形態勘測法要點簡述及在南昆鐵路擴能改造工程初測中的運用

1 小流域設計流量計算的常用方法

在鐵路建設中，線路跨越大小河流溝渠，為使行洪順暢需設立各種樣式的橋涵進行排洪。對于數量較少的大江大河，沿河縣市一般設有水文觀測站，通過收集水文站的歷史洪水觀測數據，根據數理統計的方法推算出設計流量。對于數量眾多的小流域（即小河及小溝渠的統稱），一般不設有水文觀測站，因此無法通過數理統計的方法推算出設計流量。我國是一個鐵路大國，截至2015年年底，中國鐵路營業總里程達12.1萬公里，規模居世界第二；其中高速鐵路1.9萬公里，位居世界第一。然而，我國地形多種多樣，有雄偉的高原、起伏的山嶺、廣闊的平原、低緩的丘陵，還有四周群山環抱、中間低平的大小盆地。受限于不同地區天差地別的氣候及地理條件，全國不同地區、不同部門總結出數量眾多的設計流量計算方法，如：鐵路部門暴雨徑流計算（包括鐵一院法、鐵二院法、鐵三院法、鐵四院法，適用于全國不同地區）、水利部門暴雨徑流計算（常用推理公式法，適用于無洪水資料而只有暴雨記錄的地區）、公路部門暴雨徑流計算、結合現場具體情況加以驗證（形態勘測法）等。適用于鐵路工程的小流域暴雨徑流計算方法主要有：推理公式法、各鐵路設計院法、形態勘測法。在眾多的小流域設計流量計算方法中，形態勘測法具有計算精度較高的特點，歷來在鐵路和公路勘察設計中有較為廣泛的使用。以下簡述形態勘測法原理、步驟及結合工程實例介紹形態勘測法在小流域設計流量計算中的運用。

2 形態勘測法要點簡述

2.1 形態勘測法原理

所謂形態勘測法是用調查河槽形態與歷史洪水位的手段，取得河槽某一過水斷面在該洪水位下的過水面積、平均流速及洪水頻率資料，據以推算橋涵處設計流量的方法。目前，主要通過建立形態斷面，并繪制形態斷面圖，確定主河溝的糙率，主河溝平均坡度，有條件時實測水位與流速。結合形態斷面進行洪水調查，確定比較可靠的某一歷史洪水位及相應的頻率。同時確定歷史洪水位在形態斷面上的過水面積與相應的比降等資料。推算形態斷面上的歷史洪峰流量，進而求得規定的頻率的設計流量。

2.2 形態勘測法步驟

步驟如下：①選定水文形態斷面；②形態斷面及河道調查。調查內容包括：歷史洪水位及頻率調查、形態斷面測量、洪水（或河床）比降測量、河床形態調查及糙率的確定等內容；③形態斷面處流量計算；④頻率換算。將形態斷面的流量換算為設計頻率的流量；⑤橋（涵）址換算。將形態斷面的設計流量換算為橋址斷面的設計流量。

3 工程實例

南昆線百色（含）至威舍（含）段擴能改造工程，正線全長286.39km，設計時速120km/h，既有線維持現狀。全線共有橋梁193座，小橋涵456座，其中排洪功能的橋涵占比超過75%，數量眾多的橋涵，其孔徑及類型需根據設計流量確定。鐵路工程的選線、標高及投資，往往受橋涵的孔徑及類型控制。初測中，采用形態勘測法計算及確定小流域的設計流量。以下簡述那迷水文驗證工點運用形態勘測法推算設計流量的過程。

3.1 選定水文形態斷面

水文斷面的選取在形態勘測法中尤為重要。水文斷面宜選在水流順直、河床穩定、沖淤變化小、岸坡穩定的河段上且宜與主槽及河灘流向垂直。南昆線百色至威舍段擴能改造工程為增建第二線，故在不受既有橋影響的河段上選擇Ⅰ-Ⅰ水文斷面，并于橋渡附近選擇Ⅱ-Ⅱ水文斷面。

3.2 形態斷面及河道調查

為了解洪水行洪過程，確定洪水的經驗頻率，現場調查各次大洪水發生的時間、大小和稀遇程度，以及洪水時的雨情、水情與災情、洪痕水位。河道調查主要是一些影響過水斷面積、水面曲線及河床糙率等的基本因素。河道變化很大時，不能作為洪水調查河段。勘測中沿橋位附近選擇較為順直的河段調查到兩個年代（1998年、2016年）的洪水位；其中1998年洪水位點4個，自上游至下游對應河道里程及標高分別為 HK+350（218.2m）、HK+550（275.05m）、HK+705（368.63m）、HK+795（265.81m）；2016年洪水位點5個，自上游至下游對應河道里程及標高分別為 HK+285（281.72m）、HK+615（271.58m）、HK+705（267.29m）、HK+795（264.45m）、HK+855（262.57m）。根據調查情況并查閱當地相關記錄分析，1998年洪水相當于25年一遇，2016年洪水相當于2年一遇。此外，勘測中實測了近1.2公里長的水面坡及Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ兩個形態斷面，并調查河床形態。

