黔張常鐵路巖溶洼地橋址洪水位的分析研究

喬雷濤

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

黔張常鐵路巖溶洼地橋址洪水位的分析研究

喬雷濤

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

以黔張常鐵路途經的水沙坪洼地為例，歸納了巖溶洼地洪水位計算原理，詳細介紹較大流域面積洼地區域內的橋址洪水位的計算過程，簡述較小流域面積洼地洪水位的簡化計算方法。計算結果表明：計算水位與實際調查水位相吻合，該方法適用于巖溶洼地橋址洪水位的分析研究。

鐵路橋涵；巖溶洼地；洪水位

1 概述

黔江至張家界至常德鐵路(以下簡稱“黔張常鐵路”)位于湘西北、鄂西南和渝東南交界地帶,區域呈西高東低態勢。線路沿線大部分處于武陵山脈的中山、低山區,主要以溶丘洼地、丘峰深谷洼地、龍嵴洼地,臺丘洼地和斜坡溝谷等為主［1-2]。地下發育了大量洞穴和管道,形成特殊的地表、地下雙層水文地質結構,造成水文地質環境分布的復雜性。地下暗河、地表漏斗、落水洞和巖溶洼地極為發育。

巖溶洼地一般靠暗河、落水洞、漏斗排水行洪,當暴雨雨量較大,暗河、落水洞、漏斗等排水不暢時,就會在低洼地段積水。這種低洼地段是由于構造或巖溶作用而產生的,往往有數平方千米也有大至數百平方千米,積水時一片汪洋。當積水高度超過其下方最低地面高程時,就開始往下游溢洪。在落水洞等的消水作用下,洼地地面又會從積水中顯露出來。若鐵路從這種暫時低洼積水地段經過時,必須查清地下水流的來龍去脈和洼地積水高度,從而采取必要的工程措施,使鐵路滿足積水位要求［3- 5]。

本文針對巖溶洼地的特點,分析和研究了巖溶地區洼地設計洪水位的計算方法。

2 巖溶洼地水文計算原理

2.1 設計流量過程線

設計流量過程線一般情況下可以概化為三角形,如果地區有根據實測資料制定的典型流量過程線,則應用地區典型流量過程線［6]。

2.2 溶洞的消水能力計算

當流水經過溶洞地區,洪水期溶洞的消水能力往往小于來水流量,則導致洞前產生大片積水。為了減少淹沒范圍和滿足鐵路設計的要求,對于溶洞前有過高積水者,可以選擇適當地點開鑿泄水隧洞,使排水通暢,以降低積水位。

溶洞的消水能力的確定,可通過實際洪水觀測,至少測得一次洪水,在上游有來水流量過程線Q來=f(t)和水位流量關系曲線Q來=f(H),在下游有洼槽(如泄水隧洞、排水溝等)的Q下=f(t)和Q下=f(H),以及溶洞前積水位的變化過程線H積=f(t)。有了以上觀測資料和洞前蓄水體積與積水位關系曲線V積=f(H積) (從地形等高線求出),即可按水量平衡方程式求算溶洞的消水能力與水位關系曲線Q消=f(H積)

當來水至溶洞口,除了溶洞消水外,下游無其他出路時,則上式變為

以上各式中t為時間,Δt為時段長,注腳1和2表示時段開始和終止的數值。

求解公式(2)和公式(3),可用列表計算。

溶洞的消水能力,往往受雜草、樹枝和鐵路棄作等阻水的影響,致使積水額外抬高。因此必須采取措施,防止洞口阻塞,以確保溶洞的消水能力,在計算溶洞消水能力時要充分預見到雜物對消水能力的影響。

2.3 最高積水位的計算

鐵路經過溶洞前的積水地區,路肩高程必須高出設計洪水位的最高積水位,這個積水位同樣可按照水量平衡方程式求算,變換公式(2),即可求得積水體積的變化過程線

當水流在溶洞下游無出路時,則上式改寫為

求解公式(4)和公式(5),可將設計洪水過程線劃分為若干時段,在每一時段算出來的水量為

計算時首先假設該時段平均積水位ˉH積,從Q下= f(H)和Q消=f(H)關系曲線上求出ˉQ下和ˉQ消；其次從V積=f(H積)關系曲線上求出V積,然后將ˉQ來、ˉQ下、ˉQ消和V積各數值代入公式(4),看等號兩端數值是否相等,如果不等,則重新假設H積,按上述辦法重復計算至公式(4)兩端相等為止。可列表計算。求出每個時段的平均積水高度后,即可繪制H積=f(t)關系曲線,從該曲線即可求出設計洪水時最高水位。

3 巖溶洼地洪水位實例計算分析

流域面積較大的洼地可運用上述方法進行洪水位計算分析,以黔張常鐵路水沙坪洼地為例進行了詳細計算。流域面積較小的洼地可運用簡化方法進行計算分析,介紹了簡化計算方法,為巖溶洼地地區洪水位計算提供設計依據。

3.1 勘測資料

3.2 推理公式法計算洪水過程線

(1)設計暴雨

黔張常鐵路水沙坪3號大橋橋址位于水沙坪村,距水沙坪村的泄水洞200 m,控制流域面積35.5 km2,根據《湖南省暴雨洪水查算手冊》［7-8],暴雨一致區屬第4區,產流分區為第Ⅲ區,設計暴雨成果見表1。

表1 設計暴雨成果

(2)設計凈雨

根據《湖南省暴雨洪水查算手冊》,暴雨一致區屬第4區,產流分區為第Ⅲ區,I0=30 mm,φ=0.8,計算地表徑流深R上=R總×φ=207 mm。

(3)洪水過程線的推算

用徑流分配系數法求地面徑流過程［9]

