高速公路峰叢洼地水位分析

岳建彬，馬鳳杰

1.廣西建設職業技術學院，廣西 南寧 530007

2.廣西北部灣投資集團有限公司，廣西 南寧 530029

1 項目概況

某高速公路項目位于廣西壯族自治區河池市，期間穿越山間洼地，前后分別設置隧道1和隧道2。洼地路線右側靠隧道1出口，洼地邊有一條舊水利渠，該水利渠由明渠和排水隧道組成，全長約1850m。排水隧道前明渠長400m，斷面尺寸為2.0m×1.8m，漿砌片石鋪砌；排水隧道長450m，進口標高263.1m，出口標高262.95m，坡度為0.03%；排水隧道后明渠長度為1000m，斷面尺寸與隧道前相同，漿砌片石鋪砌。水利渠為二十世紀六七十年代興修水利時期修筑，明渠部分於堵嚴重，局部已破壞，嚴重影響到洼地水排泄，排水隧洞基本完好，可步行穿過。該區域地形及結構物布置如圖1所示。

圖1 區域地形與結構物布置圖

2 暴雨強度分析

項目所在地河池市平均年降水量為1470.8mm，受冬、夏季風交替影響，降水量季節分配不均，以夏季最多，冬季最少，春季多于秋季。統計歷年河池市出現的最大日降水量資料，其年際變化如圖2所示。

圖2 河池市日最大降水量年際變化圖

由圖2可知，1955年以來，河池市日最大降水量歷年變化幅度在61.1～252mm。其中，日降水量最大值為252mm，出現在1994年6月12日；其次為219.2mm，出現在1991年6月29日。另根據《廣西小橋涵設計暴雨洪水流量研究報告》，查得項目區域百年一遇最大降水量為110mm/h。依據以上資料，此次計算按110mm/h的暴雨持續2.5h，總降水量達275mm，作為該洼地百年一遇最不利暴雨強度。

3 百年一遇設計流量計算

根據交通運輸部公路科學研究所的暴雨推理公式：

式中：Qp為規定頻率為p時的洪峰流量，m3/s；Sp為頻率為p時的暴雨雨力，查各省（自治區）雨力等值線圖確定，mm/h；τ為匯流時間，h；n為暴雨遞減指數，按各省（自治區）的分區查表確定；μ為損失參數，mm/h；F為匯水面積，km2。

結合該項目實際情況可得，洼地總匯水面積F=0.6km2，主河溝長度L=0.62km，主河溝平均坡度I=85‰，查表廣西山區流域特征參數K=0.56，α=0.306。因此，可計算匯流時間τ：

經計算，τ=0.71h。

該項目所處位置按暴雨遞減指數n值分區屬于Ⅱ區，取n=0.44；Sp為110。可計算損失參數：

經計算，μ=73.44mm/h。

由此可得百年一遇設計流量Q1%=0.278×（110÷0.710.44-73.44）×0.6=9.1m3/s。

4 既有過水隧道排水流量計算

采用既有過水隧道進行排水，其排水流量公式如下：

式中：V為斷面平均流速，m/s；W為過水斷面面積，m2。

根據明渠均勻流曼寧公式：

式中：R為水力半徑，m；n為粗糙系數；I為水力坡度。

隧道尺寸為2m×1.8m，過水斷面W=3.6m2，濕周L=5.6m，水力半徑R為

經計算，R=0.64m。

縱坡I=0.34‰，，則計算得斷面平均流速V=0.92m/s。進而可得既有過水隧道排水流量Q=0.92×3.6=3.3m3/s。

5 洼地水位計算

5.1 考慮暴雨前洼地無積水情況

考慮暴雨前洼地無積水，則當雨力達110mm/h的暴雨持續2.5h，洼地內的水位上升可分為兩個階段，如圖3所示。

圖3 洼地水位上升過程示意圖

第一階段：水位從洼地底部上升至排水隧道入口標高（263.11m），此階段匯水面積內所有的暴雨流量皆流入洼地。

第二階段：水位從隧道入口標高（263.11m）至此次降水最大水位標高，此階段部分暴雨流量通過過水隧道排至洼地外。

首先，考慮第一階段，當水位上升至263.11m，此時洼地容積約62560m3，扣除路基占用體積約13975m3，則剩余庫容為48585m3。若完全不考慮洼地下滲功能，則水位升至263.1m需持續降水時間為T=48585÷9.1÷60÷60=1.48h。其次，考慮第二階段，降水再持續2.5-1.48=1.02h，此時洼地內雨水流入流量為Q1=9.1×1.02×60×60=33415.2m3。

計算雨水通過過水隧道流出量時,考慮到過水隧道從開始排水至全斷面排水需要一個過程，取其排水流量為全斷面流量的一半，即排水流量為3.3÷2=1.65m3/s，則1.04h內，其排水量為Q2=1.65×1.02×60×60=6058.8m3。則洼地內降水凈流入量為Q1-Q2=33415.2-6058.8=27356.4m3。

此時洼地內水位升高約27356.4÷48585=0.56m，水位升至263.11+0.56=263.67m。

5.2 考慮暴雨前洼地已積水情況

考慮更不利情況，假設暴雨前洼地內原水位已至排水隧道入口達263.11m，則持續2.5h暴雨時洼地內雨水流入流量為Q1=9.1×2.5×60×60=81900m3。

計算雨水通過過水隧道流出量時，仍按排水流量1.65m3/s計，則2.5h內排水量為Q2=1.65×2.5×60×60=14850m3。則洼地內降水凈流入量為Q1-Q2=81900-14850=67050m3。

此時洼地內水位升高約67050÷48585=1.38m，水位升至263.11+1.38=264.49m。

5.3 結論

最不利降水情況下，在保持既有過水渠暢通的條件下，洼地百年一遇計算水位可取264.49m，結合勘察調查水位，可取洼地段路基百年一遇設計水位標高為265m。

6 結束語

文章以廣西壯族自治區喀斯特峰叢山區某高速公路穿越一洼地項目為例，開展了洼地水位方案設計，提供了一種復雜條件下高速公路設計水位計算思路，可供類似工程參考。