桥梁工程阻水比与河道水位关系初步探讨
2014-12-30许可陈凯
许可+陈凯
摘 要：该文主要分析了桥梁工程阻水比与河道水位关系，阐述了在当前形势下，针对两者进行研究的重要性，针对目前桥墩阻水面积及河道过流面积与桥墩布置之间的关系进行研究。笔者通过研究，总结和归纳自身多年工作经验，希望通过该文的分析能帮助桥梁建筑单位提高工程项目工作水平和质量，能更好地应对工作中存在的问题。
关键词：桥梁工程 阻水比 河道水位
中图分类号：U442 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）11（a）-0006-02
在进行河道桥梁建造工程时，桥墩及其承台等下部结构会对河道水流产生阻碍作用。桥墩及其承台等下部结构会占用河道部分行洪过流面积，增大局部而对水流阻力，而其阻挡水流所占的面积和墩台侧面产生的涡流阻滞水流所占的面积称之为墩台阻水面积。该桥梁的面积阻水比主要是通过墩台阻水面积除以该水位下的河道断面总面积。面积阻水比在一定的程度上可以反映桥梁工程的壅水影响程度。天然河道中不同水位下的桥墩阻水程度是不一样的。有的桥墩阻水比与河道水位成正比，有的却成反比，还有的会随着河道水位的升高而呈现出无规律性。
笔者根据调查珠江流域中67座跨河所有类型的桥梁阻水比，发现其中37座桥成正比，占总量的55%;22座桥成反比，占总量的32%;8座桥无明显变化，占总量的12%。
1 概化河道
1.1 梯形河道
通常所说的梯形河道主要是指一些河床的断面，其形态特征类似于“U”形的不规则河谷，且存在于天然河道中，如图1。
图1表示了在概化梯形河道中，桥墩分别位于河槽、岸坡、以及河槽与岸坡均有桥墩时，阻水比水位变化关系。当在河槽内进行桥墩布置时，阻水比与水位变化关系呈反比，而与边坡系数没有关系。当在岸坡或河槽与岸坡都有时，边坡系数小于1，桥墩阻水比与水位变化呈正比关系。由此可知，对于简单的梯形河道而言桥梁工程受到桥墩位置和边坡倾斜程度的双重影响。
对于简单的梯形河道来说，如果当水位上升时，桥墩阻水面积增幅与河道水流面积增幅的比值反而降低，那么就意味着，桥墩阻水面积的增幅小于河道过流面积增幅，这种情况下水位和阻水比的关系主要是呈反比。而当桥墩阻水面积增幅与河道水流面积增幅的比值随着水位的升高而增大时，表示随着水位的升高，河道过流面积增幅，阻水比与水位关系呈正比。如果随着水位的升高，桥墩阻水面积与河道水流面积的比值的函数关系就 属于非单调递增，在这种情况下，阻水比与水位关系属于上凹抛物线变化。因此，我们可以看出在简单的梯形河道中，随着水位升高，桥墩阻水面积与河道过流面积两者之间的增幅何者上升更快，这是影响桥梁工程中阻水比与水位的变化关系的主要影响因素之一。
1.2 复式梯形河道
所谓的复试梯形河道主要是指部分天然河道中，如果河道河道两岸拥有边滩，这时的河床断面的样子就可以认为是复试梯形河道（如图2）。为了便于研究，我们只考虑了一岸有边滩的河道。宽滩河道一般不可能将桥墩仅在岸坡上布置，因此，我们不考虑仅有桥墩位于岸坡的情况，而是要考虑仅有桥墩位于边滩的情况。
图2表示了在概化复式梯形河道中，桥墩分别位于河槽、边滩、以及河槽与边滩均有桥墩时的水位与阻水比拥有变化关系。（1）桥墩在河槽内时，这时的河道水位变化与桥墩阻水比之间的关系主要呈反比，边坡系数此时与其没有联系;（2）桥墩在滩地时，这时的河道水位变化和桥墩阻水比之间的关系主要呈正比，此时，边坡系数与其也没有关系。（3）桥墩在滩地与河槽上都有时，两者之间没有特别明显的关系。