3.3 形態斷面處流量計算

（1）洪水水面坡計算。取可靠洪痕點分析計算得：1998年洪水水面坡降為0.03075，2016年洪水水面坡降為0.031。

（2）Ⅰ-Ⅰ形態斷面處洪水位三要素推算。Ⅰ-Ⅰ形態斷面對應河道里程 HK0+295，計算得1998年洪水位標高為282.89m，2016年洪水位標高為281.41m。采用曼寧-謝才公式計算左、右河灘與河槽各過水面積的平均流速。

m—粗糙系數，m=1/n（n為糙率）查表可得；R—水力半徑（m），R=ω/ρ，即等于過水斷面ω與濕周長度ρ之比；i—該河段洪水比降，以小數計（無法獲得時，可近似以河溝底縱坡代替）；

計算出流速后按下式計算流量（m/s）：

式中：V1、V2、V3—分別為河槽及左右河灘部分的平均流速（m/s）；

ω1、ω2、ω3—分別為河槽及左右河灘部分的過水面積（m2）

現場調查可見邊灘平面較不夠平順，坡度較緩，長有稠密灌木叢和雜草；河床為卵石、礫石河床，溝坎植被較密。取邊灘糙率1/n=8～12，主槽糙率1/n=20。分別采用相應歷史洪水水面坡計算得Ⅰ-Ⅰ形態斷面處兩個洪水年代的相應流量為：Q1998=144.66m3/s、Q2016=29.97m3/s。

（3）頻率換算。由調查分析的T1998=25年，T2016=2年。

由Q25/Q2=Q1998/Q2016=4.83，查《橋渡水文》附表6—1得：CV=1.0。

與Ⅱ-Ⅱ形態斷面Cv=1.0相吻合，綜合考慮本溝取CV=1.0。

由 CV=1.0，T1=50，T2=25查《橋渡水文》附表 6—10表得：XT1/T2=1.22

則 Q2%=1.22×144.66=176.49m3/s

由 CV=1.1，T1=100，T2=25查《橋渡水文》附表 6—10表得：XT1/T2=1.45

則 Q1%=1.45×144.66=209.76m3/s

根據Q1%=209.76m3/s、Q2%=176.49m3/s在點繪出的H～Q、H～V曲線求得Ⅰ-Ⅰ形態斷面三要素為：Q1%=209.76m3/s、H1%=283.41m、V1%=7.28m/s；Q2%=176.49m3/s、H2%=283.16m、V2%=6.88m/s。

（4）Ⅱ-Ⅱ形態斷面處洪水位三要素推算。Ⅱ-Ⅱ形態斷面對應河道里程 HK0+860，計算得1998年洪水位標高為263.77m，2016年洪水位標高為262.37m。同理，經計算得Ⅱ-Ⅱ形態斷面處兩個洪水年代的相應流量Q1998=152.15m3/s、Q2016=31.31m3/s。同Ⅰ-Ⅰ形態斷面推算過程，得Ⅱ-Ⅱ形態斷面三要素為：Q1%=220.62m3/s、H1%=264.27m、V1%=6.92m/s；Q2%=185.62m3/s、H2%=264.03m、V2%=6.54m/s。

（5）形態勘測法與鐵二院法對比。從表1可以看出：當F＞10km2，產流系數C1取0.8，阻力系數A3取1.5，最大雨強a2%取200mm/h時，形態勘測法與鐵二院法兩者計算結果很接近，兩形態斷面處形態勘測法與鐵二院法計算結果差值均在±5%以內。因此，形態勘測法與鐵二院法得到了很好的相互驗證。

表1 形態勘測法與“鐵二院法”結果比較表

（6）橋位處水文三要素計算。橋位于Ⅱ-Ⅱ形態斷面下游30m處，橋位距Ⅱ-Ⅱ形態斷面較近，且中間無大的支流匯入，因此直接利用Ⅱ-Ⅱ形態斷面流量、流速計算結果作為該橋位處設計流量、流速，即：Q1%=220.62m3/s、V1%=6.92m/s。

橋位處的設計水位，根據Ⅱ-Ⅱ形態斷面設計水位利用i1%=0.03133推算而得：H1%=264.27+0.03133×（860-885）=263.49m。

4 結束語

形態勘測法廣泛運用于缺少水文實測資料的地區，在南昆線百色至威舍段擴能改造工程初測勘察工作得到了很好的運用。必須指出的是，由于人的主觀性和認識的局限性以及水文現象的復制性，對形態勘測法的計算成果有較大影響。因此要求使用者綜合分析各種調查資料，計算過程中合理選擇各個計算參數，才能計算得出可靠合理的設計流量。

［1］TB 10017-1999鐵路工程水文勘測設計規范［S］.

［2］鐵道部第三勘測設計院.鐵路工程設計手冊（橋渡水文）［M］.北京：中國鐵道出版社，1993.

［3］王中強，文雨松.原始斷面的模糊識辨方法［J］.鐵道科學與工程學報，2002，20（3）：30-34.