自贡市高铁连接线小流域涵洞水文计算

羊丽萍 杨 清

(1.天津市市政工程设计研究院四川分院，四川 成都 610041； 2.天津市市政工程设计研究院，四川 成都 610041)

1 工程概况

自贡市东部新城高铁连接线是支撑东部新城开发建设的重要基础设施，将对东部新城的开发建设起到引擎推动作用，支撑城市向东拓展。是东部新城骨干路网的重要组成部分，将与其他主要道路一起构成东部新城完整的交通格局；高铁连接线基本沿釜溪河而建，是支撑高铁东站对外出行的重要基础设施，是高铁东站联系主城区及远地区的快速通道。

高铁连接线沿线地形高差较大，多次跨越河道、沟谷、冲沟、池塘等现状低凹处。跨越河道采用桥梁结构，跨越沟谷、冲沟、池塘处按实际情况考虑填方成路基段或设置小型过路排水构筑物。由于周边地块开发，对于临时涵洞采用圆管涵排水；对于永久性连接主线两侧水域的，考虑到道路宽度较长，采用箱涵结构。结合排水系统需要，根据实际调查，本次共布置4道排水箱涵。地形情况和箱涵布置位置详见图1。

2 涵洞水文计算

根据自贡市防洪规划，确定自贡市防洪标准为50年一遇洪水。涵洞设计标准与防洪标准一致。

涵洞水文计算方法一般包含暴雨强度公式法、暴雨推理法、径流形成法、形态调研法、直接类比法、经验公式法等。排洪涵洞属于小汇水面积上的排水构筑物，一般情况下，小汇水面积没有实测的流量资料，所需的设计洪水往往用实测暴雨资料间接推求。并假定暴雨与其所形成的洪水流量同频率。本次设计涵洞主要用于满足被高铁连接线截断的冲沟的过水要求，同时考虑到自贡东部新城属微丘地区，汇水面积一般均不到1 km2，平时水小甚至干枯；汛期水量急增，急流快，每个涵洞汇水面积有所差异，不宜采用直接类比法推算涵洞孔径，本文采用暴雨强度公式法、径流形成法和经验公式法对涵洞进行水文计算。

涵洞1汇流面积0.64 ha，涵洞2汇流面积1.74 ha，涵洞3汇流面积3.51 ha，涵洞4汇流面积6.43 ha。本文以涵洞4为例进行流量计算，具体情况如图2所示。

2.1 暴雨强度公式法[1]

采用自贡市修正后的暴雨强度公式计算流量。涵洞设计重现期采用50年一遇，根据区域地形条件地面集水时间取t1=5 min，设计涵洞过水均属于山区汇水，根据植被情况和径流坡度，取用径流系数φ=0.4。

设计暴雨强度：

设计流量：Q=φ·q·F=0.4×558.387×6.43/1 000=1.436 m3/s。

2.2 暴雨推理法[2]

暴雨推理法是一种半理论半经验的计算方法，通过损失参数和汇流时间，体现地区差异性。本文采用四川省中小流域暴雨洪水计算方法。

其中，Q为最大流量，m3/s；ψ为洪峰径流系数；S为暴雨雨力，即最大1 h暴雨量，mm/h；n为暴雨公式指数；F为集水面积，km2；L为自出口断面沿主河道至分水岭的河流长度，km；J为沿L的河道平均坡度；τ为流域汇流时间，h；τ0为当ψ=1的流域汇流时间，h；tc为产流历时，h；μ为产流参数，即产流历时内流域平均入渗强度，mm/h；m为汇流参数。

根据自贡市所在分区特征，查相应的各时段暴雨参数等值线图，得设计暴雨成果见表1。

表1 设计暴雨计算成果表

此涵洞F=6.43 ha，L=0.245 km，J=0.106。根据自贡市所在分区特征，按上式计算得θ=1.03，汇流参数m=0.40·θ0.204=0.40，暴雨公式指数n1=0.44，n2=0.65，n3=0.72，此涵洞汇流面积较小，先按照n1进行试算，暴雨雨力S=104 mm/h，τ0=0.26 h，产流参数μ=4.8·F-0.19=8.09 mm/h，得出为全面汇流，洪峰径流系数ψ=0.95。

2.3 经验公式法[3]

汇水面积小于10 km2时，可采用公路科学研究所的经验公式。

Qp=KFn。

其中，Qp为规定频率为P%时的雨洪设计流量，m3/s；K为径流模数，根据地区划分及设计标准查取；n为面积指数，当F≤1 km2时，n=1。

根据城镇防洪查表得K=19.2，F=6.43 ha，n=1。

设计流量：Qp=KFn=19.2×(6.43/1 000)=1.235 4 m3/s。

2.4 径流形成法[4]

径流形成法是目前公路部门普遍使用的一种计算方法，其径流成因简化公式适用于汇流面积F≤30 km2的小流域。

其中，Qp为规定频率为P%时的雨洪设计流量，m3/s；φ为地貌系数；h为径流厚度，由暴雨分区、规定频率P%、土的吸水类属，以及汇流时间确定，mm；z为被植物或坑洼滞留的径流厚度，mm；F为汇水面积，km2；β为洪峰传播的流量折减系数；γ为汇水区降雨量不均匀的折减系数，以汇水区的长度或宽度中小者计；δ为小水库(湖泊)调节作用影响洪峰流量的折减系数。

根据公路涵洞设计细则附表得：φ=0.09，h=45 mm，z=10 mm，F=6.43 ha，β=1，γ=1，δ=0.99。

设计流量：Qp=2.054 m3/s。

综上，考虑到暴雨推求公式更适用于汇流面积小于100 km2的河沟，本文设计涵洞汇流面积过小，采用径流形成法所算得的流量Qp=2.054 m3/s。

3 涵洞孔径验算[4]

涵洞4断面尺寸为B×H=3 m×3 m，涵底纵坡Id=3%，涵长Lh=88 m，相应的涵内流速为v=0.98 m/s，验算涵洞断面过水能力为Q′=A·v=8.82 m3/s>Q=2.054 m3/s。

首先假定按照临界流状态验算涵洞孔径：

5)涵内收缩断面处水深hqs=0.9hk=0.9×0.363=0.33 m。

7)涵前雍水位Hy=Hq+hq=1.2+0.525=1.725 m。

8)涵洞出口断面的设计水位Hs

故假定合理，涵前雍水位小于涵前允许淹没水位，则涵洞孔径满足要求。

4 结语

高铁连接线范围内为农田水系村庄，没有现状雨水系统和雨水排水设施，现状雨水基本以无组织散排的形式随自然地形排入附近水体，高铁连接线跨越多处冲沟，其中有四处冲沟在道路红线范围内部分填为路基段，两侧冲沟通过拟建涵洞连接，涵洞过水流量计算和涵洞尺寸的验算尤为重要。

1)经比较，采用暴雨强度法、暴雨推理法、地区经验法、径流形成法四种方法计算涵洞4防洪流量，地区经验法和暴雨强度法计算结果相近，暴雨推理法计算结果偏大，保守起见，最终采用径流形成法的较大流量作为自贡市高铁连接线涵洞4的防洪流量。

2)拟建涵洞4尺寸为B×H=3 m×3 m，满足临界流条件，断面尺寸满足过水要求。

3)暴雨推理法计算结果偏大，可能是由于本项目涵洞汇流面积远远小于暴雨推理法的适用范围。

4)暴雨强度法和地区经验法均可用于涵洞的水文计算，其计算结果有一定的参考意义。

5)通过水文水力计算优化设计，既保证了过水安全性，也提升了项目的经济效益。