中国有色金属工业西安勘察设计研究院 西安 710054
摘要：管道穿越河流水文计算是河流穿越工程岩土工程勘察的主要任务之一，计算的目的在于提供符合规范和现场实际情况的设计流量、流速、洪水位及以此求出的河床一般冲刷净深度，为管道设计提供准确的工程地质和水文地质资料。本文依据某山区天然气管道工程9处河流穿越断面的水文计算实例，说明借鉴铁路、公路、水利等有关规范的计算方法，对管道工程河流穿越的水文计算是可行的。
关键词：管道；河流穿越；水文计算；冲刷
前言
管道运输（Pipeline transport）是用管道作为运输工具的一种长距离输送液体和气体物资的运输方式，是一种专门由生产地向市场输送石油、煤和化学产品的运输方式，是统一运输网中干线运输的特殊组成部分。具有运输量大、连续、迅速、经济、安全、可靠、平稳以及投资少、占地少、费用低，并可实现自动控制等特点。
河流穿越工程是管道建设中常见的重要工程之一，尤其是大型河流穿越，往往是关系工程命脉的控制性工程。因此，做好河流穿越工程勘察，为设计提供详实、可靠的地质、水文资料，尤为重要。
水文计算作为管道穿越河流岩土工程勘察的组成部分，主要目的是提供设计要求（洪、枯及勘察期）的水位、流量、流速，及最大冲刷深度。本文通过某天然气管道工程河流穿越水文计算实例，介绍了计算方法和注意事项，并对计算成果进行了分析，可供类似工程参考。
某天然气管道工程，位于我国西南某省，管道沿线以山地为主，河谷纵横，多处穿越河流，勘察难度较大。根据河流穿越等级，设计要求在初勘阶段提供穿越断面处的设计频率为50年一遇（P=2%）洪峰流量、流速、设计洪水位及以此为条件的河床最大一般冲刷深度、枯水期参数等。
在充分收集区域水文资料，现场实地踏勘及调查、走访的基础上，对设计要求提供的水文参数分别进行了计算。
1 设计频率洪水参数计算
根据穿越工程等级，要求提供50年一遇（P=2%）洪水位、流速及洪峰流量。
1.1 设计频率洪峰流量计算
根据《水利水电工程设计洪水计算规范》（SL 44-2006）规定，根据工程所在区域或流域的资料条件，设计洪水可采用下列一种或几种方法：①工程地址或其上、下游附近地点具有30年以上实测和插补延长的流量资料，应采用频率分析法计算设计洪水；②工程所在地区具有30年以上实测和插补延长的暴雨资料，并有暴雨洪水对应关系，可采用频率分析法计算暴雨，并由设计暴雨计算设计洪水；③工程所在流域内洪水和暴雨资料均短缺时，可利用临近地区实测或调查洪水和暴雨资料，进行地区综合分析，计算洪水。
因此，当穿越位置附近设有水文站时，应优先收集水文站实测洪峰流量资料，采用频率分析法推求设计洪水，常用的计算方法为适线法，我国多采用P-Ⅲ（皮尔逊Ⅲ型）曲线，根据适线结果确定的Q， 和 ，即可求得设计频率的洪峰流量，具体的计算方法可参考有关的工程水文学书籍。
管道穿越河流工程多位于山区，流域小，水文站较少，或即使建有水文站其资料系列大多不满足30年的要求。因此，洪峰流量计算多采用暴雨推求的方法。
依据《水利水电工程设计洪水计算规范》计算时，假定流域的暴雨中心与流域中心重合，流域洪水频率与暴雨频率相同，可根据已收集到的资料，选用以下三种方法进行计算。
1）设计暴雨推求设计洪水，计算过程见图1：
图1 设计暴雨推求设计洪水过程图
该方法需要收集工程所在地的《暴雨参数图集》查得1h、6h和24h最大降雨量均值、 值、及 / ，计算设计频率的1h、6h和24h降雨量，将点雨量转化为面雨量。再根据收集到的流域面积、干流河长、河流比降、暴雨洪水关系经验公式，产流参数（土壤最大缺水量、设计前期影响雨量、后期平均损失量、降雨径流不平衡缺水量、雨期蒸发量），汇流参数（汇流系数m、n）等，进行产流、汇流计算，即可得出设计频率洪峰流量、洪水总量及洪水过程线。
该方法的优点在于理论依据较充分，计算结果与当地实测结果接近，可靠性较高。缺点在于需要收集的基础资料多，收集难度大，计算过程较为繁杂，计算前需对收集到的成果进行辨别。
2）推理公式法
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该方法需要收集流域的设计最大1小时雨强、平均入渗率和汇流参数等，首先假设流域的产流模型，采用迭代法计算设计洪水 及并得到汇流历时 ，计算产流历时 ，若 与 的关系满足假设则正确，若不满足则重新计算。
