西南地區復雜山區成達萬高鐵水文計算分析

劉馳昊

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司 北京 100044)

1 工程概況

成都至達州至萬州高速鐵路(簡稱成達萬高鐵)橫貫四川盆地，線路主要途徑四川省境內，沿線水系均屬長江水系，水系發育，河流、水庫眾多。線路于達州市渠縣北部跨越渠江水系。渠江系嘉陵江一級支流，流域總面積39 220 km2，由巴河、州河兩大支流在達州市渠縣三匯鎮合流而成，通稱渠江干流。干流自三匯鎮起，經渠縣、廣安、岳池、合川縣注入嘉陵江。成達萬鐵路渠江水系見圖1。

圖1 成達萬鐵路渠江附近水系

2 渠江設計流量及百年水位計算與驗證

2.1 渠江水文資料

渠江干流有多個水文站，本項目水文計算[1-5]采用收集的三匯水文站及茍渡口水文站數據。三匯水文站位于可研渠江特大橋橋位上游約30 km處，茍渡口水文站位于橋位下游15.5 km處。觀測資料及內容選用見表1。

表1 流域及鄰近流域主要水文測站

經分析比較，本次設計選擇茍渡口水文站作為水文分析計算的依據站，羅渡溪水文站為水文分析計算的參證站。

2.2 渠江水文分析

(1)歷史洪水及重現期

羅渡溪站、茍渡口站歷史洪水見表2。

表2 羅渡溪站、茍渡口站歷史洪水

(2)茍渡口水文站設計洪水

根據茍渡口水文站1955年～1988年實測洪水資料以及羅渡溪水文站1955年～2004年實測洪水資料，利用茍渡口站和羅渡溪站1958年～1988年的同期最大洪峰流量點繪制相關線，得出相關方程式:

相關系數r＝0.973 2。

根據兩站相關關系，由羅渡溪站1989年～2004年的年最大洪峰流量插補出茍渡口站1989年～2004年的年最大洪峰流量。

經插補延長后，茍渡口水文站具有1955年～2004年的洪峰流量系列，加入1847年歷史洪水組成不連續序列。歷史洪水經驗頻率:

實測洪水經驗頻率:

以矩法計算統計參數的初值，采用P-Ⅲ型曲線適線確定統計參數，得到茍渡口水文站設計洪水，成果見表3，頻率曲線見圖2。

表3 茍渡口水文站各頻率設計洪水成果

圖2 茍渡口水文站流量頻率關系曲線

(3)水利工程

可研橋位處于上游約5.7 km處為南陽灘水電站，屬Ⅳ等小(1)型水電站工程。其主要建筑物按4級設計，次要建筑物均按5級設計。樞紐洪水標準為50年一遇洪水設計、300年一遇洪水校核。

2.3 合理性論證

從暴雨分布上看，茍渡口站以上流域多年平均最大一日暴雨量為100.8 mm，而茍渡口、靜邊站至茍渡口區間流域多年平均最大一日暴雨量為79.9 mm，說明由于從上游巴、州兩河至區間暴雨的衰減變化，加之沿程河道調蓄作用造成的洪峰坦化，使洪水均值模數有自上而下減少的趨勢，綜合反映了流域暴雨洪水特征，符合流域形狀、地形、植被等自然因素特點。茍渡口站設計洪水成果與相鄰地區水文站的洪水統計參數及設計值比較見表4。從表4中可知，茍渡口站年設計洪水統計參數[6]無異常變化，符合地區變化規律，設計洪水計算成果合理，能夠滿足工程設計要求。

表4 茍渡口站及鄰近流域設計洪水特征值比較

2.4 渠江橋位處設計流量結論

南陽灘電站控制集雨面積F＝31 229 km2，茍渡口水文站控制集雨面積F＝31 626 km2，面積差僅為1.3%。橋位位于上游南陽灘電站和下游茍渡口水文站之間，橋位處設計洪水成果可直接移用茍渡口站成果。橋位處百年一遇渠江流量Q1%＝30 000 m3/s。

由南陽灘電站技術資料，壩址百年一遇的30 000 m3/s流量對應百年水位257 m。實地調查2011年電站洪水位259.635 m，大于257 m。近期調查洪水位大于既有資料水位，將南陽灘電站百年水位修正為259.635 m。渠江三匯至渠河嘴平均比降0.17%，推算至橋位處百年水位H1%＝258.666 m。同樣可推求橋位處300年一遇水位H0.33%＝259.766 m。

綜上，渠江橋址水文Q1%＝30 000 m3/s，H1%＝258.666 m，H0.33%＝259.766 m。

3 沿線其它河流及小流域流量的確定

本次勘測范圍主要位于四川省境內，沿線其它河流及小流域的流量計算采用《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》中推理公式法，并采用鐵二院小流域水文計算方法進行對比計算，對部分典型溝谷進行了實地調查測量進行驗證。

3.1 四川省經驗公式

四川省推理公式法主要采用解析法、圖解法及近似法計算最大流量。計算手冊中采用解析法聯解推理公式法基本公式來推求設計洪峰流量Q[7]。

當全面匯流條件下，τ≤tc。

當部分匯流條件下，τ＞tc。

式中，ψ為洪峰徑流系數；S為暴雨雨力，即最大1 h暴雨量(mm/h)；n為暴雨公式指數；F為集雨面積(km2)；L為自出口斷面沿主河道至分水嶺的河流長度(km)；J為沿L的河道平均坡度；τ為流域匯流時間(h)；τ0為當ψ＝1的流域匯流時間(h)；m為匯流參數；τc為產流歷時(h)；μ為產流參數，即產流歷時內流域平均入滲強度(mm/h)；θ為流域特征系數。