当桥墩主要布置在滩地的时候，阻水比与河道水位的关系呈正比;当桥墩在河槽和滩地都有布置时，桥墩阻水面积增幅与河道水流面积增幅的比值随水位的升高呈非单调递减，阻水比与河道水位呈波状起伏变化。当水位升高时，河道水流面积与桥墩阻水面积增幅之间的比值呈整体上升的趋势，此时是影响河道水位变化与阻水比之间变化关系的主要影响因素之一，阻水比与河道水位的关系呈正比;当整体下降时，阻水比与河道水位的关系呈反比;而当整体升降相当时，阻水比与河道水位关系呈波状起伏变化。对于复式河道，河道过流面积与桥墩阻水面积，其中无论哪一个占优，都与桥墩的位置和边坡的关系相关联。
1.3 复式断面河道
如果河床断面形态呈现出分叉河道的状态，一般可以将其称为复式断面河道（如图3）。
图3表示了在概化复式断面河道中，桥墩位于和擦、边滩以及河槽和边滩都有桥墩布置时的阻水比与水位变化关系。从表中我们可以看出，当位于主河槽内的桥墩权重比例占优时，桥墩阻水比与水位变化关系呈反比;当位于心滩的桥墩权重比例占优时，呈正比关系，两者均与边坡系数没有关系。
对于复式断面河道，阻水比与河道水位变化关系也取决于桥墩阻水面积增幅与河道水流面积增幅的比值随水位升高时的整体变化趋势，而趋势的变化主要取决于桥墩的位置和边坡系数的双重影响。当位于主河槽内的桥墩权重比例占优的时候，桥墩阻水面积增幅小于河道水流面积增幅，阻水比与河道水位的关系呈反比;当桥墩位于心滩权重比例占优的时候，桥墩阻水面积增幅大于河道水流面积增幅，阻水比与河道水位的关系呈正比。桥墩在河槽与心滩均有布置时，这时候的趋势则为单调递增或递减。
2 天然河道
为了能够更加准确的分析出水位变化的趋势与阻水比和桥墩位置之间的关系，我们随机选取了某天然河道中的一段地形与上文进行对比研究，不同位置下的桥墩，阻水比与河道水位之间的关系。如图4所示，是一宽滩河道，断面上布置了7个桥墩，河槽和滩地均有布置。对桥墩进行1～7编号，根据图中所示来研究其影响。
根据上文分析中，我们很容易得出桥墩在不同的组合方式下，阻水比和水位之间的关系，当我们仅考虑2号、1或者2号、2号和4号以及6号桥墩组合时，其阻水比与河道的水位变化主要呈反比，当我们仅考虑3、4、5、6、7、3-7、6-7、5-7以及4-7号桥墩组合时，其阻水比与水位之间呈正比。其他组合，诸如，1-4、1-6等则没有明显的关系。
从上文桥墩组合方式下，阻水比与水位变化关系中我们可以看出，位于主河槽的2号桥墩在其三种组合条件下都呈反比关系，发生这种情况主要的原因就是桥墩在主河槽的比例占有量较大。而我们列举的呈正比关系状态下的九种桥墩组合方式中均没有包含2号桥墩。呈正比关系下的桥墩组合主要是位于边滩或是离其不远的地方，这种情况下，我们可以将原因归纳于在滩地的桥墩分布较多且所占比例较大。而剩下的没有明显显示出呈正比还是反比关系的桥墩组合，我们可以认为是桥墩在滩地和河槽上的分布相当。
天然河道各工况下的阻水比与河道水位的关系和桥墩阻水面积增幅与河道水流面积增幅与水位之间的关系变化趋势是大体一致的。阻水比与河道水位变化关系由桥墩阻水面积增幅和河道水流面积增幅的比值随水位升高时整体变化趋势决定的，对于天然河道，桥墩阻水面积增幅与河道水流面积增幅的比值与水位的变化曲线同样也和桥墩的布置位置有着紧密的联系。正比关系或反比关系主要取决于桥墩位于主河槽或滩地上的比重，哪个占据主要的优势。桥墩阻水面积增幅与河道水流面积增幅的比值与河道水流面积增幅之间的比值随着水位变化关系还与边坡系数相关：在桥墩布置一致的情况下，边坡坡度越小，两者的关系越趋于反比，而当边坡坡度越大，两者的关系越趋于正比。
3 阻水比与河道水位关系总结