该方法需要具备以下条件：流域面积、干流河长、河流比降、暴雨资料（ 、 ），汇流系数m、平均入渗率等，计算过程简明，理论依据较充分，但计算成果的可靠性依赖于流域经验参数的准确性，使用时应注意与其他方法计算结果的比较。
3）经验公式法
目前，全国大多数地区已有根据实测资料整编的水文手册等资料，可搜集其中的洪水计算经验公式，较符合当地的实际情况，计算结果比较可靠。
1.2 设计洪水位及设计洪水流速
当根据前述方法求的设计洪峰流量后，根据拟选穿越断面，可分别绘制面积~高程曲线及湿周~高程曲线，再实测断面上下游一定范围内（根据河流规模依规范确定）的水面比降，根据穿越断面特征确定河床、漫滩的糙率后，依据曼宁公式 及Q=A× ，绘制曲线或迭代求解，即可得到穿越断面处设计频率下的水位及流速。
其中： — 河床糙率，查表确定；
R — 水力半径，R=A/L，A为过水断面面积，L为湿周即水体在断面上的侵润线。
S — 河流水面比降。
设计洪水位的计算与断面形状有关，计算时应注意收集当地的防洪、堤防建设规划、河道治理等工程建设对河流形态的影响，并考虑上下游水利工程对洪峰的调蓄。
2 枯水期参数计算
为了减少施工难度、保证施工安全，河流穿越施工一般应选择在河流枯水期进行，枯水期水文计算即为施工方案制定的提供依据。
枯水期参数可通过当地水文手册的经验公式计算，并进行走访、调查，综合判定给出合理的取值。
3 冲刷计算
为了保证管道运行安全，管道多采用沟埋敷设或顶管（箱涵）方式穿越河流，确定穿越断面处的最大一般冲刷净深度（以下简称“冲刷深度”）是河流穿越施工图设计的先决条件。
在确定拟穿越断面的设计洪峰流量、流速、洪水位之后，可根据河床断面形态，河床地层等情况，选用适宜的计算方法。
《公路工程水文勘察设计规范》（JTGC 30-2015）规范中的方法，较为常用。（JTGC30-2015）将冲刷计算按河床地层分为粘性土和非粘性土两类，可根据地层情况选用，但应注意洪峰流量的主槽与漫滩之间的流量分配。
若为卵漂石地层，需要考虑洪峰作用下漂石滚动，使得局部冲刷增大而使管道覆盖层不能满足安全要求，要适当增大冲刷深度的建议值。
若为岩质河床，目前尚无统一的计算方法，应充分收集河流上下游的工程资料，并进行实地踏勘、调查，也可查询《公路工程水文勘察设计规范》（JTGC 30-2015）附录D 给出的经验值，作为参考。
4 成果分析
计算完成后，与当地河务管理部门提供的防洪评价进行了比较，结果如下：
根据表1可知，本次水文计算与防洪评价结果吻合较好。个别差异较大的断面，经分析后，主要原因有：
1）计算依据的地形图范围有限或比例尺偏小，使得流域面积的求取存在误差，影响计算结果。
2）用多种方法计算的洪峰流量存在差异，出于安全考虑选取了计算结果中的最大值，造成计算结果偏保守，缺乏对计算方法适宜性的分析。
5 结语
河流穿越水文计算是管道穿越河流施工图设计的重要依据，也是管道工程安全运行的重要保证，因此在计算过程中要全面考虑影响因素，充分收集当地的水文资料，保证计算结果的准确、可靠。
尤其当穿越断面上下游建设有水库、滚水坝等水利设施时，要考虑水利设施对河流水情的调蓄，水库下游河床粗化及上游淤积均应加以充分的考虑。
分析本次计算结果可知，在充分收集当地水文资料和了解流域特征后，可以参考铁路、公路、水利工程水文计算的方法，适当考虑安全储备后可以为设计提供较为可靠的依据。
参考文献
[1] 中华人民共和国水利行业标准《水利水电工程设计洪水计算规范》SL 44-2006.
[2] 中华人民共和国电力行业标准《水电水利工程水文计算规范》DL/T 5431-2009.
[3] 中华人民共和国行业标准《公路工程水文勘测设计规范》JTG C30-2015.
[4] 铁道部第三勘测设计院.铁路工程设计技术手册 桥渡水文[M].北京：中国铁道出版社.
作者简介：李莹（1984年--），女，大学本科，水文与水资源工程专业，主要从事岩土工程勘察、水文地质勘察等技术管理工作。
论文作者:李莹,马国辉
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第16期
论文发表时间:2017/11/21
标签：水文论文; 河流论文; 洪水论文; 断面论文; 流域论文; 暴雨论文; 流量论文; 《建筑学研究前沿》2017年第16期论文;