占壓河道處路基設計標高的確定

龔鳳林 （吉林市市政設計研究院有限責任公司天津一分公司 天津300122）

占壓河道處路基設計標高的確定

龔鳳林 （吉林市市政設計研究院有限責任公司天津一分公司 天津300122）

山區中河溝眾多，且河溝的彎曲度較大，鑒于公路設計時因制約因素較多而產生路基占壓河道的情況，考慮根據相應的原則將河道進行適當改移，并根據地方暴雨資料計算出來的設計流量對新的河槽斷面和路基高度進行結合設計，并使改移河道處路基設計標高高于相應洪水頻率下的洪水水位、洪峰壅水高、波浪侵襲高以及0.5 m安全高度之和，以確保澇季洪水不沒過路面，保障公路安全運營。

山區公路 河道改移 流量計算 路基標高

山區中河溝眾多，河溝彎曲度較大，由于受線形指標、填挖高度、工程地質等制約因素的影響，不可避免的會出現路基占壓低等級河溝的情況。此類小河溝一般流量較小，常年水位很低。對于這種類型的公路設計，可以考慮將主河槽進行適當的改移并采取相應的路基防護措施，但為防止澇水期間洪水漫過路基影響公路運營，應對路基的設計標高進行嚴格的控制。本文以一個設計工點為例進行闡述。

1 工程概況

某條位于河北省張家口的改建二級公路，路基設計寬10.5 m，設計時速60 km/h。由于受整體線形指標的控制，該公路線位在K567+040～K567+400里程范圍內占壓了部分河道，該河道系地方低等級不通航河道，主槽常年最深不到1 m。經1∶50 000地形圖勾繪，占壓河道處河流的匯水面積F為184.3 km2，流域長度L為23.229 km，實測洪水比降i=0.01。河道內淤泥深0.5 m，卵石或者碎石層厚1.5 m，以下為砂礫巖。河槽糙率1/n=25，河灘糙率1/n=20，W（風速）=3 m/s。根據工點實際情況，經過方案分析比選，考慮對主河槽進行適當的改移，改移河道平面圖如圖1所示。

2 河道改移原則

改移河道設計[1]的原理就是對公路占壓的彎曲河道處原有河道進行裁彎取直、挖灘改河、清除弧石等，最終達到增大河道曲線半徑，使河槽繞離公路路基的目的，同時要對新河槽進行水文計算，確定路基高度，并采取相應的邊坡防護措施確保運營安全。河道改移的橫斷面位置關系如圖2。

改移河道平面設計時，應考慮起終點的順接（見圖3），同時也應確保起終點所夾直線長L1≤4B（水面寬），彎曲段長L2≈（12～14）B（水面寬）。當河道設計需要改變寬度時，應滿足變寬段長度 l/b≥6，其中 b=（B2-B1）/2。

新河道的縱坡應是既不沖刷又不淤積的穩定縱坡。由于改河后的河道是新開挖的河道，且改移長度一般不長，為順應水流，一般起點和終點坡度都宜與原河道河底縱坡相順接。若兩縱坡之間坡差不大，可不設豎曲線。

新河道橫斷面設計時應以能容納公路路基的設計洪水頻率的流量為原則，同時應使造床流量水位的河面寬度與原河道的穩定河寬大致相符。河槽橫斷面形狀一般采用梯形。河床斷面上下游斷面不宜相差過大，以免造成跌水或壅水。河床斷面宜按水流經濟斷面確定，并進行適當的防護，防止水流重歸故道。

根據以上設計原則，對本工點河槽進行了適當的改移，改移后的河槽平面圖如圖1所示，縱斷面設計圖如圖4所示。

3 河道水位計算

改移河道后新河道的設計水位會隨著改移后的河槽和河灘位置以及公路設計線位、路基高度、路基寬度等因素發生變化。因此，在確定路基設計標高時，應根據河道改移后的過水斷面計算出的設計水位作為路基控制標高的依據。通常情況下沿河路基邊緣標高應高于設計水位+壅水高+波浪侵襲高+0.5 m的安全高度的規定，[2]而水位計算的一個關鍵參數是河流流量的計算。

3.1 流量計算

最常用的流量計算方法是利用暴雨資料推算設計流量法。[3]該方法是通過流域內雨量站的實測暴雨資料，采用年最大值法，對不同歷時的暴雨量用水文統計法推算設計頻率的暴雨，并利用點面換算公式，得出不同歷時的凈雨量，最后通過地方經驗公式，推求不同設計頻率對應的設計流量。

