浅析海外高速公路项目水文和水力研究

发表时间:2019/3/29   来源:《防护工程》2018年第35期   作者:唐淼 龚磊
[导读] 在高速公路项目规划和设计过程中,“水文和水力研究”是一个非常重要的方面。

中交第二公路勘察设计研究院有限公司  湖北武汉  430056
       
       
        在高速公路项目规划和设计过程中,“水文和水力研究”是一个非常重要的方面。
        以巴基斯坦苏库尔-木尔坦段高速公路建设为例,本项目拟建线形途经萨特累季河(萨特累季河)、Sukh Beas、克格尔河(Hakra)旧河床和印度河的洪泛区。由于上述区域属于季风气候,周围是高地,因此很容易遭受洪灾。萨特累季河(萨特累季河)和比亚斯河(Beas)的洪泛区穿过线形,然而印度河的洪泛区与道路线形平行。除高速流动的地表径流外(片流),还有许多排水渠、灌溉渠和河道穿越高速公路的线形。就本项目而言,水文和水力研究对本项目至关重要。在项目设计初期,我们对水文进行了研究,研究的目的包括以下几方面:
        ● 通过气候分析计算最大峰值流量
        ● 确定河道
        ● 汇水区的位置和范围
        ● 洪泛区和高洪水位的标记
        ● 横向排水构造物的位置(桥梁和涵洞等)
        ● 横向排水构造物的选择(类型和尺寸)
        1、数据收集
        数据收集是准确和按时完成本研究的一项重要活动,在研究期间需要进行以下调查来获取/收集以下数据:
        ● 勘测和现场勘查
        ● 土地覆盖物和土地使用
        ● 土壤参数现场测试
        ● 遥感资料
        ● 卫星图
        ● 数字高程模型
        ● 土壤分布图
        ● 灌溉网络地图和水利用。
        ● 气候/降雨资料
        ● 业主提供的地形勘测
        ● 存在不同参数或缺乏参数的地形勘测。
        ● 正式发布的地形图。
        ● 已发表的地形图
        ● 苏库尔、古杜、潘季纳德河(Panjnand)至萨特累季河(萨特累季河)通过单线的河流大堤地形图
        ● 河流主要横截面地形图和测探法
        ● 河流流量数据
        ● 拦河坝流量标定曲线
        ● 跨萨特累季河上方Moosa-Pak桥设计报告
        ● 印度河、杰纳布河、萨特累季河和拉维河过去洪灾情况和发生年。
        ● 高水位标线
        ● 通过线形的河流和沟渠勘测和构造物详情。
        ● 铁路线路勘测,以收集泄洪构造物的相关数据
        2、气象和河流流量
        勘测和初步调查显示,萨特累季河、杰纳布河和印度河均设有观测站。然而,还有一大片未测量区域需要通过降雨径流模型进行流量计算。其要求从周围气象台中分析气象数据。



