基于橋墩水痕與推理公式法的橋梁水害預(yù)測

吳雪峰，李秀娟

(1.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300142;2.天津大學(xué)化工學(xué)院，天津300072)

在公路、鐵路、城市和農(nóng)村道路以及水利建設(shè)中，為了跨越各種障礙，必須修建各種橋涵，它們往往是保證全線早日通車的關(guān)鍵。在經(jīng)濟(jì)上，橋涵造價(jià)平均占公路總造價(jià)的10%～20%;在國防上，橋梁是交通運(yùn)輸?shù)难屎?，在需要高速、機(jī)動的現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，它具有十分重要的地位。因此，為了保證正常的交通運(yùn)輸，必須保證橋涵安全可靠［1］。

1991年Shirhole等人對美國已毀壞的823座橋梁的毀壞原因進(jìn)行分析，得到的結(jié)果見表1。

表1 美國橋梁毀壞原因分析［2］

可見，在美國水毀橋梁是超載毀壞橋梁的6倍，地震破壞橋梁的20倍。

我國地處亞歐大陸東側(cè)，跨高、中、低三個(gè)緯度區(qū)，季風(fēng)特點(diǎn)十分顯著，降水在季節(jié)分布上不均勻。全年的降水量大部分集中在夏季濕潤高溫的時(shí)期，且多以暴雨形式出現(xiàn)，容易形成洪澇災(zāi)害。

因此，我國橋梁歷來遭受洪水破壞的情況同樣嚴(yán)重。據(jù)交通部不完全統(tǒng)計(jì)，1977年9省(區(qū))水毀橋梁975座，總長5 150 m;局部水毀橋梁134座，總長3 481 m;水毀涵洞2 756個(gè)，水毀損失約5 400萬元;1995～1997年，我國平均每年公路水毀的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)52億元，其中水毀橋梁達(dá)3 945座;2006年，全國公路水毀的直接經(jīng)濟(jì)損失已達(dá)63億元，其中毀壞橋梁達(dá)2 583座。

可見，水毀是世界各國橋梁面臨的最嚴(yán)重的自然災(zāi)害。如何在洪水發(fā)生前對橋梁即將面對的狀況作出有效的預(yù)測，具有重大現(xiàn)實(shí)意義。

1 橋梁水毀原因

橋梁水毀的原因從水文角度看，最重要的有兩個(gè)［3］。

1.1 橋梁的設(shè)計(jì)流量選取不合理

中小流域橋梁設(shè)計(jì)流量的確定，往往在缺少相關(guān)水文資料條件下進(jìn)行，一般采用成因分析的方法來推算橋梁設(shè)計(jì)洪水。前人在中小流域橋梁水文設(shè)計(jì)研究中已提出了許多方法，但這些方法大部分是經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算方法不甚完善且計(jì)算繁瑣，使孔徑設(shè)計(jì)遇到了許多困難。設(shè)計(jì)流量確定過大，橋梁修得過大，是一種浪費(fèi);設(shè)計(jì)流量確定過小，橋梁跨徑或基礎(chǔ)埋置深度不夠，建橋后當(dāng)洪水到來時(shí)不能及時(shí)泄洪就會發(fā)生水害。

1.2 建橋后水文條件的變化

既有橋修好后，生態(tài)環(huán)境發(fā)生了巨大變化，導(dǎo)致橋梁水文設(shè)計(jì)參數(shù)發(fā)生了變化，由原來的設(shè)計(jì)參數(shù)得出的設(shè)計(jì)流量已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在泄洪的需要。如:大地植被在修橋前后發(fā)生了較大的變化，在設(shè)計(jì)時(shí)看來不大的降雨，到現(xiàn)在可能形成較大的洪水，有的甚至威脅橋梁的安全;非法挖沙使河床變得粗糙，改變了糙率系數(shù)，削弱了橋梁的過洪能力，致使橋梁容易出現(xiàn)事故。