已知R上=207 mm,F=35.5 km2,根據鐵一院法［10,12]求得Q1%=533 m3/s。

（5）做好決策氣象服務還需要為人民群眾科普相關知識，提高決策氣象服務在人民群眾中的權威性，讓人民群眾都能夠認識到決策氣象服務的重要性，并在相關氣象預警信息發布后，能夠及時采取措施做好防災減災工作。所以，這就需要氣象部門和地方政府增強應對氣候變化的責任感和緊迫感。要采取主題日、科普講座、應急演練等多種形式，通過網絡、電視、手機、公益廣告等多種渠道，加大宣傳力度，深入普及氣候變化和氣象災害的防御知識，增強人民群眾的防災減災意識，增強公眾抗御各類氣象災害的信心。

則時段地面徑流總量為

根據《湖南省暴雨洪水查算手冊》選用徑流分配系數表(十二)中峰量比為0.26,然后用各時段分配系數分別乘以∑Qi,即得相應凈雨深R上的地面徑流過程曲線。

地下徑流過程的計算:

已知地下徑流R下=R總-R上=41.7 mm,由Qi-t過程曲線地面徑流過程底寬為15 h,以第15小時處為地下徑流峰頂位置,按照等腰三角形關系求地下徑流峰值

自Qm地開始每增減一個時段,其流量減少一個

(Qi+即得水沙坪百年一遇設計洪水過程曲線,見圖1。

3.3 泄水洞泄水能力曲線

對于流水部分為矩形斷面的泄水隧洞,流量Q (m3/s)與洞前積水深H(m)的關系可按式(6)計算

圖1 百年一遇洪水過程曲線

式中 b―――斷面寬,m；

M1―――流量系數,取M1=1.34。

取b=4,M1=1.34,繪制泄水隧洞泄水能力曲線如圖2所示。

圖2 泄水洞泄水能力曲線

3.4 泄水洞前積水深與蓄水體積曲線

泄水洞前蓄水體積與積水深的關系曲線,最好根據實測等高線地形圖進行繪制,當缺乏實測地形圖時,可按下列近似公式進行計算。

(1)蓄水水面呈拋物線形時

(2)蓄水水面呈三角形時

(3)蓄水水面呈矩形時

式中 α―――溝岸以上的橫向地面平均邊坡系數；

I1―――溝底縱坡,‰；

H―――從溝底算起的積水深度,m；

h―――溝深,m；

h0―――河溝天然水深,m；

L―――泄水洞距山腳的平均距離,m。

按公式(7)計算蓄水體積與洞前積水深關系

V=48 000［(H-2.5)3-(0.5-2.5)3]

泄水洞口底高程為652.07 m,繪制泄水洞前蓄水體積與積水深的關系曲線如圖3所示。

3.5 設計洪水時的泄水洞前最高積水位

圖3 洞前蓄水體積與水位關系曲線

根據勘測資料,此處的消水洞的消水能力可以忽略不計,泄水洞前最高積水位可按照公式(4)不考慮消水流量計算,再結合圖1、圖2和圖3關系曲線,用試算法列于表2,并繪出設計洪水位曲線如圖4所示。最終求出百年一遇最高積水位H1%=659.02 m。

計算時首先假設該時段的平均積水位ˉH積,從Q下=f(ˉH積)關系曲線求出ˉQ下,其次從V積=f(ˉH積)關系曲線求出V積。然后將ˉQ來、ˉQ下和V積代入不考慮消水流量的公式(4),看兩端數值是否相等,如果不等,則需要重新假設H積按上述方法重復計算,直至相等為止。

表2 泄水洞前設計洪水積水位變化過程計算

圖4 設計洪水位過程線

3.6 橋位處水位

假設水沙坪地區可以沿河溝正常排水,則通過設計流量計算洞口位置處正常水深為h0=657.52-652.07=5.45 m,而洞口處的真實積水高度為6.95 m,從而得到洞口處壅水高度z1=6.95-5.45=1.5 m。

水沙坪3號大橋小里程側橋臺處離泄水洞洞口200 m,此處受壅水影響,該處水位為橋址最高水位,取z1=1.5 m,I=0.001 5,則壅水影響長度L=1.5× 2/0.001 5=2 000 m。

橋址處水位絕對高程為

H水位=652.07+200×0.001 5+5.45+

1.5 ×(2 000-200)/2 000=659.17 m。

根據實際調查此處洪水位為660.6 m,與計算基本吻合

3.7 較小面積洼地洪水位計算

較小面積的洼地匯水面積較小,可應用簡化計算方法計算其洪水位,洪水時洼地的總水量可按式(11)進行計算

式中 WP―――設計洪水總量,m3；

F―――匯水面積,km2；

hR―――徑流深度,mm,hR=αH24p。

其中,α―――徑流系數,可根據各地區的水文手冊或圖集查定；

H24p―――設計頻率的最大24 h暴雨量,mm,可查地區水文手冊或圖集。

巖溶地區由于落水洞的影響,洪水總量可乘以地表徑流分配系數即為消水后的洪水總量。

對于較小面積巖溶洼地可假設為一個底小頂大的圓臺,利用圓臺體積計算公式可以計算出洪水時積水高度,此高度即為洼地洪水時最高洪水位。

4 結語

在鐵路勘測設計工作中,巖溶洼地地形是不可避免的,巖溶洼地的洪水位成為鐵路走向和高度的控制性因素,在鐵路的勘測設計過程中必須解決此類問題。本文結合實例并針對巖溶洼地的特點,分析和研究了巖溶洼地設計洪水位的計算方法,為以后的鐵路工程勘測設計過程中巖溶洼地洪水位計算提供了設計依據。

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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

喬雷濤(1984―),男,工程師,2009年畢業于哈爾濱工業大學結構工程專業,工學碩士,E-mail:285627242@qq.com。