        需要采用了多个观测站的降雨/降水数据,以正确预测不同子流域中降雨的极端情况.为此,在计算暴雨频率后实施了空间分析,用于得出子流域中的最大降雨量。
        流域中影响力最大/最为相关的气象观测站有巴基斯坦的苏库尔、巴哈瓦尔布尔、巴哈瓦尔讷格尔、汗布尔、巴尔汗。木尔坦和德拉加齐汗(D.G. khan),以及印度的比卡内尔(Bikaner)。
        为简化分析,本项目详细分析了起点和终点观测站(即苏库尔和木尔坦)数据,而其它站点的结果被制成表格或图形并应用于进一步分析中。
        3、水文
        勘测和初步调查显示,萨特累季河、杰纳布河和印度河均设有观测站。除此之外,还有很大区域没有测量站。测量站将进行重现期的分析。划分无记录的流域将通过降雨-径流模型进行分析。可用的建模技术有多种,如TR-55、TR20、HEC-1和HEC-HMS。考虑到区域的复杂性和规模,我们采用了HEC-HMS。
        4、路堤表面排水
        关于车道和路堤的表面排水,主要考虑了业主提供的道路路堤的尺寸、进水口和水槽。在需要进行更改的地方,则建议采用相同的截面和布置。
        本项目高速公路始于苏库尔,沿途穿越多个城市,穿越长度大约392公里,然后到达木耳坦(Multan)。因为降雨强度和气候较大程度地改变了路线,因此设计中需要单独考虑沿线各个地区的降雨量。
        5、水力与洪泛区建模
        勘测和初步调查显示,萨特累季河、杰纳布河和印度河均设有观测站。对测量站进行了重现期分析。通过降雨-径流模型分析了无记录流域,采用一个逐步的程序确定了路堤高度和结构设计。基于50年、100年和最大观测暴雨洪水,分析了三种不同情形。按照项目实际情况,我们对涵洞按50年的重现期进行了设计。
        通过一个100年洪水水位曲线图图确定了洪泛区和构造物,并通过最大观测洪水,对其进行了检查。将采用HEC-RAS,HY-8和SWMM建模技术,对通过或道路构造物周围的计算暴雨流量进行了模拟。
        6、结论和建议
        ● 为了进行分析和编制暴雨分布图,在巴基斯坦设置了五个主要流域气象观测站,包括苏库尔、巴哈瓦尔布尔(Bahawalpur)、巴哈瓦尔讷格尔(Bahawalnagar)、开伯尔(Khanpur)、巴尔汗(Barkhan)、木尔坦(Multan)和德拉加齐汗(D.G. khan),此外还有印度的巴廷达(Bathinda)和比卡内尔(Bikaner)地区。根据所有毗邻观测站数据计算出的降雨量。
        ● 萨特累季河流域总面积为125718平方公里,拥有939个水力节点和流域;拟建高速公路的其他部分存在中等大小的流域。
        ● 我们进行了详细的土地用途和土壤分析,从中发现,靠近高速公路线位的大部分区域都属于HSG(土壤水文组)C类土壤。耕地含有大量黏土和有机物,水缓慢渗透。总的来讲,高速公路线位靠近印度河流域和古萨拉斯瓦蒂河流域的山脊,因此,在前三个水文模型(HYD-1、HYD-2和HYD-3)中都发现了小部分横流。
        ● 水力模型HYD-4针对的是萨特累季河的流量。我们仔细分析了这里有记录和无记录的流量。这两大排水渠和比亚斯河支流向伊斯兰拦河坝下游提供水源,因此流量必须增加到伊斯兰拦河坝有记录的流量数据中,用于计算大桥位置的流量。河流中构造物设计的推荐流量为12877cms。
        ● 建立水文模型HYD-5和HYD-6采用的是萨特累季河下游的交汇河流和比亚斯河的旧河床,可在遭遇百年一遇洪水时开始有流量。近几年在汇水区观察到了流量,出于道路安全设计的考虑,因此我们计算了预期50年和100年的流量。
        ● 在严重的洪灾事件中,机通和畜通会有水流短时间通过,因此对机通和畜通进行了水文分析,满足一定的排洪需求。为了避免每年水流通过它们,在设计时,抬高每一道路/交通构造物,至少高于周围地面0.6m。
        ● 在洪泛区建模中,除了计算将来可能出现的大堤漫顶外,还应考虑洪水路线和决堤(无论是自然决堤还是人为决堤)。
        ● 水力和洪泛区建模分为三(3)个区域,针对不同大堤的情况和决堤情况进行建模。各个区域建模结果概述如下:
        ○ 区域—1(苏库尔至古杜)在道路中最易遭受洪水的影响。古杜拦河坝的洪水重现期高于其设计流量的20%,因此认为需要将洪水改道。通过两种方案的对比(有高速公路和无高速公路)表明,由于流向的主要障碍物是大堤,下游是铁路线,因此对高速公路洪水上游影响较小。
        ○ 区域—2(古杜至潘季纳德河)除了第6章给出的决堤处外,这一区域受河流洪水威胁有限。这个地区的降雨也很有限。
        ○ 区域—3(潘季纳德河至木尔坦)受洪水影响的区域很小,大多数在萨特累季河大桥附近约20km处。在本区域,河流中的河床干涸,在遭遇极端降雨时仍会受影响,因此考虑这一因素设置了涵洞。旧比亚斯河床的宽度接近185m。由于其十分靠近萨特累季河,在各个高洪水条件下,模型都预计会有大流量导向它。为此,设置一个大型涵洞而非大桥,以限制流向它的流量。
        ● 通过计算洪水位,建议纵断面的最小高度比洪水位高出0.75m,或是根据构造物的高度提高。
        ● 除了从水文角度需要修建涵洞和设置河道外,建议维持下游农田的可持续性;因此可提供小型涵洞和畜通,确保下游居民的用水权。

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