資陽市某公路涵洞水文計(jì)算及分析

高菲

（四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610031）

1 工程概況

四川資陽某一級(jí)公路位于四川盆地丘陵地區(qū)，地貌為丘陵地貌。工程區(qū)丘陵山地地貌分為淺切丘陵、中切丘陵和深切丘陵。主要表現(xiàn)為緩谷淺丘，高差一般不超過30m。中切丘陵地貌高程220～420m，高差30～60m。深切丘陵地貌標(biāo)高240～550m，相對(duì)高差60～100m。項(xiàng)目區(qū)屬亞熱帶溫暖濕潤氣候區(qū)，具有冬暖、春旱、夏熱、秋涼，降水充沛的特點(diǎn)。平均降雨量931.8mm。測區(qū)春季雨量小，降雨日數(shù)少，夏季雨量多，強(qiáng)度大，秋冬季降雨日數(shù)較多，而雨量不大的特點(diǎn)。路線所經(jīng)區(qū)域的地表水主要來源于大氣降水。區(qū)內(nèi)年降雨量分布不均勻，雨季（6～9 月）降雨量占全年降雨量的70%以上，導(dǎo)致境內(nèi)的河流具有汛期洪水暴漲暴落、枯水季節(jié)徑流很小甚至有斷流的特點(diǎn)。

本文對(duì)不同匯水面積區(qū)域中有無阻水構(gòu)筑物、不同匯水區(qū)域主河溝的選擇不同對(duì)洪水洪峰設(shè)計(jì)流量和涵洞孔徑的影響做了計(jì)算并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

2 計(jì)算依據(jù)

水文計(jì)算公式繁多，但是該項(xiàng)目處于四川省地區(qū)，采用《四川省中小流域暴雨洪水計(jì)算手冊(cè)》[1]中的推理公式來計(jì)算暴雨洪水流量是合理且可靠的。其公式如下：

式中，Q 為最大流量，m3/s；ψ 為洪峰徑流系數(shù)；S 為暴雨雨力，mm/h；τ 為流域匯流時(shí)間，h；n 為暴雨公式指數(shù)；F 為集水面積，m2。

工況設(shè)置了多種情況：（1）不同流域面積；（2）匯水流域是否考慮已有道路的阻水；（3）匯水流域中不同匯流河道的選取。主要計(jì)算和分析其對(duì)洪水洪峰流量的影響和涵洞孔徑的影響，從而得出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

本次計(jì)算涵洞的匯水面積考慮了3 個(gè)流域，分別為2.4km2、4.4km2和21.9km2。公路建設(shè)比較完善，匯水區(qū)域內(nèi)，多存在其他公路等構(gòu)筑物，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)，有時(shí)直接就以構(gòu)筑物（例如，已有的公路等）為界限分水嶺來勾繪流域面積。為此，此次匯水區(qū)域工況分了考慮區(qū)域內(nèi)構(gòu)筑物和不考慮區(qū)域內(nèi)構(gòu)筑物的工況。在計(jì)算主河溝比降的時(shí)候，常常遇匯水區(qū)域內(nèi)多條河溝的匯水面積和分水嶺高程的不同而難以去選定主河溝，特別是匯水流域內(nèi)不明顯的上游溝的選擇時(shí)，所以此次主河溝的工況只考慮A 和B 兩種。A、B 分別表示該匯水區(qū)域內(nèi)的河溝，A 號(hào)河溝分水嶺高程值比B 號(hào)河溝分水嶺高程高，但匯水面積小于B 河溝。上述3 種不同流域所對(duì)應(yīng)的特征值如表1 所示。

表1 各種工況下試驗(yàn)流域的基本特征值

3 計(jì)算結(jié)果與分析

結(jié)合該項(xiàng)目路線地形，對(duì)3 個(gè)匯水流域不同工況進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果得到因主河道選擇的不同而造成的不同設(shè)計(jì)洪水頻率下洪峰流量差值關(guān)系圖，具體見圖1a、圖1b。

