自貢市高鐵連接線小流域涵洞水文計算

羊麗萍 楊 清

(1.天津市市政工程設計研究院四川分院，四川 成都 610041； 2.天津市市政工程設計研究院，四川 成都 610041)

1 工程概況

自貢市東部新城高鐵連接線是支撐東部新城開發建設的重要基礎設施，將對東部新城的開發建設起到引擎推動作用，支撐城市向東拓展。是東部新城骨干路網的重要組成部分，將與其他主要道路一起構成東部新城完整的交通格局；高鐵連接線基本沿釜溪河而建，是支撐高鐵東站對外出行的重要基礎設施，是高鐵東站聯系主城區及遠地區的快速通道。

高鐵連接線沿線地形高差較大，多次跨越河道、溝谷、沖溝、池塘等現狀低凹處。跨越河道采用橋梁結構，跨越溝谷、沖溝、池塘處按實際情況考慮填方成路基段或設置小型過路排水構筑物。由于周邊地塊開發，對于臨時涵洞采用圓管涵排水；對于永久性連接主線兩側水域的，考慮到道路寬度較長，采用箱涵結構。結合排水系統需要，根據實際調查，本次共布置4道排水箱涵。地形情況和箱涵布置位置詳見圖1。

2 涵洞水文計算

根據自貢市防洪規劃，確定自貢市防洪標準為50年一遇洪水。涵洞設計標準與防洪標準一致。

涵洞水文計算方法一般包含暴雨強度公式法、暴雨推理法、徑流形成法、形態調研法、直接類比法、經驗公式法等。排洪涵洞屬于小匯水面積上的排水構筑物，一般情況下，小匯水面積沒有實測的流量資料，所需的設計洪水往往用實測暴雨資料間接推求。并假定暴雨與其所形成的洪水流量同頻率。本次設計涵洞主要用于滿足被高鐵連接線截斷的沖溝的過水要求，同時考慮到自貢東部新城屬微丘地區，匯水面積一般均不到1 km2，平時水小甚至干枯；汛期水量急增，急流快，每個涵洞匯水面積有所差異，不宜采用直接類比法推算涵洞孔徑，本文采用暴雨強度公式法、徑流形成法和經驗公式法對涵洞進行水文計算。

涵洞1匯流面積0.64 ha，涵洞2匯流面積1.74 ha，涵洞3匯流面積3.51 ha，涵洞4匯流面積6.43 ha。本文以涵洞4為例進行流量計算，具體情況如圖2所示。

2.1 暴雨強度公式法[1]

采用自貢市修正后的暴雨強度公式計算流量。涵洞設計重現期采用50年一遇，根據區域地形條件地面集水時間取t1=5 min，設計涵洞過水均屬于山區匯水，根據植被情況和徑流坡度，取用徑流系數φ=0.4。

設計暴雨強度：

設計流量：Q=φ·q·F=0.4×558.387×6.43/1 000=1.436 m3/s。

2.2 暴雨推理法[2]

暴雨推理法是一種半理論半經驗的計算方法，通過損失參數和匯流時間，體現地區差異性。本文采用四川省中小流域暴雨洪水計算方法。

其中，Q為最大流量，m3/s；ψ為洪峰徑流系數；S為暴雨雨力，即最大1 h暴雨量，mm/h；n為暴雨公式指數；F為集水面積，km2；L為自出口斷面沿主河道至分水嶺的河流長度，km；J為沿L的河道平均坡度；τ為流域匯流時間，h；τ0為當ψ=1的流域匯流時間，h；tc為產流歷時，h；μ為產流參數，即產流歷時內流域平均入滲強度，mm/h；m為匯流參數。

