不同行業(yè)橋梁壅水計(jì)算公式比較分析

張旭

（深圳市深水水務(wù)咨詢有限公司，廣東深圳518003）

不同行業(yè)橋梁壅水計(jì)算公式比較分析

張旭

（深圳市深水水務(wù)咨詢有限公司，廣東深圳518003）

橋梁壅水計(jì)算是建設(shè)項(xiàng)目防洪評(píng)價(jià)及橋梁水力計(jì)算的主要內(nèi)容之一。橋梁壅水計(jì)算結(jié)果直接影響到橋梁上下游河岸堤防的修筑高度和橋梁的橋下凈空設(shè)計(jì)。但是，不同行業(yè)采用的橋梁壅水計(jì)算公式不盡相同。文章主要對(duì)不同行業(yè)規(guī)范推薦的或常用的壅水計(jì)算公式比較分析，研究其理論依據(jù)、適用條件等，結(jié)合深圳市常見跨徑涉河橋梁工程實(shí)例研究其計(jì)算結(jié)果的差異，為河岸堤防及橋梁設(shè)計(jì)提供可參考的依據(jù)。

橋梁壅水；不同行業(yè)；計(jì)算公式；比較分析

0　引　　言

在涉河影響建筑物中，跨河橋梁是主要形式之一。設(shè)置在河道中的橋墩（臺(tái)）不同程度的減少了橋下過流斷面的面積，造成橋梁壅水，直接的影響是抬高了橋梁上游水位，增大了淹沒面積，在壅水影響線內(nèi)的河道堤防都要考慮加高，橋梁凈空的設(shè)計(jì)也必須考慮橋梁壅水的影響。根據(jù)《河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目防洪評(píng)價(jià)報(bào)告編制導(dǎo)則（試行）》的規(guī)定“對(duì)占用河道斷面，影響洪水下泄的阻水建筑物，應(yīng)進(jìn)行壅水計(jì)算”。但水利行業(yè)、公路行業(yè)及鐵路行業(yè)橋梁壅水計(jì)算規(guī)范或手冊(cè)推薦的計(jì)算公式都不盡相同。

1　不同行業(yè)橋梁壅水計(jì)算公式

1.1水利行業(yè)橋梁壅水計(jì)算公式

水利行業(yè)常用的橋梁壅水計(jì)算公式為《水利計(jì)算手冊(cè)》（第二版）中推薦的無坎寬頂堰流公式，該公式由能量方程推導(dǎo)而來，建立在堰流理論和渠道橋梁壅水試驗(yàn)的基礎(chǔ)之上。一般情況下，水流流經(jīng)橋孔，由于受橋臺(tái)、橋墩的側(cè)向約束，使過水?dāng)嗝鏈p小，形成寬頂堰溢流。由于橋孔下坎高度為零，故橋孔的過水可以看做無底坎平底（i=0）的寬頂堰溢流。

式中：Q——通過橋孔的流量，m3；μ1——與橋孔進(jìn)出口型式有關(guān)的流量系數(shù)，扭曲面取0.90，錐形護(hù)坡取0.81，八字翼墻取0.76，淹沒拱腳的拱橋取0.6，無量綱；μ2——與橋墩形狀及阻水比有關(guān)的流量系數(shù)，無量綱；ω——橋孔總過水?dāng)嗝婷娣e，m3；△Z0——上游壅高水頭，△Z0=△Z+v20/2g，m；△Z——水面壅高值，m；v20/2g——上游渠道行近流速水頭，m，一般可忽略；v0——上游渠道行近流速，m/s；g—重力加速度，m/s3。

由公式（1）的構(gòu)成可以看出，水利行業(yè)壅水計(jì)算公式考慮橋孔進(jìn)出口型式及橋墩形狀因素對(duì)壅高值的影響，μ1和μ2這2個(gè)相關(guān)系數(shù)都不同程度的加大了壅高值。但是，公式中沒有考慮河底過流沖刷對(duì)壅高值的影響。

