湍水头沟穿新建吕临铁路支线段洪水分析计算

SHANXI WATER RESOURCES
湍水头沟穿新建吕临铁路支线段洪水分析计算
宿宾
（山西省水利水电勘测设计研究院，山西太原030024）
［摘要］介绍了新建吕临铁路支线工程的基本情况，确定工程穿越河流的具体断面位置。

分别采用《山西省水文
计算手册》无资料地区计算方法、水文比拟法计算设计断面处的设计洪水，进行设计断面处的洪水分析计算；同
时与以往计算的结果相比较，最终确定设计洪峰流量。

［关键词］洪水分析；设计洪水；设计断面
［中图分类号］TV122+.3［文献标识码］C［文章编号］1004-7042（2016）11-0026-02
1项目概况
吕临（孟）支线途经临县、方山和柳林县等国家扶贫重点县和革命老区，人多地少、自然条件差，农民人均耕地仅0.18hm2，贫困人口占全省的1/10多。

新建铁路吕临（孟）支线位于山西省吕梁市境内，线路自太中银铁路吕梁站引出，经大武镇到达三交，线路在此分出岔线，一条向北方向至临县县城以北城庄镇，另一条向南方向至柳林县的碛口镇。

铁路线在吕梁市境内，主要有两处跨越河流，分别为前陡泉村附近的湍水头沟和林家坪镇附近的湫水河，对湍水头沟与铁路支线交叉段洪水进行分析计算。

2流域概况
湫水河为黄河的一级支流，位于吕梁山脉西脊，发源于兴县的白龙山东北麓大坪头，从阳坡入境，纵贯县境中部，由东北向西南，流经白文、城庄、安业、三交、林家坪、碛口等乡镇，于碛口注入黄河。

干流全长122km，流域总面积1984.21km2。

湍水头沟也称车赶沟，系湫水河一级支流，发源于方山县石站头，流域分左、右两支，形状呈“Y”形，由东向西，流经车赶乡（右支）、湍水头镇（左支）等村庄，在钟底村两支汇合后经崔家坪、后陡泉、前陡泉，于三交镇沟门村汇入湫水河，河道全长27.8km，控制流域面积189.43km2，离临公路贯穿而过。

3洪水计算
湍水头沟流域属无资料地区，本次设计洪水计算采用2011年3月编制的《山西省水文计算手册》（以下简称《手册》）和水文比拟法两种方法进行计算。

根据新建吕临铁路支线工程跨湍水头沟的位置，确定计算断面为“前陡泉”断面。

3.1林家坪水文站设计洪水
3.1.1历史洪水及重现期确定
湫水河流域的历史洪水曾进行过多次调查。

确认的湫水河流域两次特大洪水为1875年和1951年，地点为林家坪村，控制流域面积1873km2，洪峰流量分别为7700m3/s和5200m3/s。

这与《山西省暴雨洪水规律研究》中基本一致，可靠程度略有差异，说明其成果可采用。

经历次分析考证，对于1875年洪水在晋西各调查河段洪峰流量的序位情况，该次洪水为1875年以来之首位，调查期按134年考虑；1951年历史洪水为1875年以来的第二次特大洪水，调查期按67年考虑。

3.1.2实测洪水系列
林家坪水文站位于临县林家坪村，1953年7月1日建成测流，控制流域面积1873km2。

由于湫水河流域先后修建了7座中小型水库，除阳坡水库修建于1958年外，其余水库均建于20世纪70年代。

为了保持洪水系列的一致性，需对建库以后和建库以前（包括历史洪水）的洪水系列进行一致性处理。

按照常规，应根据各水库对区域内洪水的调蓄情况，将建库以后的洪水系列还原到建库以前，还原后的洪水系列与建库以前的洪水系列保持一致。

然后再根据历年暴雨洪水情况、水库分布和调度运行规则进行演算，以此分析流域内水库调蓄对洪水的影响。

但由于这些水库均无进、出库水文测站，水库控制范围内的雨量以及蓄水资料残缺不全；加上湫水河流域一般洪水均由局部暴雨形成，大范围的暴雨较少，水库分布又比较分散，且水库控制的流域面积较小，
阳坡水库控制流域面积251km 2，其余6座水库仅150.2km 2，还原计算存在一定难度。

因此，本次林家坪洪水系列采用修建阳坡水库以后的1959—2010年52年实测洪峰流量系列资料，多年平均918m 3/s 。

3.1.3洪水频率分析
根据1959—2010年共52年洪峰流量系列，按不连续系列计算经验频率，加入历史调查洪水，采用P-Ⅲ型曲线进行计算，统计参数均值为1000，变差系数C V 为1.25，对比系数C S /C V 为2.2，求得林家坪设计洪水成果及统计参数见表1。

