西南地区复杂山区成达万高铁水文计算分析

刘驰昊

(中铁工程设计咨询集团有限公司 北京 100044)

1 工程概况

成都至达州至万州高速铁路(简称成达万高铁)横贯四川盆地，线路主要途径四川省境内，沿线水系均属长江水系，水系发育，河流、水库众多。线路于达州市渠县北部跨越渠江水系。渠江系嘉陵江一级支流，流域总面积39 220 km2，由巴河、州河两大支流在达州市渠县三汇镇合流而成，通称渠江干流。干流自三汇镇起，经渠县、广安、岳池、合川县注入嘉陵江。成达万铁路渠江水系见图1。

图1 成达万铁路渠江附近水系

2 渠江设计流量及百年水位计算与验证

2.1 渠江水文资料

渠江干流有多个水文站，本项目水文计算[1-5]采用收集的三汇水文站及苟渡口水文站数据。三汇水文站位于可研渠江特大桥桥位上游约30 km处，苟渡口水文站位于桥位下游15.5 km处。观测资料及内容选用见表1。

表1 流域及邻近流域主要水文测站

经分析比较，本次设计选择苟渡口水文站作为水文分析计算的依据站，罗渡溪水文站为水文分析计算的参证站。

2.2 渠江水文分析

(1)历史洪水及重现期

罗渡溪站、苟渡口站历史洪水见表2。

表2 罗渡溪站、苟渡口站历史洪水

(2)苟渡口水文站设计洪水

根据苟渡口水文站1955年～1988年实测洪水资料以及罗渡溪水文站1955年～2004年实测洪水资料，利用苟渡口站和罗渡溪站1958年～1988年的同期最大洪峰流量点绘制相关线，得出相关方程式:

相关系数r＝0.973 2。

根据两站相关关系，由罗渡溪站1989年～2004年的年最大洪峰流量插补出苟渡口站1989年～2004年的年最大洪峰流量。

经插补延长后，苟渡口水文站具有1955年～2004年的洪峰流量系列，加入1847年历史洪水组成不连续序列。历史洪水经验频率:

实测洪水经验频率:

以矩法计算统计参数的初值，采用P-Ⅲ型曲线适线确定统计参数，得到苟渡口水文站设计洪水，成果见表3，频率曲线见图2。

表3 苟渡口水文站各频率设计洪水成果

图2 苟渡口水文站流量频率关系曲线

(3)水利工程

可研桥位处于上游约5.7 km处为南阳滩水电站，属Ⅳ等小(1)型水电站工程。其主要建筑物按4级设计，次要建筑物均按5级设计。枢纽洪水标准为50年一遇洪水设计、300年一遇洪水校核。

2.3 合理性论证

从暴雨分布上看，苟渡口站以上流域多年平均最大一日暴雨量为100.8 mm，而苟渡口、静边站至苟渡口区间流域多年平均最大一日暴雨量为79.9 mm，说明由于从上游巴、州两河至区间暴雨的衰减变化，加之沿程河道调蓄作用造成的洪峰坦化，使洪水均值模数有自上而下减少的趋势，综合反映了流域暴雨洪水特征，符合流域形状、地形、植被等自然因素特点。苟渡口站设计洪水成果与相邻地区水文站的洪水统计参数及设计值比较见表4。从表4中可知，苟渡口站年设计洪水统计参数[6]无异常变化，符合地区变化规律，设计洪水计算成果合理，能够满足工程设计要求。

表4 苟渡口站及邻近流域设计洪水特征值比较

2.4 渠江桥位处设计流量结论

南阳滩电站控制集雨面积F＝31 229 km2，苟渡口水文站控制集雨面积F＝31 626 km2，面积差仅为1.3%。桥位位于上游南阳滩电站和下游苟渡口水文站之间，桥位处设计洪水成果可直接移用苟渡口站成果。桥位处百年一遇渠江流量Q1%＝30 000 m3/s。

由南阳滩电站技术资料，坝址百年一遇的30 000 m3/s流量对应百年水位257 m。实地调查2011年电站洪水位259.635 m，大于257 m。近期调查洪水位大于既有资料水位，将南阳滩电站百年水位修正为259.635 m。渠江三汇至渠河嘴平均比降0.17%，推算至桥位处百年水位H1%＝258.666 m。同样可推求桥位处300年一遇水位H0.33%＝259.766 m。

综上，渠江桥址水文Q1%＝30 000 m3/s，H1%＝258.666 m，H0.33%＝259.766 m。

3 沿线其它河流及小流域流量的确定

本次勘测范围主要位于四川省境内，沿线其它河流及小流域的流量计算采用《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》中推理公式法，并采用铁二院小流域水文计算方法进行对比计算，对部分典型沟谷进行了实地调查测量进行验证。

3.1 四川省经验公式

四川省推理公式法主要采用解析法、图解法及近似法计算最大流量。计算手册中采用解析法联解推理公式法基本公式来推求设计洪峰流量Q[7]。

当全面汇流条件下，τ≤tc。

当部分汇流条件下，τ＞tc。

式中，ψ为洪峰径流系数；S为暴雨雨力，即最大1 h暴雨量(mm/h)；n为暴雨公式指数；F为集雨面积(km2)；L为自出口断面沿主河道至分水岭的河流长度(km)；J为沿L的河道平均坡度；τ为流域汇流时间(h)；τ0为当ψ＝1的流域汇流时间(h)；m为汇流参数；τc为产流历时(h)；μ为产流参数，即产流历时内流域平均入渗强度(mm/h)；θ为流域特征系数。

