西北地區(qū)某缺乏流量觀測資料橋梁設(shè)計洪水流量推算方法探討

楊飛

摘 要：基于西北地區(qū)某公路項目水文計算的需要，針對跨越缺乏流量觀測資料河流某橋梁，本文通過采用全國水文分區(qū)經(jīng)驗公式法、新疆地區(qū)公路橋涵水文參數(shù)研究經(jīng)驗公式法以及面積比擬法三種不同方法進(jìn)行推算，通過比較可得三種方法結(jié)果偏差不大，其中全國水文分區(qū)經(jīng)驗公式法與面積比擬法計算結(jié)果偏差僅4.35%，分析認(rèn)為在缺乏流量觀測資料情況下采用間接的或經(jīng)驗性的資料進(jìn)行多種方法計算，經(jīng)過對比分析，可以得到比較合理的設(shè)計洪水流量結(jié)果，為區(qū)域內(nèi)其他類似工程推算設(shè)計洪水流量計算提供參考。

關(guān)鍵詞：水文計算;經(jīng)驗公式法;面積比擬法;設(shè)計洪水流量

0 引言

某公路項目位于西北地區(qū)，設(shè)置大橋跨越一條季節(jié)性河流，需對工程斷面處進(jìn)行設(shè)計洪水流量計算，由于河流干流經(jīng)出山口后在沖積扇呈散流狀態(tài)，無明顯河床，且上下游無水文站，只能利用間接或經(jīng)驗性的資料對其洪水流量進(jìn)行推算。

1 流域概述

1.1 項目區(qū)地形地貌

本項目區(qū)域位于博格達(dá)山脈南側(cè)、天山北坡，跨越天山山脈主脈與東天山的銜接地帶，總體呈現(xiàn)中前段（東南）高，西北部低的態(tài)勢。

該公路項目位于天山以北沖積、洪積平原上，海拔高度1 000 m～1 200 m。地勢自南向北微傾斜，地形平坦開闊，路線呈東西走向，沿沖、洪積扇中部尾部通過，呈現(xiàn)荒漠和農(nóng)耕景觀，所在地區(qū)為中溫帶半干旱大陸性氣候，屬綠洲―荒漠區(qū)，公路自然區(qū)劃屬Ⅵ2區(qū)。

1.2 項目區(qū)域氣象

項目區(qū)地處亞歐大陸腹地，遠(yuǎn)離海洋，具有強(qiáng)烈的大陸性干燥氣候，夏季炎熱、冬季寒冷漫長，雨量較少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，年、日溫差大，春秋氣溫升降劇烈，無霜期較長，總體屬溫帶大陸性氣候。

1.3 項目區(qū)水系

項目區(qū)地表水系主要有：烏魯木齊河水系和柴窩堡湖水系，其次為項目東北及西南部天山坡面降雨而匯集的洪積扇面水流和山溝瞬時洪流等。烏魯木齊河水系發(fā)源于天山天格爾峰北側(cè)的一號冰川，由南向北流出山口后與南山一條河流匯合，經(jīng)山前洪積—沖積平原，流向烏拉泊洼地，穿過市區(qū)、紅山嘴埡口及北郊平原進(jìn)入五家渠市境內(nèi)的猛進(jìn)水庫，全長210 km，年平均徑流量2.35億立方米，流域面積5 128.04 km2，其中冰川面積38 km2。柴窩堡湖水系無干流，是由中天山的喀拉烏成山北坡、博格達(dá)山流入柴窩堡盆地的地表徑流、潛水和柴窩堡盆地內(nèi)的湖泊、沼澤等組成的閉合性水系，主體為柴窩堡湖。