（1）在桥梁工程中，河道水位与阻水比之间的关系主要是：随着水位上升时，河道过流面积与桥墩阻水面积两者之间的增幅而决定的，两者之间的比值随着水位的升高整体上升，河道水位呈正比关系;反之，则呈反比关系。而当两者之间的比值随着水位的增高而升降相当时，河道水位呈波状起伏变化。
（2）桥墩的布置方式和河道两旁的河道倾斜程度是影响桥墩阻水面积增幅和河道过流面积增幅两者之间关系的主要因素，其主要关系如下：当桥墩位于主河道且分布比例较大时，这时两者之间的关系主要呈反比;而当桥墩位于滩地且所占比例较大时，这时两者之间的关系主要呈正比;当桥墩同时布置在滩地和主河槽时，两者之间的关系呈单调递增或是递减。
（3）对于主河槽和滩地面积相差不大时，无论是哪一方桥墩占优时，都与边坡系数无关。
4 结语
综上所述，我们进行了桥墩在不同方位下时，桥梁工程阻水比与河道水位之间的关系。笔者希望更多的专业人士能投入到该课题研究中，针对文中存在的不足，提出指正建议，希望这些研究可以帮助相关单位进行建设时提供数据计算依据，为提高我国桥梁工程建筑工作做出重要的贡献。
参考文献
[1] 徐林春，郑国栋，黄东，等.桥梁工程阻水比与河道水位关系初探[J].中国农村水利水电，2011（4）.
从上文桥墩组合方式下，阻水比与水位变化关系中我们可以看出，位于主河槽的2号桥墩在其三种组合条件下都呈反比关系，发生这种情况主要的原因就是桥墩在主河槽的比例占有量较大。而我们列举的呈正比关系状态下的九种桥墩组合方式中均没有包含2号桥墩。呈正比关系下的桥墩组合主要是位于边滩或是离其不远的地方，这种情况下，我们可以将原因归纳于在滩地的桥墩分布较多且所占比例较大。而剩下的没有明显显示出呈正比还是反比关系的桥墩组合，我们可以认为是桥墩在滩地和河槽上的分布相当。
天然河道各工况下的阻水比与河道水位的关系和桥墩阻水面积增幅与河道水流面积增幅与水位之间的关系变化趋势是大体一致的。阻水比与河道水位变化关系由桥墩阻水面积增幅和河道水流面积增幅的比值随水位升高时整体变化趋势决定的，对于天然河道，桥墩阻水面积增幅与河道水流面积增幅的比值与水位的变化曲线同样也和桥墩的布置位置有着紧密的联系。正比关系或反比关系主要取决于桥墩位于主河槽或滩地上的比重，哪个占据主要的优势。桥墩阻水面积增幅与河道水流面积增幅的比值与河道水流面积增幅之间的比值随着水位变化关系还与边坡系数相关：在桥墩布置一致的情况下，边坡坡度越小，两者的关系越趋于反比，而当边坡坡度越大，两者的关系越趋于正比。
3 阻水比与河道水位关系总结
（1）在桥梁工程中，河道水位与阻水比之间的关系主要是：随着水位上升时，河道过流面积与桥墩阻水面积两者之间的增幅而决定的，两者之间的比值随着水位的升高整体上升，河道水位呈正比关系;反之，则呈反比关系。而当两者之间的比值随着水位的增高而升降相当时，河道水位呈波状起伏变化。
（2）桥墩的布置方式和河道两旁的河道倾斜程度是影响桥墩阻水面积增幅和河道过流面积增幅两者之间关系的主要因素，其主要关系如下：当桥墩位于主河道且分布比例较大时，这时两者之间的关系主要呈反比;而当桥墩位于滩地且所占比例较大时，这时两者之间的关系主要呈正比;当桥墩同时布置在滩地和主河槽时，两者之间的关系呈单调递增或是递减。
（3）对于主河槽和滩地面积相差不大时，无论是哪一方桥墩占优时，都与边坡系数无关。
4 结语
综上所述，我们进行了桥墩在不同方位下时，桥梁工程阻水比与河道水位之间的关系。笔者希望更多的专业人士能投入到该课题研究中，针对文中存在的不足，提出指正建议，希望这些研究可以帮助相关单位进行建设时提供数据计算依据，为提高我国桥梁工程建筑工作做出重要的贡献。
参考文献
[1] 徐林春，郑国栋，黄东，等.桥梁工程阻水比与河道水位关系初探[J].中国农村水利水电，2011（4）.
