西北地区某缺乏流量观测资料桥梁设计洪水流量推算方法探讨

50交通科技与管理技术与应用
0　引言
某公路项目位于西北地区，设置大桥跨越一条季节性河流，需对工程断面处进行设计洪水流量计算，由于河流干流经出山口后在冲积扇呈散流状态，无明显河床，且上下游无水文站，只能利用间接或经验性的资料对其洪水流量进行推算。

1　流域概述
1.1　项目区地形地貌
本项目区域位于博格达山脉南侧、天山北坡，跨越天山山脉主脉与东天山的衔接地带，总体呈现中前段（东南）高，西北部低的态势。

该公路项目位于天山以北冲积、洪积平原上，海拔高度1 000 m~1 200 m。

地势自南向北微倾斜，地形平坦开阔，路线呈东西走向，沿冲、洪积扇中部尾部通过，呈现荒漠和农耕景观，所在地区为中温带半干旱大陆性气候，属绿洲―荒漠区，公路自然区划属Ⅵ2区。

1.2　项目区域气象
项目区地处亚欧大陆腹地，远离海洋，具有强烈的大陆性干燥气候，夏季炎热、冬季寒冷漫长，雨量较少，蒸发强烈，年、日温差大，春秋气温升降剧烈，无霜期较长，总体属温带大陆性气候。

1.3　项目区水系
项目区地表水系主要有：乌鲁木齐河水系和柴窝堡湖水系，其次为项目东北及西南部天山坡面降雨而汇集的洪积扇面水流和山沟瞬时洪流等。

乌鲁木齐河水系发源于天山天格尔峰北侧的一号冰川，由南向北流出山口后与南山一条河流汇合，经山前洪积—冲积平原，流向乌拉泊洼地，穿过市区、红山嘴垭口及北郊平原进入五家渠市境内的猛进水库，全长210 km，年平均径流量2.35亿立方米，流域面积5 128.04 km2，其中冰川面积38 km2。

柴窝堡湖水系无干流，是由中天山的喀拉乌成山北坡、博格达山流入柴窝堡盆地的地表径流、潜水和柴窝堡盆地内的湖泊、沼泽等组成的闭合性水系，主体为柴窝堡湖。

项目区地下水主要分为基岩裂隙水、第四系松散层孔隙水。

其中孔隙水富含量大，分布较为广泛，而基岩裂隙水则较不丰富。

1.4　桥位处涉及河流概况及暴雨洪水特点
该桥梁涉及的河沟主要为小东沟和张家沟。

小东沟、张家沟均位于中天山东部天格尔山，发源于北麓中低山带。

两河沟相毗邻，由西向东依次为小东沟和张家沟。

两河沟西侧主要为板房沟流域，东侧主要为乌什城沟流域，南部为天山山脉，向北汇入柴窝堡湖。

两河沟流域内没有冰川及永久性积雪，均为季节性洪沟，小东沟流域面积相对较大，出山口以上流域面积为194 km2，流域最高点海拔为2 840 m；张家沟流域面积相对较小，出山口以上流域面积为11.3 km2，流域最高点海拔为2 421 m。

两河沟流域均呈羽状水系，出山口以上为产流区，干流经出山口后在冲积扇呈散流状态，其中张家沟在出山口下游附近汇入小东沟。

张家沟汇入小东沟后，洪水散流至桥位附近，受简易导流堤引导至柴窝堡湖方向。

2　暴雨及洪水特性
2.1　暴雨特性
小东沟、张家沟流域属温带大陆性气候，为干旱半干旱区域。

来自太平洋、印度洋的暖湿气流因受高山阻挡不易进入内陆区，而来自大西洋、北冰洋的冷湿气流可随西风环流进入，它是小东沟、张家沟的主要水汽来源。

小东沟、张家沟流域内均无气象站点，小东沟、张家沟流域处天格尔峰西侧的暴雨中心边缘。

从地形条件而言，小东沟、张家沟流域具有相同的水汽来源，因此其暴雨理论上也具有一定的相似性。

西北地区某缺乏流量观测资料桥梁设计
洪水流量推算方法探讨
杨　飞
（北京交科公路勘察设计研究院有限公司,北京 100191）
摘　要：基于西北地区某公路项目水文计算的需要，针对跨越缺乏流量观测资料河流某桥梁，本文通过采用全国水文分区经验公式法、新疆地区公路桥涵水文参数研究经验公式法以及面积比拟法三种不同方法进行推算，通过比较可得三种方法结果偏差不大，其中全国水文分区经验公式法与面积比拟法计算结果偏差仅4.35%，分析认为在缺乏流量观测资料情况下采用间接的或经验性的资料进行多种方法计算，经过对比分析，可以得到比较合理的设计洪水流量结果，为区域内其他类似工程推算设计洪水流量计算提供参考。

关键词：水文计算；经验公式法；面积比拟法；设计洪水流量
交通科技与管理
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技术与应用2.2　洪水特性
小东沟、张家沟流域内无冰川及永久性积雪，因此洪水主要以暴雨洪水为主。