根據《河北省張家口市水文水資源手冊》，本工點洪水流量的計算采用暴雨資料推算設計流量的方法，采用如下所示的河北省地方推理公式進行流量計算。

式中：Qm—洪峰流量；

t—暴雨歷時；

τ—流域匯流歷時；

Rτ—相當于τ時段的最大凈雨深；

F—流域面積；

J—主河道坡度；

L—主河道長度；

m—經驗匯流參數。

本公路為二級公路，根據文獻[2]的相關規定，計算洪水頻率取1/50。根據文獻[4]中的各時段年最大暴雨多年平均值H的等值線圖和年最大暴雨變差系數等值線圖查出不同歷時t的暴雨量均值H和變差系數CV值，取偏差系數Cs=3.5 CV，根據皮爾遜Ⅲ型模比系數表查K2%，據此求得50年一遇1 h、6 h、24 h點雨量列入下表1：

表1 50年一遇點雨量計算表

根據上表所列數據，通過線性內差求得不同暴雨歷時t的點雨量，通過文獻[3]查得點面折減系數，得到不同歷時的面雨量=點雨量×點面折減系數。查《河北省張家口市水文水資源手冊》中表6-1得出不同歷時凈雨深Rτ，由公式（3）求得經驗匯流參數 m=4.63，利用公式（1）、（2）先求出洪峰流量 Qm及匯水歷時τ，計算過程匯總列入表2。

表2 洪峰流量及匯水歷時計算匯總表

根據表2中數據繪制Qm-t曲線和Qm-τ曲線，兩條曲線的交點橫坐標Q1=493.143 m3/s即為所求的50年一遇洪峰流量。

3.2 河槽截面設計

河槽改移和路基修建以后，要使新的河槽斷面能夠滿足流域流量的要求，就要求河槽有恰當的斷面，此時可以先假定一個水位，并給出一個設計過水斷面，根據設計的河槽縱坡來計算流量Q2，若該流量Q2與之前通過統計方法得到的流量Q1相差超過±5%，[3]則繼續調整斷面尺寸，直到滿足要求為止。

這種根據假定水位來求流量的方法是形態斷面法，該方法是建立在謝才-滿寧公式的基礎之上的，如下式：

式中：V——河流的流速；

n——河流斷面的糙率；

R——斷面的水力半徑，過水面積與濕周之比；

i——河流的洪水比降。則可利用下式計算流量：

式中：ωc、ωt——主槽和邊灘的過水面積；

Vc、Vt——主槽和邊灘的流速；

Qc、Qt——主槽和邊灘的流量。

根據公式（4）、（5）的多次試算結果，假定設計水位為878.1 m，取改河河槽斷面為梯形斷面，頂寬20 m，坡比1∶1，高1.4 m進行水力計算的結果如下表：

表3 河道水力計算表

通過以上計算過程可知：

所以擬定的洪水位H2%=878.1 m可以認為是50年一遇的設計水位。

但是由于水面寬度為90.26 m，小于200 m，所以可以不考慮波浪侵襲高度。[1]再者，改河后洪峰通過方向與路基邊坡順切，路基邊坡并不阻礙洪峰通過，因此可不考慮壅水高度。所以改河處路基的控制標高為：

該工點處路基的設計標高至少需要878.6 m。

4 結語

改移河道與公路路基的結合設計是普通公路設計中經常遇到的情況，特別是對于較低等級的公路，這種設計理念對于控制投資有非常重要的意義。但考慮到澇季期間河溝的洪水位較高可能侵襲路基，甚至淹沒路基影響車輛運營，威脅交通安全，所以改移河道處的路基設計標高必須高于相應頻率下的設計水位、壅水高、波浪侵襲高（水面較寬時）以及0.5 m的安全高度的總和。同時應對占壓在河床上的路基基底進行加固處理，并對路基邊坡采取安全防護措施，以確保路基穩定。■

[1]交通部.公路路基設計手冊（第二版）[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2]公路工程技術標準[S].JTG B01-2003.

[3]張學齡.橋涵水文[M].北京：人民交通出版社，1996.

[4]河北省張家口市水文水資源手冊[Z].

[5]堤防工程設計規范[S].G B 50286-1998.

2012-03-06