根據自貢市所在分區特征，查相應的各時段暴雨參數等值線圖，得設計暴雨成果見表1。

表1 設計暴雨計算成果表

此涵洞F=6.43 ha，L=0.245 km，J=0.106。根據自貢市所在分區特征，按上式計算得θ=1.03，匯流參數m=0.40·θ0.204=0.40，暴雨公式指數n1=0.44，n2=0.65，n3=0.72，此涵洞匯流面積較小，先按照n1進行試算，暴雨雨力S=104 mm/h，τ0=0.26 h，產流參數μ=4.8·F-0.19=8.09 mm/h，得出為全面匯流，洪峰徑流系數ψ=0.95。

2.3 經驗公式法[3]

匯水面積小于10 km2時，可采用公路科學研究所的經驗公式。

Qp=KFn。

其中，Qp為規定頻率為P%時的雨洪設計流量，m3/s；K為徑流模數，根據地區劃分及設計標準查取；n為面積指數，當F≤1 km2時，n=1。

根據城鎮防洪查表得K=19.2，F=6.43 ha，n=1。

設計流量：Qp=KFn=19.2×(6.43/1 000)=1.235 4 m3/s。

2.4 徑流形成法[4]

徑流形成法是目前公路部門普遍使用的一種計算方法，其徑流成因簡化公式適用于匯流面積F≤30 km2的小流域。

其中，Qp為規定頻率為P%時的雨洪設計流量，m3/s；φ為地貌系數；h為徑流厚度，由暴雨分區、規定頻率P%、土的吸水類屬，以及匯流時間確定，mm；z為被植物或坑洼滯留的徑流厚度，mm；F為匯水面積，km2；β為洪峰傳播的流量折減系數；γ為匯水區降雨量不均勻的折減系數，以匯水區的長度或寬度中小者計；δ為小水庫(湖泊)調節作用影響洪峰流量的折減系數。

根據公路涵洞設計細則附表得：φ=0.09，h=45 mm，z=10 mm，F=6.43 ha，β=1，γ=1，δ=0.99。

設計流量：Qp=2.054 m3/s。

綜上，考慮到暴雨推求公式更適用于匯流面積小于100 km2的河溝，本文設計涵洞匯流面積過小，采用徑流形成法所算得的流量Qp=2.054 m3/s。

3 涵洞孔徑驗算[4]

涵洞4斷面尺寸為B×H=3 m×3 m，涵底縱坡Id=3%，涵長Lh=88 m，相應的涵內流速為v=0.98 m/s，驗算涵洞斷面過水能力為Q′=A·v=8.82 m3/s>Q=2.054 m3/s。

首先假定按照臨界流狀態驗算涵洞孔徑：

5)涵內收縮斷面處水深hqs=0.9hk=0.9×0.363=0.33 m。

7)涵前雍水位Hy=Hq+hq=1.2+0.525=1.725 m。

8)涵洞出口斷面的設計水位Hs

故假定合理，涵前雍水位小于涵前允許淹沒水位，則涵洞孔徑滿足要求。

4 結語

高鐵連接線范圍內為農田水系村莊，沒有現狀雨水系統和雨水排水設施，現狀雨水基本以無組織散排的形式隨自然地形排入附近水體，高鐵連接線跨越多處沖溝，其中有四處沖溝在道路紅線范圍內部分填為路基段，兩側沖溝通過擬建涵洞連接，涵洞過水流量計算和涵洞尺寸的驗算尤為重要。

1)經比較，采用暴雨強度法、暴雨推理法、地區經驗法、徑流形成法四種方法計算涵洞4防洪流量，地區經驗法和暴雨強度法計算結果相近，暴雨推理法計算結果偏大，保守起見，最終采用徑流形成法的較大流量作為自貢市高鐵連接線涵洞4的防洪流量。

2)擬建涵洞4尺寸為B×H=3 m×3 m，滿足臨界流條件，斷面尺寸滿足過水要求。

3)暴雨推理法計算結果偏大，可能是由于本項目涵洞匯流面積遠遠小于暴雨推理法的適用范圍。

4)暴雨強度法和地區經驗法均可用于涵洞的水文計算，其計算結果有一定的參考意義。

5)通過水文水力計算優化設計，既保證了過水安全性，也提升了項目的經濟效益。