形态调查法在小桥涵设计流量确定中的应用.doc

形态调查法在小桥涵设计流量中的应用
Application of Morphometric Investigation in the Design of miner Bridge Hydrometry
叶茂Ye Mao
（中铁第一勘察设计院集团有限公司 陕西西安 710043）
(China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd. Xi’an Shaanxi 710043)

摘 要：根据西成客运专线勘察工作，探讨了形态调查法在小桥涵设计流量计算中的重要作用，通过工程具体实例的对比分析，证明了形态调查法具有精度高的特点。
Abstract: according to survey on special passenger line from Xi’an to Chengdu, the article mainly discusses the important role of morphometric investigation in the design of miner bridge hydrometry. Meanwhile, it also evidences the characteristic of high accuracy of morphometric investigation by means of comparative analysis on real instances in construction.
关键词：形态调查法；小桥涵；设计流量；水文
Key words: Morphometric Investigation, miner bridge, design of hydrometry, hydrology
一、引言
我国是一个幅员辽阔、地势多样、地貌复杂、河川众多的国家。在铁路建设中，线路通过地区要跨越若干的大小河流溪沟，需要修建各式桥涵使洪水顺利排泄。对于大江、大河，其上一般都建有水文站，可以通过搜集水文站的观测数据，根据数理统计的方法计算出设计流量；而对于数量众多的小沟、小渠、小河等，也即通常所谓的小流域，由于不可能设置水文观测站，也就无法通过数理统计法确定其流量。
在铁路建设中，对整体铁路来说，因小桥涵分布全线，工程量占很大比重。根据统计资料，一般平原区为每公里3至6座，山区为5至10座，小桥涵投资一般占到铁路总投资的15%至21%。此外，小桥涵的布置与设计是否合理，对整条铁路的质量和正常使用也影响很大，而小桥涵设计质量的基础，是如何较为准确的计算设计流量。
由于小桥涵对铁路建设投资和质量有很大影响，相应地，如何准确的确定小流域的设计流量也就显得非常重要和迫切。根据西成客专等几条铁路外业勘察工作，在众多的小流域设计流量计算方法中，形态调查法是一种计算精度较高的一种方法，宜在铁路乃至公路勘察设计中推广使用。
二、常用的小流域设计流量计算方法
设计流量是确定桥涵孔径及类型的基本依据。由于我国幅员辽阔，不同地区情况天差万别，因而很难找到一种普遍适用于全国的简单的方法和计算公式。理论上，计算设计流量的公式有几十种，各自有不同的适用范围及优缺点，计算工作量相差也很悬殊。但适合于铁路实际工作的常用方法主要有以下几种：地区经验公式法、各铁路设计院法、形态调查法。
1、 地区经验公式法：就是按照本地区的经验公式进行计算，公式模型一般为Q=C*Fn 。
2、 各铁路设计法：就是各个设计使用的方法，包括一院法、二院法、三院法四院法，分别适用于全国不同的地区。
3、 形态调查法：就是选取典型的流域，实地调查历史洪水，实测断面、河床坡度，推算设计流量。
上述几种方法的优缺点比较如下表：
方法
优点
缺点
1、地区经验公式法
公式简单、使用方便
参数较少，精度差
2、各铁路设计院法
使用方便
参数的取值对结果影响较大
3、形态调查法
精度高
费时、费力
由于目前工程上采用的计算方法，都是根据气候、地貌、地形、地质等特性加以一定程度的概化而来的，其结果是达不到与实际情况分厘不差的。对于铁路工程实用上，使计算结果达到“一定的精度”是更为重要的思路，以兼顾“工作效率”与“计算精度”的平衡。因此形态调查法在此有着更为重要的多种作用：
1） 形态调查法虽然费时、费力，但它的计算精度比其他方法要高。
2） 可以用来对其他办法计算的结果进行验证和评价。
3） 可以对其他办法计算的结果进行修正，或对其他计算办法中的参数进行修正。
4） 由于对其他办法参数的“修正或调整”，使得在保证设计流量满足一定精度的前提下，可以采用较为简单方便的办法开展实际工作，提高了工作效率。这点，从各铁路设计院法就可以明显看出来。
三、应用形态调查法进行设计流量计算应注意的关键问题
由于形态调查法需要先外业调查再内业计算两个工作步骤，比起其他两个计算办法近乎纯内业计算一个步骤，显得更为复杂一些，外业调查更多的是发挥技术人员的主观能动性，需要理论知识与工作经验的结合。在具体工作中，应重点注意一下几方面。
（一）作为洪水形态调查验证的河沟应具有以下条件
1、能调查到正确的洪水位及相应的频率；
2、洪水不漫滩或漫滩很少；
3、河段比较整齐顺直；
4、河床断面无逐年刷深或淤积情况；
5、下游无洪水倒灌或堤坝、漂流物阻塞水流的现象
6、无泥石流现象
（二） 形态调查法的步骤
1、调查洪水位和确定其相应频率：
2、向老居民调查历史洪水位。确定历史洪水频率的方法有下列两种：
（1）按照经验频率公式计算。
（2）采用雨量的频率作为洪峰流量的频率。
3、根据实测河流断面、河床纵坡及按照河床特征确定的糙率；用谢才—满宁公式计算流速。
4、计算历史洪水最大流量。
5、把历史最大流量换算成要求频率的设计流量
6、根据一定数量的洪水调查资料与相同频率的设计流量进行比较，即可了解调查计算的流量与按公式计算的偏差范围，从而对公式中的参数进行修正，得到准确的流量。
（三） 形态调查法的重点
1、洪水痕迹的确定：由于我们调查的是历史洪水，因此被调查人提供给我们的信息特别是洪水痕迹要加以甄别，去伪从真。
2、洪水频率的确定：只有准确的确定历史洪水的频率，才能准确得到设计频率的流量。
（四）工程实例
按照上述思路我们在西安~成都客运专线初测时，选取了十岔沟、枫香沟、翁山沟、山沟河、潮溪河、东岳沟6个小河沟进行了典型流域形态调查验证。下面仅以十岔沟为例说明具体的计算过程。
1、首先我们对十岔沟调查了历史洪水，见下表。