項目區(qū)地下水主要分為基巖裂隙水、第四系松散層孔隙水。其中孔隙水富含量大，分布較為廣泛，而基巖裂隙水則較不豐富。

1.4 橋位處涉及河流概況及暴雨洪水特點

該橋梁涉及的河溝主要為小東溝和張家溝。小東溝、張家溝均位于中天山東部天格爾山，發(fā)源于北麓中低山帶。兩河溝相毗鄰，由西向東依次為小東溝和張家溝。兩河溝西側(cè)主要為板房溝流域，東側(cè)主要為烏什城溝流域，南部為天山山脈，向北匯入柴窩堡湖。兩河溝流域內(nèi)沒有冰川及永久性積雪，均為季節(jié)性洪溝，小東溝流域面積相對較大，出山口以上流域面積為194 km2，流域最高點海拔為2 840 m;張家溝流域面積相對較小，出山口以上流域面積為11.3 km2，流域最高點海拔為2 421 m。兩河溝流域均呈羽狀水系，出山口以上為產(chǎn)流區(qū)，干流經(jīng)出山口后在沖積扇呈散流狀態(tài)，其中張家溝在出山口下游附近匯入小東溝。張家溝匯入小東溝后，洪水散流至橋位附近，受簡易導(dǎo)流堤引導(dǎo)至柴窩堡湖方向。

2 暴雨及洪水特性

2.1 暴雨特性

小東溝、張家溝流域?qū)贉貛Т箨懶詺夂颍瑸楦珊蛋敫珊祬^(qū)域。來自太平洋、印度洋的暖濕氣流因受高山阻擋不易進(jìn)入內(nèi)陸區(qū)，而來自大西洋、北冰洋的冷濕氣流可隨西風(fēng)環(huán)流進(jìn)入，它是小東溝、張家溝的主要水汽來源。

小東溝、張家溝流域內(nèi)均無氣象站點，小東溝、張家溝流域處天格爾峰西側(cè)的暴雨中心邊緣。從地形條件而言，小東溝、張家溝流域具有相同的水汽來源，因此其暴雨理論上也具有一定的相似性。

2.2 洪水特性

小東溝、張家溝流域內(nèi)無冰川及永久性積雪，因此洪水主要以暴雨洪水為主。由于各河溝流域面積較小，不利于積雪的大量儲存，春末夏初的融雪型洪水一般較小。

3 設(shè)計洪水流量計算

該橋梁為高速公路大橋，設(shè)計洪水頻率為1/100。采用全國水文分區(qū)經(jīng)驗公式、新疆地區(qū)公路橋涵水文參數(shù)研究經(jīng)驗公式以及面積比擬法三種不同的方法進(jìn)行設(shè)計洪水流量計算，通過對比分析三種不同結(jié)果，合理確定設(shè)計洪水流量。

3.1 全國水文分區(qū)經(jīng)驗公式方法

全國水文分區(qū)經(jīng)驗公式使用范圍為流域面積小于50 000 km2的河流。

經(jīng)驗公式的使用方法：由平均流量，根據(jù)C，n值，求算;再由值，查得值，計算（是指模比系數(shù)）。

根據(jù)《公路橋梁設(shè)計手冊橋位設(shè)計》（第二版），本項目全線水文分區(qū)為天山北坡區(qū)，水文分區(qū)編號74（天山北坡區(qū)）。其中：

按照最不利的參數(shù)計算：

全國水文分區(qū)計算公式自身的平均誤差統(tǒng)計值為45%，最大誤差為129%。

在1：50 000的地形圖上勾繪出集水面積為257.4 km2，根據(jù)全國水文分區(qū)經(jīng)驗公式計算出設(shè)計洪水流量結(jié)果為243.9 m3/s。

3.2 新疆地區(qū)公路橋涵水文參數(shù)研究經(jīng)驗公式

按照新疆地區(qū)公路橋涵水文參數(shù)研究中的設(shè)計流量參數(shù)Qo、Cv、Cs及分區(qū)經(jīng)驗公式的研制成果：由平均流量，根據(jù)C，n值，求算;再由值，查得值，計算（是指模比系數(shù)）。

本項目全線水文分區(qū)為天山北坡區(qū)，水文分區(qū)編號74-1。其中：

按照最不利的參數(shù)計算：

新疆水文參數(shù)取自《新疆橋涵水文參數(shù)研究》中的第74-1分區(qū)（天山北坡博樂精河木壘分區(qū)），新疆水文分區(qū)計算公式自身的平均統(tǒng)計誤差為42%，最大誤差為92%。

在1：50 000的地形圖上勾繪出集水面積為257.4 km2，根據(jù)新疆地區(qū)公路橋涵水文參數(shù)研究經(jīng)驗公式計算出設(shè)計洪水流量結(jié)果為229.2 m3/s。