表1
湫水河林家坪站洪峰流量频率成果表
3.2设计断面洪水3.2.1
水文比拟法
湍水头沟为湫水河支流，前陡泉断面控制流域面
积175km 2，设计洪水采用林家坪水文站设计洪水，按面积比指数法推求。

公式如下：
Q 设计=Q 林家坪
F 设计F 林家坪
!
"n
.
式中：Q 设计——桥位断面设计洪峰流量，m 3/s ；
Q 林家坪———林家坪站设计洪峰流量，m 3/s ；F 设计———桥位断面处流域面积，km 2；F 林家坪———林家坪站流域面积，km 2；
n ———面积指数，取0.5。

经计算，前陡泉断面100年一遇设计洪峰流量为1822m 3/s ，50年一遇设计洪峰流量为1495m 3/s ，20年一遇设计洪峰流量为1079m 3
/s 。

3.2.2手册法
计算流域自然地理特征及产流、汇流有关的河道
特征，其中流域面积和主河道长在实测地形图上量算，产汇流地类参考《山西省水文计算手册选用站水文下垫面产流地类图册》（简称《手册》）得到。

即：流域面积175km 2，主河道长度26.4km ，流域平均坡度23.6‰，产流地类为黄土丘陵沟壑，汇流地类为黄土丘陵。

按《手册》选取定点，从暴雨等值线图上查得不同历时的暴雨均值及变差系数C V 值，按H P =K P H （其中H P 设计点雨量，K P 为模比系数）计算出不同频率的设计点雨量。

计算面雨量初值，求解暴雨公式参数，得出设计面雨量，进行时程分配，计算出主雨历时t z 和
主雨雨量H P （t z ）。

结果见表2。

根据各支流流域下垫面条件，由《手册》查出流域包气带充分风干时的吸收率、流域包气带充分风干时
的导水率和设计频率为P 的流域前期土湿标志B 0，p ，计算可能损失、净雨深、产流历时、损失率和净雨过程分配。

汇流计算采用综合瞬时单位线法和推理公式法进行计算。

综合瞬时单位线法：综合瞬时单位线将流域汇流过程假设为由n 个等效线性水库串联体对水流的调蓄过程。

把瞬时作用于流域上的单位净雨水体在流域出口断面形成的时间概率密度分布曲线称为瞬时汇流曲线，量纲为。

把单位净雨乘以瞬时汇流曲线称为瞬时单位线。

在计算过程中，汇流地类为黄土丘陵，茁1，茁2，琢为经验性指数，分别取0.047，0.190，0.397；C 1为复合地类汇流参数，取1.000；C 2为单地类汇流参数，取0.62。

计算结果见表3。

表3
前陡泉断面设计洪峰流量成果表
单位：m 3/s
推理公式法：最大流量Q m 计算采用数值法。

单一地类汇流参数m 取值，黄土丘陵0.35，计算结果见表3。

3.3设计洪水成果采用
前陡泉断面设计洪水，2009年采用1991年编制的《山西省暴雨洪水计算实用手册》（以下简称《雨洪手册》）中推理公式进行过计算，设计断面不同方法的设计洪水计算结果见表3。

从表中可以看出，本次水文比拟法及《手册》推理公式法较“2009年雨洪手册”计算成频率P /%125设计洪峰流量/（m 3·s -1）
5960
4890
4890
设计断面
计算方法
频率/%
125本次
综合瞬时单位线法
153********推理公式法17271395946水文比拟法
1822149510792009年《雨洪手册》推理公式法
1402
1159
829
（下转第31页）
果偏大较多；
《手册》综合瞬时单位线法与《雨洪手册》推理公式法计算结果接近，差值在允许计算的误差范围内，说明计算结果较为合理。

林家坪水文站控制流域面积1873km 2与前陡泉断面控制流域面积175km 2相差过大，且流域内下垫面条件差异、产汇流特性均有较大差别，不能反映流域的产汇流过程，因此，不宜按面积比推求设计洪水。

4结论
本次设计断面洪水的确定，对比分析了三种计算
成果，一是采用《手册》中无资料地区洪水计算方法的计算成果，二是参考相近流域的林家坪水文站的洪峰流量依照水文比拟法的计算成果，三是2009年采用
《雨洪手册》的计算成果。

