基于桥墩水痕与推理公式法的桥梁水害预测

2012-10-27吴雪峰李秀娟

四川建筑 2012年1期

吴雪峰，李秀娟

(1.铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300142;2.天津大学化工学院，天津300072)

在公路、铁路、城市和农村道路以及水利建设中，为了跨越各种障碍，必须修建各种桥涵，它们往往是保证全线早日通车的关键。在经济上，桥涵造价平均占公路总造价的10%～20%;在国防上，桥梁是交通运输的咽喉，在需要高速、机动的现代战争中，它具有十分重要的地位。因此，为了保证正常的交通运输，必须保证桥涵安全可靠［1］。

1991年Shirhole等人对美国已毁坏的823座桥梁的毁坏原因进行分析，得到的结果见表1。

表1 美国桥梁毁坏原因分析［2］

可见，在美国水毁桥梁是超载毁坏桥梁的6倍，地震破坏桥梁的20倍。

我国地处亚欧大陆东侧，跨高、中、低三个纬度区，季风特点十分显著，降水在季节分布上不均匀。全年的降水量大部分集中在夏季湿润高温的时期，且多以暴雨形式出现，容易形成洪涝灾害。

因此，我国桥梁历来遭受洪水破坏的情况同样严重。据交通部不完全统计，1977年9省(区)水毁桥梁975座，总长5 150 m;局部水毁桥梁134座，总长3 481 m;水毁涵洞2 756个，水毁损失约5 400万元;1995～1997年，我国平均每年公路水毁的直接经济损失达52亿元，其中水毁桥梁达3 945座;2006年，全国公路水毁的直接经济损失已达63亿元，其中毁坏桥梁达2 583座。

可见，水毁是世界各国桥梁面临的最严重的自然灾害。如何在洪水发生前对桥梁即将面对的状况作出有效的预测，具有重大现实意义。

1 桥梁水毁原因

桥梁水毁的原因从水文角度看，最重要的有两个［3］。

1.1 桥梁的设计流量选取不合理

中小流域桥梁设计流量的确定，往往在缺少相关水文资料条件下进行，一般采用成因分析的方法来推算桥梁设计洪水。前人在中小流域桥梁水文设计研究中已提出了许多方法，但这些方法大部分是经验或半经验公式，计算方法不甚完善且计算繁琐，使孔径设计遇到了许多困难。设计流量确定过大，桥梁修得过大，是一种浪费;设计流量确定过小，桥梁跨径或基础埋置深度不够，建桥后当洪水到来时不能及时泄洪就会发生水害。

1.2 建桥后水文条件的变化

既有桥修好后，生态环境发生了巨大变化，导致桥梁水文设计参数发生了变化，由原来的设计参数得出的设计流量已经不能满足现在泄洪的需要。如:大地植被在修桥前后发生了较大的变化，在设计时看来不大的降雨，到现在可能形成较大的洪水，有的甚至威胁桥梁的安全;非法挖沙使河床变得粗糙，改变了糙率系数，削弱了桥梁的过洪能力，致使桥梁容易出现事故。

2 推理公式法［3］、［4］

中小流域河流及沟渠的桥涵的设计流量，一般由暴雨资料来推求。从洪水的成因出发，涉及暴雨、产流和汇流过程，通过一定的概化条件，可以计算出桥位断面的洪峰流量。在径流成因公式的基础上进一步简化，便可得到计算洪峰流量的推理公式。

推理公式法形式多样。其中，我国水利科学研究院水文研究所的推理公式法应用较为普遍。该推理公式法作了如下假定。

(1)假定流域的降雨过程与损失过程的差为产流过程，并把汇流时间内所产生的径流概化为强度不变的过程;

(2)把汇流面积曲线概化成矩形;

(3)假设暴雨和洪水同频率，与流量有关的其他参数不再有频率的概念。

依据上述假定，频率为p的设计流量(m3/s)

