区水文分析方法

2.1.1 设计暴雨

平圩区一般独立汇水面积较小，一般选用临近的雨量站作为代表站，利用长系列点雨量资料，进行皮尔逊Ⅲ型频率曲线拟合，获得一定重现期的设计暴雨。挑选典型雨型，同频率放大得到设计暴雨过程，设计暴雨的控制时段一般取1 h、6 h、24 h。若无实测资料，则可通过《江苏省暴雨图集》（2005年）点雨量均值等值线图获得。

2.1.2 设计净雨

在计算设计净雨过程时，采用初损后损法扣损。其中最大24 h净雨计算中，根据江苏省以往径流站实测资料总经分析的经验值，只扣后损，后损采用1 mm/h。

2.1.3 平原区设计流量、水位

（1）设计流量

考虑河道坡比大、集流快的特征，采用小汇水面积汇流方法计算集流过程。为充分反映各支流的汇流情况，采用先分块、后叠加的方法进行。

（2）设计水位

采用水力学明渠非均匀流方法，根据多方案河道设计断面，推求多种洪水水面线，然后取其上包线为最终设计洪水水面线。

2.1.4 圩区设计水位

圩区水位采用水量平衡的方法，计算圩区滞蓄水深。圩区滞蓄水深＝降雨历时内径流量－外排水量。

2.2 山丘区水文分析方法

2.2.1 路基水文分析

（1）设计暴雨和设计净雨

根据独立汇水区的集水面积和比降计算汇流历时，由汇流历时确定计算时段，一般选择60 min 3 h、6 h、24 h和3 d雨量分析。其中短历时暴雨计算设计流量，控制路涵的设计规模，3 d雨量计算控制路基设计水位。山丘区考虑汇流速度较快、历时短，计算设计净雨时，不采用次降雨径流关系曲线，直接扣损[2]。

（2）产汇流计算

产汇流计算根据确定的沿线计算分区，按各分区汇水面积和干流比降进行产汇流的分析[3]。

通过加权平均法计算干流冲沟的平均比降。从路基断面沿河道干流向上，一直量算到分水岭。按沿流程比降变化的特征点高程和距离，用下式加权平均法计算干流比降。

《江苏省暴雨洪水图集》（1984年）推理公式法：主要根据汇水区域面积F、干流冲沟比降J，根据山丘区公式计算洪水汇流时间τ，其中θ=F/J1/3。

当P＞5% 时，τ=2.1θ0.34

当P≤5%时，τ=1.6θ0.34

再根据《江苏省暴雨图集》（2005年）中内插公式计算汇流时段设计暴雨量如下：

当10 min＜τ＜1 h时，Htp=H1p×t1-n1p

当6 h＜τ＜24 h时，Htp=H1p×t1-n3p

Htp为某一历史某一频率下的设计暴雨量，H0.1667p、H1p、H6p、H24p分别为10 min、1 h、6 h、24 h的某一频率下的设计暴雨量，单位为mm。

通过设计暴雨量扣除后损雨量，得出区间净雨量 Rτ。

最大流量公式采用：

式中：

Wτi—τ时段洪水量，可简化将τ取1 h。

2.2.2 路基溃坝洪水计算

溃坝洪水的计算，根据全国防洪重点中型水库评价计算公式。

（1）土石坝溃口宽度计算

式中：

b—溃口宽度（m）；

W—水库总库容（m3）；

B—主坝长度（m）；

H—坝高（m）；

K—经验系数，根据区域特点取用。其中，中型水库土石坝溃决宽度b一般在50～200 m左右，当计算b＞250 m时，取b=250 m；当计算出b＜B时，取b=0.8B。

（2）溃坝流量计算

式中：

Qmax—坝址最大流量（m3/s）；

H0—溃坝前上游水深（m）。

（3）溃坝坝址处最大流量演进至坝址L（m）流程时的最大流量计算

式中：

QL—距坝址控制断面最大溃坝演进流量（m3/s）；

L—控制断面距水库坝址的距离（m）；

Vmax—特大洪水的最大流速，无资料时，山区统一取4.0 m/s，丘陵区取2.5 m/s，平原区取1.5 m/s；

K—经验系数，山区统一取1.3，丘陵区取1.0，平原区取0.85。

（4）溃坝路基处设计洪水位计算

溃坝洪水后，路基设计洪水位计算根据溃坝水量，以及区间24 h产水量，根据地形和下游通畅情况，按设计标准下泄计算路基上游滞蓄水量，查路基上游库容曲线得路基设计洪水位。