2 推理公式法［3］、［4］

中小流域河流及溝渠的橋涵的設(shè)計(jì)流量，一般由暴雨資料來推求。從洪水的成因出發(fā)，涉及暴雨、產(chǎn)流和匯流過程，通過一定的概化條件，可以計(jì)算出橋位斷面的洪峰流量。在徑流成因公式的基礎(chǔ)上進(jìn)一步簡化，便可得到計(jì)算洪峰流量的推理公式。

推理公式法形式多樣。其中，我國水利科學(xué)研究院水文研究所的推理公式法應(yīng)用較為普遍。該推理公式法作了如下假定。

(1)假定流域的降雨過程與損失過程的差為產(chǎn)流過程，并把匯流時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的徑流概化為強(qiáng)度不變的過程;

(2)把匯流面積曲線概化成矩形;

(3)假設(shè)暴雨和洪水同頻率，與流量有關(guān)的其他參數(shù)不再有頻率的概念。

依據(jù)上述假定，頻率為p的設(shè)計(jì)流量(m3/s)

式中:0.278為流量與暴雨強(qiáng)度單位統(tǒng)一的乘子;

ap為頻率為p的暴雨強(qiáng)度(mm/h);F為流域面積(km2);

a為洪峰流量系數(shù)。

暴雨強(qiáng)度ap(mm/h)與雨力sp(mm/h)的關(guān)系為:

式中:n為暴雨衰減指數(shù);

τ為流域匯流時(shí)間(h)。

式中:m為流域匯流參數(shù);

Lc為流域全長(km);

I為沿最遠(yuǎn)流程的平均坡度。

據(jù)產(chǎn)流歷時(shí)tc與流域匯流時(shí)間τ的關(guān)系，匯流可分為全面匯流與部分匯流兩種情況。

(1)全面匯流

tc≥τ時(shí)，出口斷面處的洪峰流量由全流域匯流形成。

(2)部分匯流

tc＜τ時(shí)，出口斷面處的洪峰流量由部分面積匯流形成。

令f為形成洪峰流量的部分流域面積(如圖1所示)，在求得ltc后，可在流域地形圖上取得相應(yīng)的最大面積，即為f。

圖1 部分匯流面積示意

根據(jù)推理公式法假定(2)，部分面積匯流形成的洪峰流量

式中:hR為由主雨峰產(chǎn)生的徑流深(mm)。

推理公式法的理論依據(jù)是等流時(shí)線原理［5］。根據(jù)推理公式法可以簡便地求出某一暴雨對應(yīng)的流量，這對于缺乏流量觀測資料的中小流域橋梁具有十分重要的意義。但對于大多數(shù)中小流域橋梁，流域面積較難獲取，這無疑給推理公式計(jì)算洪峰流量帶來一定困難。

3 基于橋墩水痕的換算流域面積

3.1 橋墩水痕

大量調(diào)查發(fā)現(xiàn)，橋梁在歷年洪水作用下，由于洪水的浸泡沖刷，導(dǎo)致墩臺材料某些成分流失，從而在墩臺上留下一條明顯的痕跡，而且水位越高，痕跡越清晰，可靠度越高。

圖2為京廣線橋1538橋墩上遺留下來的歷史水痕［6］，圖上標(biāo)注的數(shù)據(jù)為實(shí)測的歷史水痕的高程(單位:m)。

圖2 京廣線橋1538橋墩水痕圖

圖2中的一條水痕記錄了歷史上一次暴雨時(shí)的水位。由于機(jī)構(gòu)調(diào)整，人員變動，京廣線橋1538的可靠記錄只保留有6項(xiàng)。表2是圖2歷史水痕實(shí)測與記錄對照。

表2 歷史水痕實(shí)測與記錄對照

可以看出，歷史洪水的當(dāng)時(shí)記錄與現(xiàn)時(shí)水痕實(shí)測值的誤差較小，利用實(shí)測水痕是可靠的。這樣，對于偏遠(yuǎn)地區(qū)缺乏水文資料的大量中小橋，可以利用橋墩水痕記錄的水位標(biāo)高，結(jié)合當(dāng)?shù)氐慕涤曩Y料，利用推理公式法求出流域面積等信息。

