蘭州市排洪溝洪道流量復(fù)核及水文計(jì)算分析

侯麗萍

（蘭州市城市建設(shè)設(shè)計(jì)院，甘肅 蘭州 730030）

0 前言

蘭州市區(qū)分布的排洪溝東起桑園峽包蘭鐵路黃河橋，西至河口蘭新鐵路黃河橋，南以七道梁為界，北部在中鋪?zhàn)印始覟┮痪€，目前已有排洪道主溝81條、支溝959條，危害較嚴(yán)重的排洪溝99條。本文以五里鋪洪道為例，對(duì)洪道的流量進(jìn)行復(fù)核，并對(duì)洪道水文進(jìn)行分析計(jì)算。

1 現(xiàn)狀分析及流量調(diào)查

五里鋪排洪溝是蘭州市東區(qū)的一條主要排洪溝道（見圖1），為大洪溝的北段，大洪溝源于皋蘭山，流經(jīng)區(qū)域?yàn)閺埣掖罂印⒛仙铰贰㈣F路、火車站路、五里鋪橋至雁灘南河道，流域面積2.19 km2。該溝原名老狼溝，拓建于1952年，為土溝，與大洪溝并排匯入黃河，設(shè)計(jì)流量50 m3/s。1952年進(jìn)行溝道拓建時(shí)將老狼溝沿山根并入大洪溝，1965年大洪溝改線向東并入小洪溝再匯入爛泥溝，老狼溝則利用原大洪溝下游一段作為一條單獨(dú)的洪道排洪，更名為大洪溝。

1951年8月14日，蘭州市東盆地一次降雨76.8 mm，歷時(shí)18 h，最大小時(shí)降雨量27 mm，老狼溝、大洪溝、小洪溝、爛泥溝4條溝道同時(shí)爆發(fā)大規(guī)模泥流，沖出泥沙56萬m3，覆蓋了皋蘭山前至醫(yī)學(xué)院間約1.6 km2面積。1961年，蘭州市東盆地一次降雨22.2 mm，大洪溝爆發(fā)中等規(guī)模泥流。強(qiáng)度不同的降雨引起不同規(guī)模的泥石流，該溝幾次泥石流的發(fā)生與降雨的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 大洪溝幾次泥石流的發(fā)生與降雨的對(duì)應(yīng)關(guān)系

沖出的泥沙主要由粘土和粉土構(gòu)成，并含有少量的砂礫和碎石，按照泥石流性質(zhì)劃分原則，結(jié)合甘肅省科學(xué)院地質(zhì)災(zāi)害防治研究所提出的《蘭州市滑坡泥石流防災(zāi)規(guī)劃研究報(bào)告》，該溝以泥流為主。溝內(nèi)滑坡發(fā)育，固體物質(zhì)可能補(bǔ)給量在50萬m3/km2以上，一次泥流沖出物質(zhì)為2～5萬m3，泥流容重在1.6～2.0 t/m3。排泄困難，淤埋嚴(yán)重，威脅大，屬于嚴(yán)重泥流區(qū)。

2 流量核對(duì)計(jì)算

為了準(zhǔn)確求得該溝道的設(shè)計(jì)流量，我們根據(jù)溝道的具體情況，對(duì)不同部門各種類型的公式進(jìn)行了分析、試算和比較，篩選出鐵道科學(xué)研究院經(jīng)驗(yàn)公式。為了合理選擇設(shè)計(jì)流量，結(jié)合該溝歷史洪水情況，推算100 a一遇的清水流量，再換算成泥石流洪峰流量。通過計(jì)算，并根據(jù)蘭州市城市建設(shè)設(shè)計(jì)院1995年防汛規(guī)劃設(shè)計(jì)研究以及《甘肅泥石流》記載，該洪道定性為稀性泥流。100 a一遇流量50 m3/s。

3 設(shè)計(jì)斷面復(fù)核

本次設(shè)計(jì)洪道斷面將以前沿用的單一梯形斷面優(yōu)化為復(fù)式梯形斷面(見圖2)，上口寬為16 m，溝道下底寬為8 m，中間設(shè)置2 m寬的過渡平臺(tái)，邊坡采用透空的六邊形混凝土格柵進(jìn)行加固，格柵內(nèi)植草皮；下梯形斷面深度1.2 m，溝道總深度為3.3～3.5 m。

在進(jìn)行水文復(fù)核計(jì)算時(shí)，P-Ⅲ型分布曲線的適應(yīng)性很強(qiáng)，只要參數(shù)CV及Cs選用適當(dāng)，都能與我國洪水相適應(yīng)，沒有多大差別。由于五里鋪排洪溝的實(shí)測洪水，故我們?cè)诖瞬捎眯〗饻系膶?shí)測資料進(jìn)行洪水頻率計(jì)算，通過適線求得變差系數(shù)CV與偏差系數(shù)Cs。因?yàn)榫吞m州地區(qū)而言，小金溝的洪水匯水面積、溝道長度、溝床比降、洪水成因都與五里鋪排洪溝有很強(qiáng)的相似性。

