王 升

我国是一个幅员辽阔、河川纵横的国家,在铁路建设中,铁路通过的地区要跨越不计其数的大小河流,需要建设桥涵使洪水顺利排泄。由于小流域暴雨径流是确定桥涵孔径的主要依据,因此,小流域暴雨径流计算的精度与铁路免遭水害关系密切。

铁路部门暴雨径流计算,经过多年的时间和洪水考验,逐渐地建立了各地区的计算公式,但由于各地区地形地貌与气候复杂多样,需要结合大量的暴雨和径流实验观测资料,逐渐的提高计算公式的准确性。

1 地形地貌

牡丹江—穆棱地区主要为低山丘陵区域,山势较陡峭,峰峦连绵,切割深度较大,高差多在300 m左右,植被发育,海拔高程在600 m～1100 m。

2 气候

流域位于东北多雨地区,气候为太平洋季风及西伯利亚高气压影响决定。夏季暴雨和大雨是本流域的主要径流来源。

3 降雨

本区属中温带湿润季风气候区(按对铁路工程影响气候分区为严寒地区),冬季严寒干燥漫长,夏季湿热短暂,春秋季多风。历年平均降水量531.0 mm,历年年平均蒸发量1223.3 mm,历年平均相对湿度66%。由于该段区域地势为丘陵地区,坡陡水急,暴雨量集中,汇流时间较短,所以流量较大。

4 验证过程

本次选用了铁三院法丘陵区、地方公式法、形态法来最终确定该地区的小径流公式。由于附近地区变化有较大差异,本次选取四处有代表性的工点进行验证工作。

4.1 形态法简介

1)调查的准备阶段:在1∶50000的军用图上沿线路方向,在靠近线路的两侧选择河道顺直的沟渠,勾绘流域面积F。沟渠附近最好有人居住,可以向当地人调查洪水位。特殊情况下,只有通过现场观察洪痕及历史资料确定洪水位及其周期。2)调查过程:找到军用图所选沟渠的地点,向当地老乡询问相应年份的洪水情况,并指出洪水位,作为我们计算的基本依据。同一年份最好在一定距离内(不同地点)指出两个或三个洪水位,作为验证是否准确的依据。3)勘测阶段:间隔100 m左右,做两个规则的水文断面,并在一定范围内做水坡,水坡范围必须包括两个水文断面及调查的洪水位点。测水坡时,将洪水位点的高程也同时测出,其中断面及洪水位点的位置应记录明确,用于确定断面处的洪水位。4)计算阶段:计算外业测回的数据,画出两个断面图及水坡图,将洪水位点的高程换算到相应的断面处,利用水文计算程序计算出相应年份的洪水流量。确定相应年份流量的重现期(根据地方水文资料及实际了解的情况),应用形态法计算调查重现期的流量,查黑龙江省《水文图集》最大流量离差系数Cv等值线的数值为1.3,再查铁三院《水文手册》附录六,求得换算系数X(T1/T2),最终算出百年的设计流量,计算结果见表1。

表1 牡丹江—穆棱区域形态法计算结果

4.2 地方公式

公式推导:

根据《黑龙江省水文图集》中“洪水图集”的概化过程线法推求设计洪水。

设计最大流量:Qp=Kp/K5%(Cp×F0.67)。

其中,F为汇水面积,km2;Kp为不同频率模比系数,由皮尔逊Ⅲ型曲线值表查得;K5%为20年一遇的模比系数,由皮尔逊Ⅲ型曲线值表查得;Cp为最大流量参数,由“图集”中最大流量参数等值曲线图查得;Cv为最大流量变差系数,由“图集”中最大流量变差数等值曲线图查得。

在牡丹江市水务局得知,该流域Cs/Cv=2.0。因此推出:

在小流域设计洪水方面,黑龙江推理公式法是运用经验相关与成因推理相结合的途径推求设计洪水,这种方法比单独用经验相关与单独用推理公式推求设计洪水效果较好,方法亦更简便、实用。

4.3 铁三院公式法

牡丹江—穆棱地区山丘区域:

其中,L4为流域长度,从分水岭算起,km;I4为流域坡度,从分水岭算起,用加权法计算;C2为参数,可按下式计算:

其中,β0,r0,m0,A4均为参数,可从《桥渡水文》查取。

表2 牡丹江—穆棱区域铁三院公式法计算结果

表3 牡丹江—穆棱区域各公式与形态法结果比较

由于本段区域介于铁三院公式法的4类土与5类土之间,所以需综合比较。

4类时:A4=10,m0=0.25,N0=0.30,β0=0.52,γ0=0.45。

计算公式如下:

4.5 类(取4类和5类均值)的取值:

计算公式如下:

其中,g0为参数,可按下式计算:

铁三院公式法计算结果见表2。

5 结语

对形态法、地方公式、铁三院公式的计算结果比较见表3,得出结论,牡丹江—穆棱地区对于汇水面积小于100 km2的小流域,铁三院公式法系数按4.5类计算结果与实际地区暴雨径流的汇水流量比较接近,所以应选取铁三院公式法4.5类作为本地区的暴雨径流的流量计算公式。

[1]黑龙江省水文总站,黑龙江省水利勘测设计院.黑龙江省水文图集[M].哈尔滨:黑龙江省水文总站出版社,2006.

[2]铁道第三勘察设计院桥梁处.桥渡水文[M].北京:中国铁道出版社,2001.