跨河橋梁防洪評(píng)價(jià)中壅水計(jì)算公式分析

趙博 朱梅 鄭佳重 趙家祥 畢玲玲

【摘要】為使跨河橋梁防洪評(píng)價(jià)計(jì)算成果更加準(zhǔn)確、合理，總結(jié)分析了多種橋梁壅水簡化公式的優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件，在此基礎(chǔ)上以實(shí)際工程為例，用簡化公式法中的8種簡化公式對(duì)同一個(gè)跨河橋梁壅水進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析與討論，給出了較為適用于跨河橋梁壅水高度計(jì)算的簡化公式。

【關(guān)鍵詞】橋梁；防洪評(píng)價(jià)；壅水計(jì)算

前言

根據(jù)《中華人民共和國防洪法》等有關(guān)規(guī)定，跨河道修建橋梁等建筑物時(shí)，應(yīng)就洪水對(duì)建設(shè)項(xiàng)目可能產(chǎn)生的影響和建設(shè)項(xiàng)目對(duì)防洪可能產(chǎn)生的影響作出評(píng)價(jià)，編制防洪評(píng)價(jià)報(bào)告，提出防御措施。按照水利部2004年《河道管理規(guī)范內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目防洪評(píng)價(jià)報(bào)告編制導(dǎo)則（試行）》，防洪評(píng)價(jià)報(bào)告包括六大主要內(nèi)容，壅水分析計(jì)算是防洪評(píng)價(jià)報(bào)告重要組成部分內(nèi)容之一。目前，國內(nèi)外對(duì)于跨河橋梁壅水分析計(jì)算都有較成熟的計(jì)算公式，但跨河橋梁的壅水分析計(jì)算公式種類繁多，不同計(jì)算方法得到的結(jié)果差距較大。本文總結(jié)了不同簡化公式的優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件，然后以實(shí)際工程為例，通過對(duì)比計(jì)算和分析，并給出了較為適用于跨河橋梁壅水高度計(jì)算的簡化公式，為今后河道管理范圍內(nèi)跨河橋梁的防洪影響評(píng)價(jià)計(jì)算提供參考。

1、橋梁壅水計(jì)算公式的比較

國外跨河橋梁壅水計(jì)算的研究較早，已有一百多年的歷史，我國從20世紀(jì)50年代后期才開始進(jìn)行橋梁和路堤壅水試驗(yàn)研究工作。通過調(diào)查和試驗(yàn)，先后提出十多個(gè)橋梁壅水計(jì)算公式。

現(xiàn)行橋梁的壅水計(jì)算總體上可以分為四類：水面線法、簡化公式法、數(shù)學(xué)模型法和水工模型試驗(yàn)法。其中，簡化公式法又可以分為四類：以水流能量平衡原理為基礎(chǔ)的能量型公式，以水流動(dòng)量原理為基礎(chǔ)的動(dòng)量型公式，以堰流計(jì)算為基礎(chǔ)的堰流公式，以及主要以試驗(yàn)資料為基礎(chǔ)的經(jīng)驗(yàn)公式。由于簡化公式法所需資料較少，計(jì)算簡便，又有一定的精度，因此容易為使用單位接受和推廣，我國的橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中長期使用簡化公式。以下主要總結(jié)分析了幾種主要的橋梁壅水簡化計(jì)算公式：

①新正交橋壅水計(jì)算公式 優(yōu)點(diǎn)：該式是在總結(jié)現(xiàn)有橋梁公式的基礎(chǔ)上提出的最新公式，經(jīng)過實(shí)測資料驗(yàn)證，符合程度較好。缺點(diǎn)：只能用于正交橋的壅水計(jì)算，無法用于斜交橋的壅水計(jì)算。

②道布松公式 優(yōu)點(diǎn)：該公式形式簡單、參數(shù)容易選取，考慮因素較多，適用于各類河流。 缺點(diǎn)：阻力系數(shù)η值的取值標(biāo)準(zhǔn)和橋下平均流速計(jì)算方法過于粗略，參數(shù)選取的隨意性和不確定性大，可能會(huì)造成計(jì)算結(jié)果的不穩(wěn)定。

③美國科羅拉州大Liubradley和Pcate的經(jīng)驗(yàn)公式優(yōu)點(diǎn)：可同時(shí)用于跨渠道橋梁和跨河道橋梁的壅水計(jì)算，尤其是對(duì)大糙率的天然河流有較好的適應(yīng)性。 缺點(diǎn)：參數(shù)的選取過于粗略，并且未考慮橋下沖刷的影響。

④Henderson公式： 優(yōu)點(diǎn)：對(duì)大糙率的天然河流有較好的適應(yīng)性。經(jīng)我國鐵道部橋梁科研所通過大量的野外實(shí)地調(diào)查資料驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果比較符合實(shí)測值。缺點(diǎn)：參數(shù)的選取過于粗略，而且未考慮橋下沖刷的影響。