3.2 換算流域面積

流域面積是一個(gè)重要的地貌參數(shù)，幾乎所有的流域地貌參數(shù)都與流域面積有一定關(guān)系。為敘述方便，本文將由暴雨平均強(qiáng)度及水痕對應(yīng)洪峰流量直接根據(jù)推理公式法推求的流域面積稱為換算流域面積，記作Fe。它的意義在于將暴雨損失和地下徑流對橋位斷面流量的影響都?xì)w到換算流域面積Fe中進(jìn)行考慮。

設(shè)橋墩水痕標(biāo)高為Hmax，由謝才－滿寧公式，橋墩水痕相對應(yīng)的洪峰流量

式中:1/n為糙率系數(shù)，其中n為糙率;

R為水力半徑，R=ω/p(m)，p為過水?dāng)嗝鏉裰?

ω為流水?dāng)嗝婷娣e(m2)。

由推理公式法，流域的換算流域面積

4 實(shí)例分析

江西境內(nèi)有拱橋一座，左河灘與右河灘的糙率系數(shù)均為12，主河槽的糙率系數(shù)為20，匯流參數(shù)m=1.2，橋位斷面以上主河道長度L=32.8 km，橋前的水面坡度I=4‰，每孔橋墩間距為20.6 m，橋梁與水流正交。該橋的橋址處河床斷面如圖3所示。

圖3 橋址處河床斷面

由歷史橋墩水痕，該橋所在流域的歷史日最大暴雨量與其相應(yīng)的水位值見表3。

表3 日最大暴雨量與橋墩水痕記錄的水位關(guān)系

1993年橋墩水痕標(biāo)高為96.91 m，與之相對應(yīng)的日最大暴雨為252 mm，根據(jù)暴雨強(qiáng)度公式，查地方水文手冊取暴雨衰減指數(shù)為0.65，可得最大匯流時(shí)間內(nèi)平均暴雨強(qiáng)度為18.6 mm/h。利用謝才－滿寧公式計(jì)算與橋墩水痕對應(yīng)的洪水洪峰流量為534.42 m3/s。根據(jù)推理公式法計(jì)算橋位斷面以上流域的換算流域面積。

2008年9月某日根據(jù)橋位上游水文站對降雨的觀測，產(chǎn)流時(shí)間3 h內(nèi)的暴雨量為72 mm，屬于部分匯流情況，根據(jù)推理公式法計(jì)算洪峰流量

流域最大匯流歷時(shí)

經(jīng)現(xiàn)場觀測，此次暴雨在橋位處形成的洪水洪峰流量約為220 m3/s，與預(yù)測的210 m3/s比較接近。

5 結(jié)論

(1)從歷史橋墩水痕出發(fā)，利用推理公式法推求橋位以上流域的換算流域面積。避免了為獲取相關(guān)流域資料預(yù)測橋梁水害而必須進(jìn)行的繁重外業(yè)，大大降低了外業(yè)勞動的強(qiáng)度。

(2)換算流域面積是本文提出的新概念，換算流域面積的提出解決了過去進(jìn)行流域匯流計(jì)算時(shí)必須計(jì)算暴雨損失、劃分地面地下徑流等難題，利用換算流域面積來考慮暴雨損失、地下徑流等對洪峰流量的影響，提高了預(yù)測效率。

(3)根據(jù)預(yù)報(bào)暴雨量，可以很方便地利用本文方法進(jìn)行流量預(yù)測，從而對既有橋梁安全作出及時(shí)準(zhǔn)確的預(yù)測。

［1］范立礎(chǔ).橋梁工程［M］.北京:人民交通出版社，2001

［2］凌天清.公路與橋梁抗洪分析［M］.北京:人民交通出版社，1999

［3］文雨松.橋涵水文［M］.北京:中國鐵道出版社，2005

［4］鐵道部第三勘測設(shè)計(jì)院.橋渡水文［M］.北京:中國鐵道出版社，1999

［5］葉鎮(zhèn)國.土木工程水文學(xué)［M］.北京:人民交通出版社，2000

［6］文雨松.基于橋墩歷史水痕與氣象預(yù)報(bào)的中小橋水害預(yù)測［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2010，32(2):141－144