1.2公路行業(yè)橋梁壅水計(jì)算公式

公路行業(yè)現(xiàn)行的JTGC30-2002《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》沒有列入橋梁壅水的計(jì)算公式，但是《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)指南》推薦下式作為計(jì)算橋前最大壅水高度的計(jì)算公式。

式中：△Z——橋前最大壅水高度，m；KY——修正系數(shù)，當(dāng)橋下河床為巖石或有鋪砌時(shí)，取1.0；KN——定床壅水系數(shù)；vM——沖刷后橋下平均流速，m/s，當(dāng)橋下河床為巖石或有鋪砌時(shí)，即為vM；vM——沖刷前橋下平均流速，為設(shè)計(jì)流量除以橋下凈過水面積，m/s；v0M——天然狀態(tài)下橋孔部分平均流速，m/s；vc——河槽平均流速，m/s；d50——河床質(zhì)中值粒徑，即按質(zhì)量計(jì)50%都較它為小的粒徑，無量綱；g——重力加速度，m/s3。

公式（2）系鐵道部科學(xué)研究院陸浩、曹瑞章、王玉潔1998年的鐵道部課題成果，也是由能量方程推導(dǎo)而來，根據(jù)我國(guó)模型試驗(yàn)和40余座橋梁調(diào)查資料，經(jīng)過多年不斷完善和檢驗(yàn)制定的，考慮了建橋前后過水面積的變化和河床沖刷對(duì)壅水高值的影響，但是沒有像無坎寬頂堰流公式那樣考慮橋孔進(jìn)出口型式及橋墩形狀有關(guān)的因素影響。

1.3鐵路行業(yè)橋梁壅水計(jì)算公式

鐵路行業(yè)橋梁壅水計(jì)算公式（6）在TB10017-99《鐵路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》已經(jīng)列入。公式（6）的形式比較簡(jiǎn)單，也是根據(jù)水力學(xué)原理由能量公式推導(dǎo)而來，資料容易取得，系數(shù)包含了河流類型、橋渡壓縮條件和考慮了沖刷的影響，計(jì)算簡(jiǎn)便，經(jīng)多年使用，一般尚能比較切合實(shí)際。但是，這個(gè)公式同樣也沒有考慮橋孔進(jìn)出口型式及橋墩形狀有關(guān)的因素影響。

式中：△Zm——橋前最大壅水高度，m；η——與河段特征及阻水比有關(guān)的系數(shù)，按表1規(guī)定取值，無量綱——斷面平均流速，為設(shè)計(jì)流量被全河過水?dāng)嗝妫òㄟ厼┖秃訛┏弥?，m/s；——橋下平均流速，與土質(zhì)及顆粒直徑有關(guān)，m/s。

2　不同行業(yè)橋梁壅水計(jì)算公式比較分析

這3個(gè)簡(jiǎn)化公式都是以水流能量守恒原理為基礎(chǔ)，通過某些假定，并根據(jù)一定的野外（室內(nèi)）試驗(yàn)及調(diào)查資料驗(yàn)證建立起來的，都具有半理論半經(jīng)驗(yàn)特點(diǎn)。

表1　η系數(shù)

水利行業(yè)的計(jì)算公式（1）以堰流理論為基礎(chǔ)，計(jì)算公式就是無坎寬頂堰公式，參數(shù)中主要的流量系數(shù)是橋孔進(jìn)出口型式和橋墩形狀這兩個(gè)因素。由系數(shù)值可以看出由較平順型式過渡到欠平順的進(jìn)出口型式（扭曲面型式～淹沒拱腳的拱橋型式）壅高值在加大；同樣的橋墩形狀，橋墩阻水比越大，壅高值也越大。