⑤ 實(shí)用水力學(xué)公式：優(yōu)點(diǎn)：可用于平原寬淺河流。缺點(diǎn)：不適用于斷面平均流速大的峽谷式河槽。

⑥水力學(xué)建立能量方程公式優(yōu)點(diǎn)：該式是根據(jù)《水力學(xué)》中實(shí)際液體恒定總流量能量方程簡化而得的，形式簡單，參數(shù)容易選取。缺點(diǎn)：只考慮了局部損失，忽略了沿程損失，沒有考慮工程實(shí)際情況。

⑦曹瑞章公式優(yōu)點(diǎn)：該式形式簡單，參數(shù)較少，計(jì)算方便，一般尚能比較符合實(shí)際。缺點(diǎn)：未考慮墩形，沖刷系數(shù)的選取受人為因素影響較大。

⑧陸浩公式優(yōu)點(diǎn)：通過了模型試驗(yàn)和天然壅水資料的驗(yàn)證；對(duì)平均流速小的寬淺河道及平均流速較大的峽谷均有較好的適應(yīng)性。缺點(diǎn)：對(duì)橋墩形狀因素考慮不夠，沖刷系數(shù)的選取帶有明顯的經(jīng)驗(yàn)性和任意性。

2、壅水計(jì)算的工程實(shí)例

2.1 工程概況

某新建大橋全長374.86m。橋跨布置：橋墩跨度分為32m和64m兩種，采用5×32m預(yù)制后張發(fā)簡支混凝土梁+1×64m下乘式鋼桁梁+ 4×32m預(yù)制后張發(fā)簡支混凝土梁；采用單線圓端形實(shí)體橋墩；單線T形橋臺(tái)；φ1000mm鋼筋混凝土鉆孔樁基礎(chǔ)。鉆孔樁直徑采用φ1.0m，主跨樁直徑采用φ1.05m。橋梁設(shè)計(jì)橋墩軸線與水流方向夾角為0°。

2.2 壅水計(jì)算

大橋所在河段不同過流水位條件下的流量、水位情況，以及橋梁橋墩阻水情況見表1。

根據(jù)表1中的橋位河段各級(jí)頻率的流量、水位成果，結(jié)合橋梁橋墩阻水情況，為了更好地對(duì)不同簡化公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，利用上述簡化計(jì)算公式計(jì)算橋位處不同頻率洪水條件下的橋梁阻水壅高值，計(jì)算成果及對(duì)比情況見表2。

2.3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述八種簡化公式對(duì)同一跨河橋梁壅水高度的計(jì)算，可以得出以下結(jié)果：

（1）計(jì)算結(jié)果具有近似性

①～④式的計(jì)算結(jié)果較為接近；⑥～⑦式的計(jì)算結(jié)果也較為接近；⑤和⑧式的計(jì)算結(jié)果近似接近。

（2）計(jì)算結(jié)果具有差異性

①～④式的數(shù)值偏??；⑥～⑦式的計(jì)算數(shù)值偏大；⑤和⑧式的計(jì)算結(jié)果介于①～④式和⑥～⑦式之間。

3、討論與分析

以實(shí)際工程為例，采用簡化公式法中的8種簡化公式同一跨河橋梁壅水進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算，計(jì)算結(jié)果既具有近似性，又具有差異性，以下將對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行深入談?wù)撆c分析。

（1）計(jì)算結(jié)果之所以會(huì)有近似性，是因?yàn)楹喕?jì)算公式的絕大多數(shù)參數(shù)是根據(jù)試驗(yàn)資料或?qū)崪y資料通過回歸分析等方法近似確定，這就決定了簡化公式的結(jié)果都有近似性。

（2）計(jì)算結(jié)果之所以會(huì)有差異，是由于簡化計(jì)算公式的研究背景、實(shí)驗(yàn)條件和考慮因素各不相同，都具有一定的局限性和特定的使用條件；同時(shí)，橋梁壅水受河道水流流態(tài)、邊界條件、等諸多因素影響，很難準(zhǔn)確求得所有因素，使得計(jì)算結(jié)果有時(shí)候偏差較大。

（3）公式①～④的計(jì)算結(jié)果較為接近，但是公式①、③、④參數(shù)較多，公式②的計(jì)算結(jié)果與①～④式計(jì)算結(jié)果的平均值較為接近，且公式②參數(shù)較少，考慮因素較多，適用于各類河流。

（4）公式⑤、⑦、⑧參數(shù)較多，參數(shù)難以準(zhǔn)確選取，往往帶有明顯的經(jīng)驗(yàn)性和任意性，而公式⑥沒有考慮工程實(shí)際情況，因此，計(jì)算結(jié)果可能與實(shí)際情況偏差較大。

根據(jù)以上分析討論，公式②參數(shù)較少，考慮因素較多，適用于各類河流，能夠滿足計(jì)算精度的要求?？紤]到一般中小河流資料較少，參數(shù)難以準(zhǔn)確選取，公式①～④的結(jié)果也較為接近，因此，對(duì)于一般中小河流的跨河橋梁壅水高度計(jì)算，從參數(shù)選取的難易程度以及計(jì)算結(jié)果的精度考慮，建議選用公式②；由于公式②也存在著一定的不確定性，所以可用公式①、③、④進(jìn)行驗(yàn)證校核，使橋梁壅水計(jì)算結(jié)果更加符合實(shí)際情況，確?？绾訕蛄汗こ疼账?jì)算的可靠性。

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