由于各河沟流域面积较小，不利于积雪的大量储存，春末夏初的融雪型洪水一般较小。

3　设计洪水流量计算
该桥梁为高速公路大桥，设计洪水频率为1/100。

采用全国水文分区经验公式、新疆地区公路桥涵水文参数研究经验公式以及面积比拟法三种不同的方法进行设计洪水流量计算，通过对比分析三种不同结果，合理确定设计洪水流量。

3.1　全国水文分区经验公式方法
全国水文分区经验公式使用范围为流域面积小于50 000 km 2的河流。

经验公式的使用方法：由平均流量，根据C，n
值，求算
；再由
值，查得
值，计算
（是指模比系数）。

根据《公路桥梁设计手册桥位设计》（第二版），本项目全线水文分区为天山北坡区，水文分区编号74（天山北坡区）。

其中： C ＝0.27~0.50 n ＝0.80 ＝1.1 ＝3.5
＝5.75
按照最不利的参数计算：
全国水文分区计算公式自身的平均误差统计值为45%，最大误差为129%。

在1:50 000的地形图上勾绘出集水面积为257.4 km 2，根据全国水文分区经验公式计算出设计洪水流量结果为243.9 m 3/s。

3.2　新疆地区公路桥涵水文参数研究经验公式
按照新疆地区公路桥涵水文参数研究中的设计流量参数Qo、Cv、Cs 及分区经验公式的研制成果：由平均流量
，根据C，n 值，求算
；再由
值，查得
值，计算
（
是指模比
系数）。

本项目全线水文分区为天山北坡区，水文分区编号
74-1。

其中： C ＝0.89 n ＝0.68 ＝1.1 ＝4
＝5.91
按照最不利的参数计算：
新疆水文参数取自《新疆桥涵水文参数研究》中的第74-1分区（天山北坡博乐精河木垒分区），新疆水文分区计算公式自身的平均统计误差为42%，最大误差为92%。

在1:50 000的地形图上勾绘出集水面积为257.4 km 2，根
据新疆地区公路桥涵水文参数研究经验公式计算出设计洪水流量结果为229.2 m 3/s。

3.3　面积比拟法
3.3.1　出山口设计洪峰流量
该桥涉及的小东沟、张家沟，均位于板房沟河与乌鲁木齐河东侧，其出山口断面以上控制流域面积分别为194 km 2、11.3 km 2；以附近乌鲁木齐河英雄桥水文站为参照站，英雄桥水文站控制流域面积924 km 2。

以英雄桥水文站设计洪峰流量成果为参证，采用面积比拟法计算各河沟出山口断面处的设计洪峰流量，计算过程中，面积指数取2/3。

经计算，各河沟出山口断面处设计洪峰流量成果如表1所示。

表1　出山口断面设计洪峰流量名称
流域面积/km 2设计洪峰流量/（m 3/s）
1.0%
2.0%
3.33%5%10%50%
英雄桥水文站92470551739130017153.8小东沟19424918313810660.319.0张家沟11.337.427.420.815.99.06 2.863.3.2　桥位断面设计洪峰流量
小东沟、张家沟经山前冲洪积扇的汊流、衰减后，到达桥位附近。

桥位处修建有简易导流堤，将上游来洪逐步由西南向东北方向归集并导流至柴窝堡湖中，本桥梁跨越断面位于导流堤中段。

由于上游来洪较为散乱，不能确定洪水在导流堤沿程的汇入分布情况，偏安全考虑，按所有洪水均在桥梁跨越断面上游汇入导流堤计算。

出山口以下河段洪水衰减分析：
小东沟、张家沟洪水经出山口后到桥位断面的沿程衰减规律，参考附近区域乌鲁木齐河河道衰减系数进行计算。

根据乌鲁木齐河英雄桥水文站和乌拉泊水文站实测洪水洪峰流量观测资料分析计算，洪水的平均相对损失率为35.9%，平均每公里相对损失率为0.747%。

洪水观测资料及衰减分析过程见表2。

表2　英雄桥水文站至乌拉泊水文站洪峰流量衰减分析表
序号日期英雄桥洪峰流量乌拉泊站洪峰流量相对衰减量绝对
损失量
（m 3/s）（m 3/s）（%）（m 3/s）
11958.7.1895.175.920.219.221964.7.1864.631.950.632.731965.7.611865.244.752.841967.7.1748.021.455.426.651970.7.2571.037.147.733.961972.7.3110771.533.235.571994.6.1514281.042.961.081994.6.1611870.040.748.091994.6.1676.956.226.920.7101994.7.1524212946.7113111996.7.1821312043.793.0121996.7.1935225826.794.0131996.7.2034831310.135.0142005.7.1519715322.344.0
52交通科技与管理技术与应用152005.7.1524918426.165.0
平均35.951.6
每公里0.747 1.08
参考乌鲁木齐河洪水沿程衰减规律，小东沟出山口至
桥梁跨越断面15.1 km，按每公里相对损失率0.747%计算，
小东沟出山口至桥梁跨越断面洪峰损失11.2%，衰减系数为
0.888；张家沟出山口至桥梁跨越断面13.4 km，按每公里相
对损失率0.747%计算，张家沟出山口至桥梁跨越断面洪峰
损失10.0%，衰减系数为0.9。