流域面積F、河長L直接在地形圖上量取。平均坡度J需讀取河道各轉折點的高程Hi和間距Li，按下式計算:

暴雨參數S、n的確定，查取計算手冊對應10 min、1 h、6 h、24 h暴雨等值線圖，得到不同地區不同歷時暴雨雨量，由皮爾遜Ⅲ型頻率表查出百年一遇的Kp值，按計算手冊中相應公式計算S、n。其中，在歷時1/6～1 h范圍內的n值標記為n1，在歷時1～6 h范圍內的n值標記為n2，在歷時6～24 h范圍內的n值標記為n3，分別按下式計算:

計算過程如下:

(1)在圖上量取F、L，計算J；(2)計算θ，確定m值；(3)由暴雨等值線圖查算設計頻率暴雨雨力S；(4)假定用n2試算，計算τ0，再計算ψ值，判斷全面匯流還是部分匯流；(5)計算τ值，判斷匯流時間是否與假定一致，不一致時重新試算；(6)計算最大流量Q；(7)校核m值是否與之前確定的m值一致。

3.2 鐵二院小流域計算公式

鐵二院流量計算公式:

式中，F為集雨面積(km2)；C1為產流參數；ym為徑流函數，根據徑流因子γ查取，可內插(見表5)。αp為設計暴雨強度(mm/h)，當F≤10 km2時，按αp＝6n1Sp計算；當F＞10 km2時，按αp＝1.413F-0.156n1Sp計算，式中n1為短歷時(10 min～1 h)暴雨衰減指數。

表5 徑流函數ym(γ)

徑流因子γ根據下式計算:

式中，τ為匯流時間(h)，按下式計算:

式中，A3為阻力系數；L3為流域分水嶺沿流程至橋涵處距離(km)；I3為流域平均坡度，按計算，式中為流域平均高程的等高線與主槽相交處到出口斷面間的距離(km)。

3.3 計算及驗證

本次可研從線路沿線選出11處較為典型的溝谷、河流作為小流域驗證的工點，采用鐵二院法、四川省推理公式法分別計算各處流量，并根據各處調查結果，用形態法進行驗證，計算結果見表6～表9。

表6 鐵二院法流量計算結果(第一部分)

3.4 計算結果對比

(1)流域面積F＜10 km2的流量公式驗證

將6處流域面積F＜10 km2小流域驗證工點鐵二院法和四川推理公式法計算流量分別與調查形態法推算流量進行對比，見表10～表11。

分析可知，鐵二院法與形態法驗證偏差基本穩定在10%，推理公式法偏差較大。

表10 形態法流量計算結果

表11 流域面積F＜10 km2的計算結果對比

(2)流域面積F＞10 km2的流量計算驗證

將5處流域面積F＞10 km2小流域驗證工點鐵二院法和四川推理公式法計算流量分別與調查形態法推算流量對比，見表12。

表12 流域面積F＞10 km2的計算結果對比

由表12可知，流域面積小于200 km2時，二院法計算結果與形態法驗證基本吻合，推理公式法計算流量明顯偏小；流域面積大于200 km2時，二院法與推理公式法計算結果接近，但明顯大于形態法驗證結果。

4 結束語

(1)流域面積小于10 km2時，二院法計算結果大于推理公式法計算結果，二院法計算結果與形態法驗證基本吻合，在匯水面積較大、溝型狹長、雨情較大、地形較平緩溝谷，推理公式法計算流量明顯偏小。

(2)流域面積在10～200 km2時，二院法計算結果與形態法驗證基本吻合，二院法計算結果大于推理公式法計算結果。在10～50 km2范圍內，隨流域面積增大，二院法流量增長速率明顯快于推理公式法流量增長速率；在50～200 km2范圍內，兩種方法計算結果逐漸趨近。

(3)流域面積大于200 km2時，二院法計算結果與推理公式法計算結果基本一致，但隨著流域面積的增大，受雨量、區域地形多樣的影響，實際調查流量明顯小于理論計算流量，需結合實地調查、資料比對確定流域內流量。

推理公式法將流域降雨過程與損失過程的差值作為產流過程，并把匯流時間內所產生的徑流概化為強度不變的過程，受雨量及地形變化影響較為靈敏，在流域面積較小的情況下易產生突變。鐵二院法為鐵路專用小流域計算方法，該方法已經大量鐵路橋涵實例驗證，具有很好的適應性、較強的可靠性，故本線采用二院法計算小流域流量。

成達萬高鐵沿線所經區域多為丘陵、山地，地形復雜，水系交織，植被茂密，沿線還跨越有涪江、嘉陵江、渠江3條大江及其支流，支流受其倒灌、頂托現象明顯。沿線重點橋渡在鐵二院法水文計算的基礎上，應結合實地調查，最終確定橋涵設計水位。

本次成達萬高鐵可研項目，通過現場踏勘、調查、測量、計算，總結了川中丘陵區的河流水文特征。根據現場具體情況和收集的水文資料，選擇了合理的水文分析方法，并對計算結果進行了詳細的分析論證，獲得了可靠的設計洪水流量和水位，對四川中部丘陵地區其它鐵路項目具有一定的參考價值。