从上文桥墩组合方式下，阻水比与水位变化关系中我们可以看出，位于主河槽的2号桥墩在其三种组合条件下都呈反比关系，发生这种情况主要的原因就是桥墩在主河槽的比例占有量较大。而我们列举的呈正比关系状态下的九种桥墩组合方式中均没有包含2号桥墩。呈正比关系下的桥墩组合主要是位于边滩或是离其不远的地方，这种情况下，我们可以将原因归纳于在滩地的桥墩分布较多且所占比例较大。而剩下的没有明显显示出呈正比还是反比关系的桥墩组合，我们可以认为是桥墩在滩地和河槽上的分布相当。
天然河道各工况下的阻水比与河道水位的关系和桥墩阻水面积增幅与河道水流面积增幅与水位之间的关系变化趋势是大体一致的。阻水比与河道水位变化关系由桥墩阻水面积增幅和河道水流面积增幅的比值随水位升高时整体变化趋势决定的，对于天然河道，桥墩阻水面积增幅与河道水流面积增幅的比值与水位的变化曲线同样也和桥墩的布置位置有着紧密的联系。正比关系或反比关系主要取决于桥墩位于主河槽或滩地上的比重，哪个占据主要的优势。桥墩阻水面积增幅与河道水流面积增幅的比值与河道水流面积增幅之间的比值随着水位变化关系还与边坡系数相关：在桥墩布置一致的情况下，边坡坡度越小，两者的关系越趋于反比，而当边坡坡度越大，两者的关系越趋于正比。
3 阻水比与河道水位关系总结
（1）在桥梁工程中，河道水位与阻水比之间的关系主要是：随着水位上升时，河道过流面积与桥墩阻水面积两者之间的增幅而决定的，两者之间的比值随着水位的升高整体上升，河道水位呈正比关系;反之，则呈反比关系。而当两者之间的比值随着水位的增高而升降相当时，河道水位呈波状起伏变化。
（2）桥墩的布置方式和河道两旁的河道倾斜程度是影响桥墩阻水面积增幅和河道过流面积增幅两者之间关系的主要因素，其主要关系如下：当桥墩位于主河道且分布比例较大时，这时两者之间的关系主要呈反比;而当桥墩位于滩地且所占比例较大时，这时两者之间的关系主要呈正比;当桥墩同时布置在滩地和主河槽时，两者之间的关系呈单调递增或是递减。
（3）对于主河槽和滩地面积相差不大时，无论是哪一方桥墩占优时，都与边坡系数无关。
4 结语
综上所述，我们进行了桥墩在不同方位下时，桥梁工程阻水比与河道水位之间的关系。笔者希望更多的专业人士能投入到该课题研究中，针对文中存在的不足，提出指正建议，希望这些研究可以帮助相关单位进行建设时提供数据计算依据，为提高我国桥梁工程建筑工作做出重要的贡献。
参考文献
[1] 徐林春，郑国栋，黄东，等.桥梁工程阻水比与河道水位关系初探[J].中国农村水利水电，2011（4）.
