蘭州市排洪溝洪道流量復核及水文計算分析

侯麗萍

（蘭州市城市建設設計院，甘肅 蘭州 730030）

0 前言

蘭州市區分布的排洪溝東起桑園峽包蘭鐵路黃河橋，西至河口蘭新鐵路黃河橋，南以七道梁為界，北部在中鋪子—甘家灘一線，目前已有排洪道主溝81條、支溝959條，危害較嚴重的排洪溝99條。本文以五里鋪洪道為例，對洪道的流量進行復核，并對洪道水文進行分析計算。

1 現狀分析及流量調查

五里鋪排洪溝是蘭州市東區的一條主要排洪溝道（見圖1），為大洪溝的北段，大洪溝源于皋蘭山，流經區域為張家大坑、南山路、鐵路、火車站路、五里鋪橋至雁灘南河道，流域面積2.19 km2。該溝原名老狼溝，拓建于1952年，為土溝，與大洪溝并排匯入黃河，設計流量50 m3/s。1952年進行溝道拓建時將老狼溝沿山根并入大洪溝，1965年大洪溝改線向東并入小洪溝再匯入爛泥溝，老狼溝則利用原大洪溝下游一段作為一條單獨的洪道排洪，更名為大洪溝。

1951年8月14日，蘭州市東盆地一次降雨76.8 mm，歷時18 h，最大小時降雨量27 mm，老狼溝、大洪溝、小洪溝、爛泥溝4條溝道同時爆發大規模泥流，沖出泥沙56萬m3，覆蓋了皋蘭山前至醫學院間約1.6 km2面積。1961年，蘭州市東盆地一次降雨22.2 mm，大洪溝爆發中等規模泥流。強度不同的降雨引起不同規模的泥石流，該溝幾次泥石流的發生與降雨的對應關系見表1。

表1 大洪溝幾次泥石流的發生與降雨的對應關系

沖出的泥沙主要由粘土和粉土構成，并含有少量的砂礫和碎石，按照泥石流性質劃分原則，結合甘肅省科學院地質災害防治研究所提出的《蘭州市滑坡泥石流防災規劃研究報告》，該溝以泥流為主。溝內滑坡發育，固體物質可能補給量在50萬m3/km2以上，一次泥流沖出物質為2～5萬m3，泥流容重在1.6～2.0 t/m3。排泄困難，淤埋嚴重，威脅大，屬于嚴重泥流區。

2 流量核對計算

為了準確求得該溝道的設計流量，我們根據溝道的具體情況，對不同部門各種類型的公式進行了分析、試算和比較，篩選出鐵道科學研究院經驗公式。為了合理選擇設計流量，結合該溝歷史洪水情況，推算100 a一遇的清水流量，再換算成泥石流洪峰流量。通過計算，并根據蘭州市城市建設設計院1995年防汛規劃設計研究以及《甘肅泥石流》記載，該洪道定性為稀性泥流。100 a一遇流量50 m3/s。

3 設計斷面復核

本次設計洪道斷面將以前沿用的單一梯形斷面優化為復式梯形斷面(見圖2)，上口寬為16 m，溝道下底寬為8 m，中間設置2 m寬的過渡平臺，邊坡采用透空的六邊形混凝土格柵進行加固，格柵內植草皮；下梯形斷面深度1.2 m，溝道總深度為3.3～3.5 m。

在進行水文復核計算時，P-Ⅲ型分布曲線的適應性很強，只要參數CV及Cs選用適當，都能與我國洪水相適應，沒有多大差別。由于五里鋪排洪溝的實測洪水，故我們在此采用小金溝的實測資料進行洪水頻率計算，通過適線求得變差系數CV與偏差系數Cs。因為就蘭州地區而言，小金溝的洪水匯水面積、溝道長度、溝床比降、洪水成因都與五里鋪排洪溝有很強的相似性。