3.1 小金溝洪水流量計(jì)算

表2為小金溝調(diào)查洪水頻率計(jì)算表。

多年平均洪峰流量：

表2 小金溝調(diào)查洪水頻率計(jì)算表

查皮爾遜Ⅲ型曲線的離均系數(shù)φp值表，見表3（《橋涵水文》p37頁）。

頻率分布函數(shù)公式：

頻率為P的年最大洪峰流量：

通過計(jì)算得年最大洪峰流量，見表4。

3.2 五里鋪排洪溝洪水頻率計(jì)算中參數(shù)的確定

從甘肅省水文圖集中查得CV值在1.0～1.3左右，區(qū)域內(nèi)有資料站的計(jì)算值及查圖所得的值，見表5。

根據(jù)小金溝洪水頻率計(jì)算結(jié)果，結(jié)合蘭州市區(qū)山洪－泥石流設(shè)計(jì)流量特征，蘭州市區(qū)CV值采用1.2，CS/CV值采用2.5較為實(shí)際，因此確定五里鋪排洪溝的CV值采用1.2，CS/CV值采用2.5。

3.3 五里鋪排洪溝洪峰流量計(jì)算

年最大洪峰流量均值：

式中：F——流域面積，km2；查《蘭州市南北兩山溝道設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果表》得F=2.2 km2。

HM平均——年最大時(shí)段雨量均值，mm；查《甘肅省暴雨洪水圖集》得HM平均=17.5mm。

J——干流河道平均坡度，‰；查《蘭州市南北兩山溝道設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果表》得J=328‰。

f——流域形狀系數(shù)；f=F/L2，L=主溝道長度；查《蘭州市南北兩山溝道設(shè)計(jì)洪水計(jì)算成果表》得L=3.3 km，f=2.2/（3.3×3.3）=0.20。

K——綜合系數(shù)；根據(jù)研究，區(qū)內(nèi)溝道流域面積較大，土壤結(jié)構(gòu)、植被類型較為復(fù)雜，綜合系數(shù)K取值為0.28。

表3 皮爾遜Ⅲ型曲線的離均系數(shù)φp值表（1）

表4 年最大洪峰流量（1）

表5 變差系數(shù)CV與偏差系數(shù)CS統(tǒng)計(jì)表

n，m，α，β——指數(shù)；根據(jù)地理特征、暴雨特征、洪峰流量特征，求得各指數(shù)分別為：n=0.6，m=0.75，α=0.16，β=0.08。

查皮爾遜Ⅲ型曲線的離均系數(shù)φp值表，見表6（《橋涵水文》p37頁）。

通過計(jì)算，得年最大洪峰流量，見表7。

表6 皮爾遜Ⅲ型曲線的離均系數(shù)φp值表（2）

表7 年最大洪峰流量（2）

3.4 五里鋪排洪溝下梯形斷面流速計(jì)算

根據(jù)明渠均勻流公式計(jì)算流速，具體如下：

其中：過水面積 ω=10.176；濕周 ρ=10.584；溝底平均縱坡I=0.36%；糙率n=0.025。代入公式：

3.5 流量驗(yàn)算

當(dāng)水深為1.2 m時(shí)，下梯形護(hù)砌斷面可通過的流量為:

五里鋪排洪溝的10 a一遇的流量為20.63m3/s。

由于 Q下＝23.71(m3/s)＞20.63(m3/s)

所以，通過上述計(jì)算可知，五里鋪排洪溝下護(hù)砌斷面設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)滿足10 a一遇洪水流量的要求。

3.6 五里鋪排洪溝100 a一遇流量復(fù)核計(jì)算

五里鋪排洪溝全斷面為復(fù)式斷面，下梯形為漿砌塊石護(hù)砌，上梯形斷面為格柵植草護(hù)坡。本次計(jì)算按最不利因素考慮，即全斷面糙率系數(shù)均按照草皮護(hù)坡取值進(jìn)行水力計(jì)算。

根據(jù)明渠均勻流公式計(jì)算流速：

其中：過水面積 ω＝32.08；濕周 ρ＝19.04；溝底平均縱坡I＝0.36%；糙率n=0.04。代入公式：

五里鋪排洪溝全斷面可通過的流量為：

五里鋪排洪溝的100 a一遇的流量為50m3/s。

由于 Q全＝68.01(m3/s)＞Q1%＝50(m3/s)，所以，通過上述計(jì)算可知，五里鋪排洪溝全斷面設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)滿足100 a一遇洪水流量的要求。

4 結(jié)論

通過以上計(jì)算可知，在進(jìn)行五里鋪排洪溝洪道治理工程設(shè)計(jì)時(shí)，所采用的優(yōu)化復(fù)式斷面既可以滿足城市安全防汛泄洪的要求，又可以有效增加城市綠化用地面積，擴(kuò)展城市休閑空間，建成生態(tài)景觀型洪道。