资阳市某公路涵洞水文计算及分析

高菲

（四川省交通勘察设计研究院有限公司，成都 610031）

1 工程概况

四川资阳某一级公路位于四川盆地丘陵地区，地貌为丘陵地貌。工程区丘陵山地地貌分为浅切丘陵、中切丘陵和深切丘陵。主要表现为缓谷浅丘，高差一般不超过30m。中切丘陵地貌高程220～420m，高差30～60m。深切丘陵地貌标高240～550m，相对高差60～100m。项目区属亚热带温暖湿润气候区，具有冬暖、春旱、夏热、秋凉，降水充沛的特点。平均降雨量931.8mm。测区春季雨量小，降雨日数少，夏季雨量多，强度大，秋冬季降雨日数较多，而雨量不大的特点。路线所经区域的地表水主要来源于大气降水。区内年降雨量分布不均匀，雨季（6～9 月）降雨量占全年降雨量的70%以上，导致境内的河流具有汛期洪水暴涨暴落、枯水季节径流很小甚至有断流的特点。

本文对不同汇水面积区域中有无阻水构筑物、不同汇水区域主河沟的选择不同对洪水洪峰设计流量和涵洞孔径的影响做了计算并对结果进行分析。

2 计算依据

水文计算公式繁多，但是该项目处于四川省地区，采用《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》[1]中的推理公式来计算暴雨洪水流量是合理且可靠的。其公式如下：

式中，Q 为最大流量，m3/s；ψ 为洪峰径流系数；S 为暴雨雨力，mm/h；τ 为流域汇流时间，h；n 为暴雨公式指数；F 为集水面积，m2。

工况设置了多种情况：（1）不同流域面积；（2）汇水流域是否考虑已有道路的阻水；（3）汇水流域中不同汇流河道的选取。主要计算和分析其对洪水洪峰流量的影响和涵洞孔径的影响，从而得出最优设计方案。

本次计算涵洞的汇水面积考虑了3 个流域，分别为2.4km2、4.4km2和21.9km2。公路建设比较完善，汇水区域内，多存在其他公路等构筑物，设计人员在设计时，有时直接就以构筑物（例如，已有的公路等）为界限分水岭来勾绘流域面积。为此，此次汇水区域工况分了考虑区域内构筑物和不考虑区域内构筑物的工况。在计算主河沟比降的时候，常常遇汇水区域内多条河沟的汇水面积和分水岭高程的不同而难以去选定主河沟，特别是汇水流域内不明显的上游沟的选择时，所以此次主河沟的工况只考虑A 和B 两种。A、B 分别表示该汇水区域内的河沟，A 号河沟分水岭高程值比B 号河沟分水岭高程高，但汇水面积小于B 河沟。上述3 种不同流域所对应的特征值如表1 所示。

表1 各种工况下试验流域的基本特征值

3 计算结果与分析

结合该项目路线地形，对3 个汇水流域不同工况进行计算，根据计算结果得到因主河道选择的不同而造成的不同设计洪水频率下洪峰流量差值关系图，具体见图1a、图1b。

由图1a 可得，同一流域面积内，主河道选取的不同造成了洪水洪峰流量的不同，在同一设计频率下，流量差值随着汇水面积的增大而增大；在同一汇水面积下，随着洪水设计频率的减小而增大，设计频率为2%是分界点，设计频率小于2%，随着频率的减小，流量差值表现为增加较快，设计频率大于2%，随着频率的增大，流量差值表现为缓慢减小。

图1b 为以所有汇水流域内A 河道为主河道，考虑汇水区域内已有构筑物和不考虑2 种情况下计算出的流量差与设计频率关系图。由图1b 可得，同一设计频率下，流量差值随着流域面积的增大而增大；相同汇水面积下，随着设计频率的增大而减小，且设计频率越小，差值标线为急剧增大，设计频率越大，差值缓慢变小。设计频率为2%是分界点，设计频率小于2%，随着频率的减小，流量差值表现为增加较快，设计频率大于2%，随着频率的增大，流量差值表现为缓慢减小，且流域面积越大，该分界点越明显。

图1 不同主河道下设计频率与流量差值的关系

计算3 个汇水流域内同一设计频率下，不同主河道的选择、是否考虑已有构筑物并以构筑物为流域边线对涵洞孔径计算的影响，以无压力涵洞为例。

采用《桥涵水文》[2]及JTG/T D65-04—2007《公路涵洞设计细则》[3]中的公式进行计算，见式（2）：

式中，Q1为过涵流量，m3/s；ε 为压缩系数，取1.0；φ 为流速系数，取0.95；Ak为过水面积，m2；g 为重力加速度，取9.80m/s2；H0为涵前总水头，m；hk为涵洞进口附近临界断面的水深，m。

涵洞孔径计算成果如表2 所示。在不考虑区域内构筑物的情况下，选择不同的河道，对涵洞孔径都造成了影响，河沟的分水岭高程越高，洪水洪峰流量越大，涵洞孔径设计就越大。在主河道选择相同的情况下，不考虑区域内构筑物比考虑区域内构筑物所计算得出的涵洞孔径大得多。

表2 涵洞孔径计算成果表

4 结语

对比上述工况下洪水洪峰流量和涵洞孔径的计算结果，可得以下结论：在计算流域的洪水洪峰流量时，汇水流域内主河道选择尤为重要，在面对汇水流域内不明显的上游沟的选择时，其分水岭高程对洪峰设计流量影响比其集水面积影响更大，随着流域面积的增大，此现象表现得更为明显。

很多中小流域既无水文观测资料，又无可参照的构造物，在工程项目建设中，每年暴雨时节，常有公路水毁、涵洞堵塞而造成的洪灾发生，从工程安全角度和宽容性设计角度考虑及经济、合理的设计原则出发，在工程设计计算洪水洪峰流量时，应选择上游沟分水岭高程最高的作为主河道，从而进行洪水洪峰流量计算；当汇水区域内有既有的构筑物时，应不考虑阻水影响，按天然汇水区域来进行计算。