公路行業(yè)采用的計(jì)算公式（2）比較復(fù)雜，考慮了天然狀態(tài)下河道的平均流速、建橋后沖刷前的平均流速及建橋后沖刷后的平均流速，沖刷對(duì)流速的影響通過河床質(zhì)中值粒徑因素來描述。鐵路行業(yè)的計(jì)算公式（6）形式簡(jiǎn)單，也考慮了河道沖刷沖刷的影響，但是處理方式比較粗糙，直接采用三種土質(zhì)定性描述，這和公路行業(yè)公式對(duì)沖刷的處理方式不同，略顯簡(jiǎn)單。公式中的系數(shù)的數(shù)值對(duì)計(jì)算壅高值影響非常明顯。

3　工程實(shí)例

3.1工程實(shí)例計(jì)算過程

為了比較不同行業(yè)橋梁壅水公式計(jì)算結(jié)果的差異，以深圳市樓村水綜合整治工程中兩座新建橋梁為例進(jìn)行計(jì)算。2座交通橋設(shè)計(jì)洪水位為50年一遇，設(shè)計(jì)荷載為公路Ⅱ級(jí)，橋梁上部結(jié)構(gòu)兩跨16m空心板梁，橋面總寬11m，橋墩采用3根直徑1000mm鋼筋混凝土柱，柱頂設(shè)蓋梁，橋臺(tái)采用鋼筋混凝土輕型橋臺(tái)，橋梁基礎(chǔ)均采用沖（鉆）孔灌注樁形式。

2座橋梁特性如表2所示，采用不同行業(yè)橋梁壅水公式計(jì)算得到的2座橋梁洪水壅高值結(jié)果如表3所示。

3.2工程實(shí)例計(jì)算結(jié)果分析

由計(jì)算結(jié)果可知：水利行業(yè)公式計(jì)算的壅高值最大，鐵路行業(yè)計(jì)算的壅高值最小，水利行業(yè)公式計(jì)算結(jié)果與公路行業(yè)公式計(jì)算結(jié)果比較接近。

表2　橋梁特性表

表3　橋墩阻水壅高值計(jì)算成果

鐵路行業(yè)公式的計(jì)算結(jié)果明顯小于水利行業(yè)公式和公路行業(yè)公式計(jì)算的壅高值。水利行業(yè)公式由于沒有考慮沖刷的影響，在其他邊界條件基本相同情況下，橋下有沒有鋪砌對(duì)結(jié)果沒有影響。公路行業(yè)公式由于考慮了沖刷影響，橋下為天然土層的橋前壅水高值要比護(hù)砌情況的壅高值大約55%，比較符合實(shí)際的沖刷壅高情況，但是壅高總值都不大。所以，對(duì)于深圳市河道中這種跨徑不是很大、阻水比小的跨河橋，在工程設(shè)計(jì)或防洪評(píng)價(jià)計(jì)算壅水高值公式的選取上，建議采用水利行業(yè)公式，計(jì)算簡(jiǎn)單，結(jié)果一般尚能比較切合實(shí)際。

4　結(jié)語

主要對(duì)不同行業(yè)規(guī)范推薦的或常用的壅水計(jì)算公式進(jìn)行比較分析，研究其理論依據(jù)、適用條件等，結(jié)合深圳市常見跨徑涉河橋梁工程實(shí)例研究其計(jì)算結(jié)果的差異。結(jié)果表明：對(duì)于深圳市河道中跨徑不是很大，阻水比小的跨河橋，在工程設(shè)計(jì)或防洪評(píng)價(jià)計(jì)算橋梁壅水高值公式的選取上，建議采用水利行業(yè)公式。

［1］中華人民共和國(guó)水利部.辦建管［2004］109號(hào).河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目防洪評(píng)價(jià)報(bào)告編制導(dǎo)則（試行）.2004.

［2］李煒.水利計(jì)算手冊(cè)（第二版）［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.

［3］JTGC30-2002，公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］高冬光，王亞玲.橋涵水文（第四版）［M］.北京：人民交通出版社，2008.

［5］TB10017-99，鐵路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［文章編號(hào)］1002－0624（2015）10－0011－02

TU997

B

1002－0624（2015）10－0004－02

2015-07-15