2.2.3 堰流公式洪水位计算

堰上水头计算采用如下公式：

式中：

H0—堰上总水头（m）；

B—溢流宽度（m）；

m—实用堰流量系数；

ε—侧收缩影响系数。

3 应用实例

本文以宜长（宜兴至长兴）高速公路（江苏段）为依托，通过对沿线河流、沟、渠等流域的百年一遇设计洪水流量及设计洪水位进行水文分析计算，为公路路线、路基设计提供依据。

3.1 工程概况

宜兴至长兴高速公路江苏段是江苏省高速公路网规划中的“纵四”线路连云港经南京至宜兴高速公路的重要组成部分，起点接宁杭高速公路，向南至苏浙省界接浙江杭长高速公路。该工程是宜兴结点的第二条省际出口，有助于完善宜兴结点的路网结构，增加宜兴南北向通道的通过能力，有助于促进苏南、浙北地区的经济联系和城际交往，推动长三角核心地区一体化进程的加速。

3.2 河流概况

宜兴至长兴高速公路江苏段位于太湖流域南溪水系中的桃厔溪片区，涉及的河道主要有宜兴的厔溪河（夏新河）、埝径河、桃溪河和张渚西河等。

3.3 水文分析计算成果

3.3.1 平原、圩区水文成果

（1）厔溪河（夏新河）、埝径河百年一遇水位

线路跨厔溪河（夏新河）处百年一遇设计水位根据平原区河网模型计算结果，按河道断面推算线路跨埝径河处百年一遇水位约为5.25 m。

（2）长万联圩内水位

该区域24 h百年一遇设计净雨为293.3 mm。线路穿过长万联圩，圩区面积约10.21 km2，地面高程约4.0～6.5 m，圩区周边设有万渚站2（排涝流量3.0 m3/s）、后村站3（排涝流量1.6 m3/s）、猪婆桥站（排涝流量1.0 m3/s），胥藏站（排涝流量1.0 m3/s）。按照区域24 h百年一遇设计暴雨20 h排干，周边4个泵站全天开机20 h，则外排水量为48.1 mm。

按圩区滞蓄水深计算设计水位约4.25 m。当发生大洪水时，外河水位高于圩内水位，应考虑破圩对圩内水位的影响。为安全计，圩区破圩直接采用埝径河百年一遇水位5.25 m作为路基设计水位。

3.3.2 山丘区水文成果

线路里程桩号K1+550～K25+670段为山丘区，沟洼相连，冲沟蓄水坝较多。

（1）路基水文成果

本次进行路基水文分析时，沿线路走向，按地形变化划定对路基有影响的分片集水区（见图1），经分析全线小分区有56片，再按各分区确定对路基有影响的冲沟，根据冲沟汇流，提出合理的冲沟建筑物布置方案和位置，供设计部门参考[4]。

如分析出1分区节点K1+550百年一遇设计水位5.24 m，26分区节点K10+520百年一遇设计水位34.0 m。

（2）路基溃坝洪水计算成果

通过以上计算，可得路基溃坝洪水计算成果见表1。

图1 分区及冲沟示意图

表1 溃坝洪水计算成果表

（3）堰流公式洪水位计算成果

23分区下游有三级拦蓄坝，计算时按堰流公式计算，其他如30分区以下游道路拦蓄计算，31分区以横山路拦蓄计算。

23分区，冲沟沿线自西向东有三级坝，其中对线路有影响的为一级坝和二级坝，用堰流公式计算，一级坝处堰上游水位高程为42.5 m，二级坝（即线路跨越处）堰上游水位高程为38.40 m；30分区，以下游道路滞蓄，计算得下游道路处堰上游水位高程为11.2 m。

4 结语

本文以宜兴至长兴高速公路江苏段工程为案例，详细分析平原、圩区、山丘区（包括路基水位计算、路基溃坝洪水计算和堰流公式洪水位计算）这几种不同下垫面情况下设计洪水流量和设计洪水位计算方法，为公路路线、路基设计提供依据。同时，也为类似该地区的山丘、平原、圩区混合区高速公路分析总结经验并提供参考，具有现实意义。

参考文献：

[1]赖建.浅谈高速公路大中桥水文计算分析过程[J/OL].建筑知识 :1-2（2016-06-17）.

[2]焦臣，刘群峰.山区高速公路水文分析研究[J].公路交通科技，2006（11）:102-104.

[3]陈中月，朱俊，朱永红.公路中小桥涵水文分析计算[J].安徽建筑，2009，16（06）:87-88+92.

[4]王昕远.山区高速公路路基设计[J].科技创新与应用，2016（23）:247.