由圖1a 可得，同一流域面積內(nèi)，主河道選取的不同造成了洪水洪峰流量的不同，在同一設(shè)計(jì)頻率下，流量差值隨著匯水面積的增大而增大；在同一匯水面積下，隨著洪水設(shè)計(jì)頻率的減小而增大，設(shè)計(jì)頻率為2%是分界點(diǎn)，設(shè)計(jì)頻率小于2%，隨著頻率的減小，流量差值表現(xiàn)為增加較快，設(shè)計(jì)頻率大于2%，隨著頻率的增大，流量差值表現(xiàn)為緩慢減小。

圖1b 為以所有匯水流域內(nèi)A 河道為主河道，考慮匯水區(qū)域內(nèi)已有構(gòu)筑物和不考慮2 種情況下計(jì)算出的流量差與設(shè)計(jì)頻率關(guān)系圖。由圖1b 可得，同一設(shè)計(jì)頻率下，流量差值隨著流域面積的增大而增大；相同匯水面積下，隨著設(shè)計(jì)頻率的增大而減小，且設(shè)計(jì)頻率越小，差值標(biāo)線為急劇增大，設(shè)計(jì)頻率越大，差值緩慢變小。設(shè)計(jì)頻率為2%是分界點(diǎn)，設(shè)計(jì)頻率小于2%，隨著頻率的減小，流量差值表現(xiàn)為增加較快，設(shè)計(jì)頻率大于2%，隨著頻率的增大，流量差值表現(xiàn)為緩慢減小，且流域面積越大，該分界點(diǎn)越明顯。

圖1 不同主河道下設(shè)計(jì)頻率與流量差值的關(guān)系

計(jì)算3 個(gè)匯水流域內(nèi)同一設(shè)計(jì)頻率下，不同主河道的選擇、是否考慮已有構(gòu)筑物并以構(gòu)筑物為流域邊線對(duì)涵洞孔徑計(jì)算的影響，以無壓力涵洞為例。

采用《橋涵水文》[2]及JTG/T D65-04—2007《公路涵洞設(shè)計(jì)細(xì)則》[3]中的公式進(jìn)行計(jì)算，見式（2）：

式中，Q1為過涵流量，m3/s；ε 為壓縮系數(shù)，取1.0；φ 為流速系數(shù)，取0.95；Ak為過水面積，m2；g 為重力加速度，取9.80m/s2；H0為涵前總水頭，m；hk為涵洞進(jìn)口附近臨界斷面的水深，m。

涵洞孔徑計(jì)算成果如表2 所示。在不考慮區(qū)域內(nèi)構(gòu)筑物的情況下，選擇不同的河道，對(duì)涵洞孔徑都造成了影響，河溝的分水嶺高程越高，洪水洪峰流量越大，涵洞孔徑設(shè)計(jì)就越大。在主河道選擇相同的情況下，不考慮區(qū)域內(nèi)構(gòu)筑物比考慮區(qū)域內(nèi)構(gòu)筑物所計(jì)算得出的涵洞孔徑大得多。

表2 涵洞孔徑計(jì)算成果表

4 結(jié)語

對(duì)比上述工況下洪水洪峰流量和涵洞孔徑的計(jì)算結(jié)果，可得以下結(jié)論：在計(jì)算流域的洪水洪峰流量時(shí)，匯水流域內(nèi)主河道選擇尤為重要，在面對(duì)匯水流域內(nèi)不明顯的上游溝的選擇時(shí)，其分水嶺高程對(duì)洪峰設(shè)計(jì)流量影響比其集水面積影響更大，隨著流域面積的增大，此現(xiàn)象表現(xiàn)得更為明顯。

很多中小流域既無水文觀測資料，又無可參照的構(gòu)造物，在工程項(xiàng)目建設(shè)中，每年暴雨時(shí)節(jié)，常有公路水毀、涵洞堵塞而造成的洪災(zāi)發(fā)生，從工程安全角度和寬容性設(shè)計(jì)角度考慮及經(jīng)濟(jì)、合理的設(shè)計(jì)原則出發(fā)，在工程設(shè)計(jì)計(jì)算洪水洪峰流量時(shí)，應(yīng)選擇上游溝分水嶺高程最高的作為主河道，從而進(jìn)行洪水洪峰流量計(jì)算；當(dāng)匯水區(qū)域內(nèi)有既有的構(gòu)筑物時(shí)，應(yīng)不考慮阻水影響，按天然匯水區(qū)域來進(jìn)行計(jì)算。