流域面积F、河长L直接在地形图上量取。平均坡度J需读取河道各转折点的高程Hi和间距Li，按下式计算:

暴雨参数S、n的确定，查取计算手册对应10 min、1 h、6 h、24 h暴雨等值线图，得到不同地区不同历时暴雨雨量，由皮尔逊Ⅲ型频率表查出百年一遇的Kp值，按计算手册中相应公式计算S、n。其中，在历时1/6～1 h范围内的n值标记为n1，在历时1～6 h范围内的n值标记为n2，在历时6～24 h范围内的n值标记为n3，分别按下式计算:

计算过程如下:

(1)在图上量取F、L，计算J；(2)计算θ，确定m值；(3)由暴雨等值线图查算设计频率暴雨雨力S；(4)假定用n2试算，计算τ0，再计算ψ值，判断全面汇流还是部分汇流；(5)计算τ值，判断汇流时间是否与假定一致，不一致时重新试算；(6)计算最大流量Q；(7)校核m值是否与之前确定的m值一致。

3.2 铁二院小流域计算公式

铁二院流量计算公式:

式中，F为集雨面积(km2)；C1为产流参数；ym为径流函数，根据径流因子γ查取，可内插(见表5)。αp为设计暴雨强度(mm/h)，当F≤10 km2时，按αp＝6n1Sp计算；当F＞10 km2时，按αp＝1.413F-0.156n1Sp计算，式中n1为短历时(10 min～1 h)暴雨衰减指数。

表5 径流函数ym(γ)

径流因子γ根据下式计算:

式中，τ为汇流时间(h)，按下式计算:

式中，A3为阻力系数；L3为流域分水岭沿流程至桥涵处距离(km)；I3为流域平均坡度，按计算，式中为流域平均高程的等高线与主槽相交处到出口断面间的距离(km)。

3.3 计算及验证

本次可研从线路沿线选出11处较为典型的沟谷、河流作为小流域验证的工点，采用铁二院法、四川省推理公式法分别计算各处流量，并根据各处调查结果，用形态法进行验证，计算结果见表6～表9。

表6 铁二院法流量计算结果(第一部分)

3.4 计算结果对比

(1)流域面积F＜10 km2的流量公式验证

将6处流域面积F＜10 km2小流域验证工点铁二院法和四川推理公式法计算流量分别与调查形态法推算流量进行对比，见表10～表11。

分析可知，铁二院法与形态法验证偏差基本稳定在10%，推理公式法偏差较大。

表10 形态法流量计算结果

表11 流域面积F＜10 km2的计算结果对比

(2)流域面积F＞10 km2的流量计算验证

将5处流域面积F＞10 km2小流域验证工点铁二院法和四川推理公式法计算流量分别与调查形态法推算流量对比，见表12。

表12 流域面积F＞10 km2的计算结果对比

由表12可知，流域面积小于200 km2时，二院法计算结果与形态法验证基本吻合，推理公式法计算流量明显偏小；流域面积大于200 km2时，二院法与推理公式法计算结果接近，但明显大于形态法验证结果。

4 结束语

(1)流域面积小于10 km2时，二院法计算结果大于推理公式法计算结果，二院法计算结果与形态法验证基本吻合，在汇水面积较大、沟型狭长、雨情较大、地形较平缓沟谷，推理公式法计算流量明显偏小。

(2)流域面积在10～200 km2时，二院法计算结果与形态法验证基本吻合，二院法计算结果大于推理公式法计算结果。在10～50 km2范围内，随流域面积增大，二院法流量增长速率明显快于推理公式法流量增长速率；在50～200 km2范围内，两种方法计算结果逐渐趋近。

(3)流域面积大于200 km2时，二院法计算结果与推理公式法计算结果基本一致，但随着流域面积的增大，受雨量、区域地形多样的影响，实际调查流量明显小于理论计算流量，需结合实地调查、资料比对确定流域内流量。

推理公式法将流域降雨过程与损失过程的差值作为产流过程，并把汇流时间内所产生的径流概化为强度不变的过程，受雨量及地形变化影响较为灵敏，在流域面积较小的情况下易产生突变。铁二院法为铁路专用小流域计算方法，该方法已经大量铁路桥涵实例验证，具有很好的适应性、较强的可靠性，故本线采用二院法计算小流域流量。

成达万高铁沿线所经区域多为丘陵、山地，地形复杂，水系交织，植被茂密，沿线还跨越有涪江、嘉陵江、渠江3条大江及其支流，支流受其倒灌、顶托现象明显。沿线重点桥渡在铁二院法水文计算的基础上，应结合实地调查，最终确定桥涵设计水位。

本次成达万高铁可研项目，通过现场踏勘、调查、测量、计算，总结了川中丘陵区的河流水文特征。根据现场具体情况和收集的水文资料，选择了合理的水文分析方法，并对计算结果进行了详细的分析论证，获得了可靠的设计洪水流量和水位，对四川中部丘陵地区其它铁路项目具有一定的参考价值。