3.1 小金溝洪水流量計算

表2為小金溝調查洪水頻率計算表。

多年平均洪峰流量：

表2 小金溝調查洪水頻率計算表

查皮爾遜Ⅲ型曲線的離均系數φp值表，見表3（《橋涵水文》p37頁）。

頻率分布函數公式：

頻率為P的年最大洪峰流量：

通過計算得年最大洪峰流量，見表4。

3.2 五里鋪排洪溝洪水頻率計算中參數的確定

從甘肅省水文圖集中查得CV值在1.0～1.3左右，區域內有資料站的計算值及查圖所得的值，見表5。

根據小金溝洪水頻率計算結果，結合蘭州市區山洪－泥石流設計流量特征，蘭州市區CV值采用1.2，CS/CV值采用2.5較為實際，因此確定五里鋪排洪溝的CV值采用1.2，CS/CV值采用2.5。

3.3 五里鋪排洪溝洪峰流量計算

年最大洪峰流量均值：

式中：F——流域面積，km2；查《蘭州市南北兩山溝道設計洪水計算成果表》得F=2.2 km2。

HM平均——年最大時段雨量均值，mm；查《甘肅省暴雨洪水圖集》得HM平均=17.5mm。

J——干流河道平均坡度，‰；查《蘭州市南北兩山溝道設計洪水計算成果表》得J=328‰。

f——流域形狀系數；f=F/L2，L=主溝道長度；查《蘭州市南北兩山溝道設計洪水計算成果表》得L=3.3 km，f=2.2/（3.3×3.3）=0.20。

K——綜合系數；根據研究，區內溝道流域面積較大，土壤結構、植被類型較為復雜，綜合系數K取值為0.28。

表3 皮爾遜Ⅲ型曲線的離均系數φp值表（1）

表4 年最大洪峰流量（1）

表5 變差系數CV與偏差系數CS統計表

n，m，α，β——指數；根據地理特征、暴雨特征、洪峰流量特征，求得各指數分別為：n=0.6，m=0.75，α=0.16，β=0.08。

查皮爾遜Ⅲ型曲線的離均系數φp值表，見表6（《橋涵水文》p37頁）。

通過計算，得年最大洪峰流量，見表7。

表6 皮爾遜Ⅲ型曲線的離均系數φp值表（2）

表7 年最大洪峰流量（2）

3.4 五里鋪排洪溝下梯形斷面流速計算

根據明渠均勻流公式計算流速，具體如下：

其中：過水面積 ω=10.176；濕周 ρ=10.584；溝底平均縱坡I=0.36%；糙率n=0.025。代入公式：

3.5 流量驗算

當水深為1.2 m時，下梯形護砌斷面可通過的流量為:

五里鋪排洪溝的10 a一遇的流量為20.63m3/s。

由于 Q下＝23.71(m3/s)＞20.63(m3/s)

所以，通過上述計算可知，五里鋪排洪溝下護砌斷面設防標準滿足10 a一遇洪水流量的要求。

3.6 五里鋪排洪溝100 a一遇流量復核計算

五里鋪排洪溝全斷面為復式斷面，下梯形為漿砌塊石護砌，上梯形斷面為格柵植草護坡。本次計算按最不利因素考慮，即全斷面糙率系數均按照草皮護坡取值進行水力計算。

根據明渠均勻流公式計算流速：

其中：過水面積 ω＝32.08；濕周 ρ＝19.04；溝底平均縱坡I＝0.36%；糙率n=0.04。代入公式：

五里鋪排洪溝全斷面可通過的流量為：

五里鋪排洪溝的100 a一遇的流量為50m3/s。

由于 Q全＝68.01(m3/s)＞Q1%＝50(m3/s)，所以，通過上述計算可知，五里鋪排洪溝全斷面設防標準滿足100 a一遇洪水流量的要求。

4 結論

通過以上計算可知，在進行五里鋪排洪溝洪道治理工程設計時，所采用的優化復式斷面既可以滿足城市安全防汛泄洪的要求，又可以有效增加城市綠化用地面積，擴展城市休閑空間，建成生態景觀型洪道。