阿爾及利亞貝佳亞連接線工程涵洞水文設計方法及應用

湯春林，侯利明

(中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安　710064)

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阿爾及利亞貝佳亞連接線工程涵洞水文設計方法及應用

湯春林，侯利明

(中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安710064)

摘要：基于法國標準設計，詳細研究了阿爾及利亞貝佳亞連接線高速公路涵洞設計流量、水位、流速和壅水高度的計算方法，以及涵洞水力驗證內容，并列舉了計算方法的應用示例。

關鍵詞：阿爾及利亞；法國標準；貝佳亞連接線高速；橋涵水文；設計方法；沖刷防護

1基礎資料的收集

項目根據沿線水文站收集的資料，給出了不同周期下沿線各區域的Montana參數及降雨強度。

2設計流量的計算

2.1匯流時間Tc的計算

構造物匯水面積范圍內，當坡面出現徑流后，從流域各處匯集到流域出口處的過程即為匯流過程。從流域最遠處流到出口斷面的時間即為匯流時間Tc。匯流時間Tc的計算本項目采用Ventura、Passini、 Giandotti公式估算，每個公式都有其適用范圍。

(1)Ventura 公式(適用于匯水面積S≤5 km2)

Tc=0.127(S/I)0.5

式中：Tc為匯流時間；S為匯水面積；I為匯水區域內主溝的平均坡度。

(2)Passini公式(適用于匯水面積5 km2≤S≤25 km2)

式中：Tc為匯流時間；H為匯水區域內主溝最高點和最低點的高差； L為匯水區域內主溝的長度。

(3)Giandotti公式(適用于匯水面積25km2≤S≤400km2)

式中：Tc為匯流時間；S為匯水面積；L為匯水區域內主溝的長度；Hmax為匯水區域內主溝最高點高程；Hmin為匯水區域內主溝最低點高程。

2.2設計流量QT的計算

本項目涵洞設計洪水頻率為1/100，根據SETRA指南推薦的計算方法，涵洞的流量計算主要采用三個公式：Rationnelle公式 、Crupedix公式、Transition公式 。

(1)Rationnelle公式(適用于匯水面積S≤10 km2)

QT=CT×iT×S/3.6

iT=aT×t-bT

式中：CT為對應設計周期T的漫流系數；IT為對應設計周期T，匯水時間Tc的降雨強度，mm/h；S為匯水面積,km2；aT、bT為設計周期T的Montana參數。

(2)Crupedix公式(適用于匯水面積50 km2≤S≤100 km2)

該公式來自法國農業部的規定, 該公式通過先計算10年一遇的設計流量,再求得100年一遇的設計流量,然后推求設計周期T的洪水流量。

10年一遇的設計流量Q10按下式計算

Q10=F×(P10/80)2×A0.8

式中：F為土壤漫流能力系數，可根據土壤的滲透性取值；P10為設計周期為10年的日平均降雨量，mm。

100年一遇的設計流量Q100按下式計算

Q100=b′×Q10

其中，b′=1.4～4,具體取值由匯水面積按以下原則確定:

(1)當A≤20 km2時,b′=Q100/Q10。

(2)當A>20 km2時,b′值根據經驗確定,最小為2。本項目b′值取4。

(3)Transition公式

QT=α×QRT+β×QCT

式中：QRT為 Rationnelle公式求得的周期為T的設計流量；QCT為 Crupedix公式求得的周期為T的設計流量；α，β為平衡系數，β=1-α，當S≤10 km2時,α=(10-S)/9；當S>10 km2時,α=(50-S)/40。

3涵洞水力計算

3.1臨界水深Hc和臨界流速Vc的計算

臨界狀態下，涵洞內的水深即臨界水深Hc和臨界流速Vc。

3.2正常水深Hc和正常流速Vc的計算

正常狀態下，涵洞內的水深即正常水深Hn和正常流速Vn,采用曼寧公式計算

Vn=mR2/3i1/2

QT=ωVn

式中：QT為周期為T的設計流量，m3；m為涵洞內粗糙系數，取70；R為涵洞內過水斷面的水力半徑，m2；i為水流比降(涵底坡度)；ω為過水斷面面積，m2， R為圓管涵內徑；x為濕周，m,R為圓管涵內徑；g為重力加速度，取9.8m/s2。

3.3涵前雍水高Ham的計算

涵前雍水高Ham主要由涵洞進口處的水流高度和流速控制,可利用Bernoulli定律和簡化公式計算

式中：Hb為涵洞進口處水流高度，m；Vb為涵洞進口處水流速度，m/s；ke為涵洞進口導流系數。

4涵洞水文設計實例

本項目S2標段PK26+450處一沖溝，此處匯水面積為0.44km2，匯水區域最高點高程為243m，最低點高程為57m，主溝長度為1. 2km，擬設2～1.2m圓管涵,涵洞進口高程H1=50.44m，出口高程H2=49.67m，上游路肩高程H=52.631m。

(1)匯流時間Tc

沖溝匯水面積小于5km2，采用Ventura公式；

II=(243-57)/1 420=0.16

Tc=0.127(S/I)0.5=0.127×(0.44/0.16)0.5=0.21

(2)流量計算Q100

流量計算采用Rionnelle公式，本項目位于Amizour地區，Montana參數a100=25.8，b100=0.58，C100=0.53。

i100=a100×t-b100=25.8×0.204-0.58=64.87

Q100=C100×i100×S/3.6=0.53×64.87×0.44/3.6=4.09

(3)水力計算

由文中提供的公式，可求得臨界水深Hc=0.76m，臨界流速Vc=2.72m/s，平均水深Hn=0.53m，平均流速Vn=4.21m/s，Hn

①涵前雍水高度驗算

涵洞進口處的水流高度

1.2H=1.2×1.2=1.44，滿足規范。

②涵內水流的充滿率驗算

充滿率m=0.76/1.2=0.63<0.75，滿足規范要求。

③涵洞上游路肩至最高流水面的凈空高度驗算

凈空高度R=52.631-(50.44+1.33)=0.861>0.5，滿足規范要求。

④涵內水流的平均流速驗算

平均流速平均流速Vn=4.21m/s>4m/s，流速不滿足。需要在涵洞進出口設置防沖亂石。

5結語

本文應用法國公路設計規范對阿爾及利亞貝佳亞連接線公路涵洞水文進行了設計計算,并考慮設計流量、水位、流速、壅水高、橋涵凈空富裕高度,保證了橋涵孔徑和路線縱坡設計的合理性。以上方法可為北非地區的涵洞水文設計提供參考。

參考文獻：

[1]阿爾及利亞貝佳亞港口—東西高速公路哈尼夫互通連接線水文報告[R].GroupementKyongdong-saman,2013.

[2]法國高速公路和道路技術研究所.公路排水系統設施[S].中交第一公路勘察設計研究院有限公司(譯),2006.

The method and application of hydrological and hydraulic analysis for highway culverts in algeria

TANG Chun-lin,HOU Li-ming

(In the First Highway Survey and Design Institute Co., Ltd., Xi 'an,Shaanxi 710064,China)

Abstract:This paper introduced the process and method of hydrological and hydraulic analysis for highway culverts in Algeria by using the local specifition and standards, and cited an example of the application of the calculation method,and provides references for similar projects.

Keywords:algeria; Béjaia cable project; hydrological; scour protection

中圖分類號：U449.1

文獻標識碼：C

文章編號：1008-3383(2016)03-0062-02

作者簡介：湯春林(1983-)，男，安徽六安人，工程師，研究方向：橋涵設計。

收稿日期：2016-04-01