式中:0.278为流量与暴雨强度单位统一的乘子;

ap为频率为p的暴雨强度(mm/h);F为流域面积(km2);

a为洪峰流量系数。

暴雨强度ap(mm/h)与雨力sp(mm/h)的关系为:

式中:n为暴雨衰减指数;

τ为流域汇流时间(h)。

式中:m为流域汇流参数;

Lc为流域全长(km);

I为沿最远流程的平均坡度。

据产流历时tc与流域汇流时间τ的关系，汇流可分为全面汇流与部分汇流两种情况。

(1)全面汇流

tc≥τ时，出口断面处的洪峰流量由全流域汇流形成。

(2)部分汇流

tc＜τ时，出口断面处的洪峰流量由部分面积汇流形成。

令f为形成洪峰流量的部分流域面积(如图1所示)，在求得ltc后，可在流域地形图上取得相应的最大面积，即为f。

图1 部分汇流面积示意

根据推理公式法假定(2)，部分面积汇流形成的洪峰流量

式中:hR为由主雨峰产生的径流深(mm)。

推理公式法的理论依据是等流时线原理［5］。根据推理公式法可以简便地求出某一暴雨对应的流量，这对于缺乏流量观测资料的中小流域桥梁具有十分重要的意义。但对于大多数中小流域桥梁，流域面积较难获取，这无疑给推理公式计算洪峰流量带来一定困难。

3 基于桥墩水痕的换算流域面积

3.1 桥墩水痕

大量调查发现，桥梁在历年洪水作用下，由于洪水的浸泡冲刷，导致墩台材料某些成分流失，从而在墩台上留下一条明显的痕迹，而且水位越高，痕迹越清晰，可靠度越高。

图2为京广线桥1538桥墩上遗留下来的历史水痕［6］，图上标注的数据为实测的历史水痕的高程(单位:m)。

图2 京广线桥1538桥墩水痕图

图2中的一条水痕记录了历史上一次暴雨时的水位。由于机构调整，人员变动，京广线桥1538的可靠记录只保留有6项。表2是图2历史水痕实测与记录对照。

表2 历史水痕实测与记录对照

可以看出，历史洪水的当时记录与现时水痕实测值的误差较小，利用实测水痕是可靠的。这样，对于偏远地区缺乏水文资料的大量中小桥，可以利用桥墩水痕记录的水位标高，结合当地的降雨资料，利用推理公式法求出流域面积等信息。

3.2 换算流域面积

流域面积是一个重要的地貌参数，几乎所有的流域地貌参数都与流域面积有一定关系。为叙述方便，本文将由暴雨平均强度及水痕对应洪峰流量直接根据推理公式法推求的流域面积称为换算流域面积，记作Fe。它的意义在于将暴雨损失和地下径流对桥位断面流量的影响都归到换算流域面积Fe中进行考虑。

设桥墩水痕标高为Hmax，由谢才－满宁公式，桥墩水痕相对应的洪峰流量

式中:1/n为糙率系数，其中n为糙率;

R为水力半径，R=ω/p(m)，p为过水断面湿周;

ω为流水断面面积(m2)。

由推理公式法，流域的换算流域面积

4 实例分析

江西境内有拱桥一座，左河滩与右河滩的糙率系数均为12，主河槽的糙率系数为20，汇流参数m=1.2，桥位断面以上主河道长度L=32.8 km，桥前的水面坡度I=4‰，每孔桥墩间距为20.6 m，桥梁与水流正交。该桥的桥址处河床断面如图3所示。

图3 桥址处河床断面

由历史桥墩水痕，该桥所在流域的历史日最大暴雨量与其相应的水位值见表3。

表3 日最大暴雨量与桥墩水痕记录的水位关系

1993年桥墩水痕标高为96.91 m，与之相对应的日最大暴雨为252 mm，根据暴雨强度公式，查地方水文手册取暴雨衰减指数为0.65，可得最大汇流时间内平均暴雨强度为18.6 mm/h。利用谢才－满宁公式计算与桥墩水痕对应的洪水洪峰流量为534.42 m3/s。根据推理公式法计算桥位断面以上流域的换算流域面积。