经分析，决定采用《手册》综合瞬时单位线法计算结果。

［作者简介］宿宾（1984-），男，2009年毕业于华北水利水电学院农业水土工程专业，工程师。

［收稿日期］2016-09-20；［修回日期］2016-10-24
（上接第27页）岩工程地质分类为Ⅲ类。

桩号1+997.70—2+086.02地段洞身穿过的地层为奥陶系中统下马家沟组中段厚层灰岩及奥陶系下统中—厚层白云岩。

据物探及钻孔资料揭露，该处存在
断层F2，且该段处于断层破碎带及影响带内，岩石破碎，岩体完整性差，围岩工程地质分类为Ⅴ类。

桩号2+086.02—2+160.73地段洞身穿过的地层为奥陶系中统下马家沟组中段厚层灰岩夹泥灰岩，泥灰岩厚度不大于5m 。

Ⅲ类围岩约占该段长度的80%，Ⅴ类围岩约占该段长度的20%。

桩号2+160.73—2+217.02地段洞身穿过的地层为奥陶系中统下马家沟组下段泥灰岩，围岩工程地质分类为Ⅴ类。

桩号2+217.02—2+725.72地段洞身穿过的地层为奥陶系下统（中—厚层白云岩，底部为约2m 厚的钙质页岩）及寒武系上统凤山组厚层中—粗粒白云岩。

隧洞开挖时可能发生涌水或突水，围岩工程地质分类为Ⅲ类。

桩号2+725.72—2+921.76地段洞身穿过的地层为寒武系上统长山组（上部地层岩性为青灰色白云岩，下部地层岩性为青灰色竹叶状灰岩夹白云岩）及崮山组（上部地层岩性为青灰色泥质条带灰岩，下部地层岩性为黑红色泥岩、砂质泥岩）。

隧洞开挖时可能发生涌水或突水，围岩工程地质分类为Ⅳ类。

桩号2+921.76—3+671.76地段洞身穿过的地层为寒武系中统张夏组白云岩、灰岩及太古界界河口群奥家湾组条带状斜长角闪岩、斜长石片麻岩。

隧洞开挖时可能发生涌水或突水，围岩工程地质分类为Ⅲ类。

据物探资料，在桩号3+016附近等值线弯曲变形，整体电性趋势的连续性被切断，存在明显的电性界限，推断该处存在断层F3，桩号2+966.62—3+066.62地段处于断层破碎带及影响带内，岩石破碎，岩体完整性差，围岩工程地质分类为Ⅴ类。

综上所述，Ⅲ类围岩局部稳定性差，不及时支护
可能产生塌方或变形破坏，建议喷混凝土、系统锚杆加钢筋网支护。

建议Ⅲ类围岩单位弹性抗力系数为500～1000MPa/m ，坚固系数为3～4，泊松比为0.26～0.29，变形模量为5～7.5GPa 。

Ⅳ类围岩不稳定，自稳时间很短，规模较大的各种变形和破坏都可能发生，建议喷混凝土、系统锚杆加钢筋网，刚性支护，并浇筑混凝土衬砌。

建议Ⅳ类围岩岩体单位弹性抗力系数为100～300MPa/m ，坚固系数为1～2.5，泊松比为0.32～0.35，变形模量为0.5～2GPa 。

Ⅴ类围岩极不稳定，不能自稳，变形破坏严重，建议喷混凝土、系统锚杆加钢筋网，刚性支护，并浇筑混凝土衬砌，建议Ⅴ类围岩单位弹性抗力系数为50～100MPa/m ，坚固系数为0.5～1.5，泊松比为0.35～0.45，变形模量为0.05～0.5GPa 。

3结论
经过分析，该支洞Ⅲ类围岩长度为2158.95m ，约占该支洞总长度的58.8%；Ⅳ类围岩长度为196.04m ，约占该支洞总长度的5.3%；Ⅴ类围岩长度为771.48m ，约占该支洞总长度的21.0%；土洞段长度为545.29m ，约占该支洞总长度的14.9%。

另外，洞顶围岩厚度多数为300～500m ，存在因高地应力而导致的软岩变形问题，局部地段也可能产生中等岩爆；大部分地段位于区域地下水位以下。

区域地下水位高于洞顶，存在渗水、涌水突水可能；隧洞穿过数条断层，断层影响带洞段成洞条件差。

建议施工中在现有地质资料的基础上，做好施工地质工作，采取必要的超前地质预报手段，进一步探明隧洞工程地质及水文地质条件，为TBM 掘进方案的选取以及相关预案的制定提供资料保障。

［作者简介］张国杰（1975-），男，2005年毕业于河北工程学院水利水电工程专业，工程师。

［收稿日期］2016-09-21；［修回日期］2016-10-25
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