按以上分析的衰减系数，分别计算小东沟、张家沟经衰
减后到达桥梁断面的设计洪峰流量，再将损失后的小东沟、
张家沟设计洪峰流量叠加，求得桥梁跨越断面处设计洪峰流
量，成果如表3所示。

表3　桥梁跨越断面设计洪峰流量成果表
计算频率1%2% 3.3%5%10%50%
小东沟出山口洪峰/（m3/s）24918313810660.319.0
张家沟出山口洪峰/（m3/s）37.427.420.815.99.06 2.90
小东沟衰减系数0.8880.8880.8880.8880.8880.888张家沟衰减系数0.90.90.90.90.90.9
小东沟衰减后洪峰/（m3/s）22116212394.053.516.9
张家沟衰减后洪峰/（m3/s）33.724.718.714.38.15 2.60
化肥厂大桥跨越
断面洪峰/（m3/s）
25518714110861.719.4 3.4　设计洪水流量计算
针对该桥分别采用了全国水文分区经验公式、新疆地区公路桥涵水文参数研究经验公式以及面积比拟法三种不同的方法进行设计洪水流量计算，三种方法计算成果如表4所示。

表4　桥位处设计洪水流量计算成果对比
计算方法计算频率设计洪水流量/（m3/s）全国水文分区经验公式1/100243.9
新疆地区公路桥涵水文
参数研究经验公式
1/100229.2
面积比拟法1/100255
比对各方法计算成果，以本工程设计标准P=1%计算成果分析，可知以新疆地区公路桥涵水文参数研究经验公式计算结果最小，以面积比拟法计算结果最大，极差为平均值的10%左右，其中全国水文分区经验公式法与面积比拟法计算结果偏差4.35%，三种计算方法成果相差不大。

最终偏安全采用面积比拟法计算结果，即该桥百年一遇设计洪水流量为255 m3/s。

4　结语
本桥所跨越河流上下游无水文站观测资料，不能得到可靠的观测数据，通过采用水文分区经验公式和面积比拟法推算出设计洪水流量，经相互对比，可知推算结果比较接近。

本文所采用的推算设计洪水流量的方法，可以为西北地区缺乏流量观测资料的河流推算设计洪水流量提供参考。

一般来说，利用间接的或经验性的资料计算的洪水流量结果比较粗略，实际应用时，宜采用多种方法计算，经分析比较，最终选择一个比较合理的数据。

参考文献：
[1]高冬光.公路桥涵设计手册桥位设计（第二版）[M].北京：人民交通出版社,2011.
[2]郭华.乌鲁木齐河干流河段水量传播关系研究[J].陕西水利,2017(2):149-151.
（上接第48页）
5　分析与讨论
半轴在运行过程中承受磨损、冲击和周期性的扭转负荷，工况相对复杂，由于材料缺陷、锻造缺陷、热处理缺陷和载荷等原因，往往会导致其发生早期失效。

常见失效形式有磨损、弯曲变形、断裂。

断裂失效有平齐断裂、法兰盘掉盘、花键扭断、轴部45°剪切断裂、棘轮状断裂等等[2]。

本文中所述半轴的断口即呈棘轮状扭转疲劳断裂，疲劳源为原始淬火裂纹面，造成淬火开裂的原因主要是制造工序安排不合理所致，法兰盘和轴过渡区（变径位置）在淬火过程中本身为应力集中区，而中心孔恰好位于该处。

因此，将中心孔的加工放在调质处理前进行，将进一步加大局部应力集中程度，极易引发淬火致裂的风险，一旦产生淬火裂纹，服役过程中便以淬火裂纹面为源，在扭转载荷作用下发生疲劳，造成半轴最终剪切断裂[3]。

需要考虑的是，对于轴类零件而言，扭转载荷的最大值由表及里顺序减小，心部为零。

但当心部出现本文中这样较大范围的淬火裂纹时，即使该处扭转载荷较小，也难免以此为源发生疲劳断裂。

6　结论与建议
（1）半轴的失效性质为扭转疲劳断裂；
（2）疲劳源为半轴中部的淬火裂纹面；
（3）淬火裂纹的产生是因为中心孔根部应力集中所致。

建议优化生产工序，将中心孔的加工由原来的调质处理前加工改在之后进行，可有效避免此类事故的再次发生。

参考文献：
[1]李莹,刘高远,张立新.某汽车车轮半轴断裂失效分析[J].失效分析与预防,2007(2):40-44.
[2]高为国,董丽君,胡凤兰,等.40Cr钢汽车半轴淬火缺陷分析及热处理工艺改进[J].湖南工程学院学报,2008,18 (4):33-36.
[3]岳峰,郭永林,纪仁峰.42CrMoH汽车半轴静扭断口分析[J].热处理技术与装备,2017,38(5):58-61.。