洪水调查记录1
河流名称
十岔沟
流域面积
31.4km2
调查区间
户县~佛坪
调查地点
涝峪乡郭清村
老居民姓名
年龄
性别
职业
居民住处及居住年限
备注
夏万义
77
男
老支书
沟边世居

洪水发生年代及其状况：
调查人对洪水位分析及判断：
洪水发生于1957年，当时其二十五岁，对洪水情况记忆比较清楚，据其讲那是他见过的最大的洪水，再也没有比那场水大。洪痕点固定，位于大石头顶。

其讲述比较清楚，思路清晰，另外有多人证明，故认为此洪痕较可靠。 而且与文献记载相符。（1957年7月16日涝峪河发洪904m3/s），发生频率相当于75年一遇。　　
洪水名称
发生日期
水位高程
位置说明
草图：
57年洪水
1957年
932.48

2、根据实测河流断面、河床纵坡及按照河床特征确定的糙率；用谢才—满宁公式计算流速。
3、计算历史洪水最大流量。
我们结合实地工作，将以上两个步骤编成一个小程序，使用该程序十分方便。计算结果见下表：

Program for QH─95
Hp = 932.48 Qp = ?
Iw = 0.09980 Z = 1 N = 9 M( 1 ) = 18
No
X(m)
Y(m)
No
X(m)
Y(m)
1
-41.60
948.67
2
-29.03
931.68
3
-14.43
931.71
4
-12.84
929.99
5
-5.19
930.21
6
0.00
933.40
7
3.30
933.40
8
15.50
941.86
9
26.90
949.54

j Q(m3/s) W(m2) B(m) V(m/s)
++ 238.97 36.69 28.12 6.51
Qp = 238.97 （m3/s）

4、把历史最大流量换算成要求频率的设计流量。
根据调查，历史最大流量的重现期为75年一遇，将其换算为100年一遇的设计流量。
Cv=1.2，Cs/Cv=3.0
则Q1%=6.11/（（6.11+4.89）/2）*240=1.11*238.97=266 （m3/s）
5、重复上述步骤，我们通过形态调查得到以下6条小河沟的设计流量。

序号
沟名
实测水位
实测河床坡度
历史流量
m3/s
重现期
设计流量Q1％
m3/s
1
十岔沟
932.48
0.0998
240
75
266
2
枫香沟
733．22
0.016
187
50
233
3
翁山沟
743.73
0.009
440
50
550
4
山沟河
736.85
0.050
98
50
122
5
潮溪河
595.74
0.075
114
50
142
6
东岳沟
818.10
0.040
333
50
416

6、我们对十岔沟等6条小河沟又按照铁一院法和地区经验公式法分别计算了其设计流量，并且将三种不同方法计算的流量进行对比，结果如下：

序号
沟名
汇水面积
铁一院法算得流量
地区经验公式算得流量
形态调查法算得流量
相对误差%
km2
Q1％（m3/s）
Q1％
（m3/s）
Q1％
（m3/s）
Q2-Q1
Q1
Q3-Q1
Q1
Q1
Q2
Q3

1
十岔沟
24.52
270
278
266
2.9
-1.5
2
枫香沟
12
240
177
233
-26.4
-2.8
3
翁山沟
49
580
431
550
-25.8
-5.1
4
山沟河
4.4
115
94
122
-18.6
6.4
5
潮溪河
6.04
130
114
142
-12.0
9.3
6
东岳沟
38.9
460
372
416
-19.1
-9.6

根据上表结果可以发现，铁一院法计算的流量偏差与形态调查法偏差的10%以内，而与地区经验法比较相差最大达26%，因此，我们可以通过对铁一院法或地区经验法计算的流量进行适当的修改，作为下一步开展设计工作的基础数据，在保证流量精度的前提下，成倍的提高了工作效率，也给整个工程建设按计划进行提供了保证。目前，根据上述思路，已经完成了西成客运小流域全部计算工作，该成果已经通过外业资料验收，正在用于具体设计中。
四、结语
由于水文现象的复杂性和人们认识的局限性，因此只有运用多种方法互相验证，综合分析各结果，合理选择各个参数的取值，才能取得准确的小流域设计流量。在此，形态调查法给我们提供了评判和参考的依据，目前该法在我院实际勘察工作中已经优先使用并逐步推广。

作者简介：叶茂(1970—)，男，陕西岐山人，工程师．

中铁第一勘察设计院集团有限公司 陕西西安 710043

电话：[phone] E-mail:yemao697@

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