3.3 面積比擬法

3.3.1 出山口設(shè)計洪峰流量

該橋涉及的小東溝、張家溝，均位于板房溝河與烏魯木齊河?xùn)|側(cè)，其出山口斷面以上控制流域面積分別為194 km2、11.3 km2;以附近烏魯木齊河英雄橋水文站為參照站，英雄橋水文站控制流域面積924 km2。以英雄橋水文站設(shè)計洪峰流量成果為參證，采用面積比擬法計算各河溝出山口斷面處的設(shè)計洪峰流量，計算過程中，面積指數(shù)取2/3。

經(jīng)計算，各河溝出山口斷面處設(shè)計洪峰流量成果如表1所示。

3.3.2 橋位斷面設(shè)計洪峰流量

小東溝、張家溝經(jīng)山前沖洪積扇的汊流、衰減后，到達(dá)橋位附近。橋位處修建有簡易導(dǎo)流堤，將上游來洪逐步由西南向東北方向歸集并導(dǎo)流至柴窩堡湖中，本橋梁跨越斷面位于導(dǎo)流堤中段。由于上游來洪較為散亂，不能確定洪水在導(dǎo)流堤沿程的匯入分布情況，偏安全考慮，按所有洪水均在橋梁跨越斷面上游匯入導(dǎo)流堤計算。

出山口以下河段洪水衰減分析：

小東溝、張家溝洪水經(jīng)出山口后到橋位斷面的沿程衰減規(guī)律，參考附近區(qū)域烏魯木齊河河道衰減系數(shù)進(jìn)行計算。

根據(jù)烏魯木齊河英雄橋水文站和烏拉泊水文站實測洪水洪峰流量觀測資料分析計算，洪水的平均相對損失率為35.9%，平均每公里相對損失率為0.747%。洪水觀測資料及衰減分析過程見表2。

參考烏魯木齊河洪水沿程衰減規(guī)律，小東溝出山口至橋梁跨越斷面15.1 km，按每公里相對損失率0.747%計算，小東溝出山口至橋梁跨越斷面洪峰損失11.2%，衰減系數(shù)為0.888;張家溝出山口至橋梁跨越斷面13.4 km，按每公里相對損失率0.747%計算，張家溝出山口至橋梁跨越斷面洪峰損失10.0%，衰減系數(shù)為0.9。

按以上分析的衰減系數(shù)，分別計算小東溝、張家溝經(jīng)衰減后到達(dá)橋梁斷面的設(shè)計洪峰流量，再將損失后的小東溝、張家溝設(shè)計洪峰流量疊加，求得橋梁跨越斷面處設(shè)計洪峰流量，成果如表3所示。

3.4 設(shè)計洪水流量計算

針對該橋分別采用了全國水文分區(qū)經(jīng)驗公式、新疆地區(qū)公路橋涵水文參數(shù)研究經(jīng)驗公式以及面積比擬法三種不同的方法進(jìn)行設(shè)計洪水流量計算，三種方法計算成果如表4所示。

比對各方法計算成果，以本工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)P=1%計算成果分析，可知以新疆地區(qū)公路橋涵水文參數(shù)研究經(jīng)驗公式計算結(jié)果最小，以面積比擬法計算結(jié)果最大，極差為平均值的10%左右，其中全國水文分區(qū)經(jīng)驗公式法與面積比擬法計算結(jié)果偏差4.35%，三種計算方法成果相差不大。最終偏安全采用面積比擬法計算結(jié)果，即該橋百年一遇設(shè)計洪水流量為255 m3/s。

4 結(jié)語

本橋所跨越河流上下游無水文站觀測資料，不能得到可靠的觀測數(shù)據(jù)，通過采用水文分區(qū)經(jīng)驗公式和面積比擬法推算出設(shè)計洪水流量，經(jīng)相互對比，可知推算結(jié)果比較接近。本文所采用的推算設(shè)計洪水流量的方法，可以為西北地區(qū)缺乏流量觀測資料的河流推算設(shè)計洪水流量提供參考。

一般來說，利用間接的或經(jīng)驗性的資料計算的洪水流量結(jié)果比較粗略，實際應(yīng)用時，宜采用多種方法計算，經(jīng)分析比較，最終選擇一個比較合理的數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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