不同行业桥梁壅水计算公式比较分析

2015-11-01张旭

东北水利水电 2015年10期

关键词：高值计算公式冲刷

张旭

（深圳市深水水务咨询有限公司，广东深圳518003）

不同行业桥梁壅水计算公式比较分析

张旭

（深圳市深水水务咨询有限公司，广东深圳518003）

桥梁壅水计算是建设项目防洪评价及桥梁水力计算的主要内容之一。桥梁壅水计算结果直接影响到桥梁上下游河岸堤防的修筑高度和桥梁的桥下净空设计。但是，不同行业采用的桥梁壅水计算公式不尽相同。文章主要对不同行业规范推荐的或常用的壅水计算公式比较分析，研究其理论依据、适用条件等，结合深圳市常见跨径涉河桥梁工程实例研究其计算结果的差异，为河岸堤防及桥梁设计提供可参考的依据。

桥梁壅水；不同行业；计算公式；比较分析

0　引　　言

在涉河影响建筑物中，跨河桥梁是主要形式之一。设置在河道中的桥墩（台）不同程度的减少了桥下过流断面的面积，造成桥梁壅水，直接的影响是抬高了桥梁上游水位，增大了淹没面积，在壅水影响线内的河道堤防都要考虑加高，桥梁净空的设计也必须考虑桥梁壅水的影响。根据《河道管理范围内建设项目防洪评价报告编制导则（试行）》的规定“对占用河道断面，影响洪水下泄的阻水建筑物，应进行壅水计算”。但水利行业、公路行业及铁路行业桥梁壅水计算规范或手册推荐的计算公式都不尽相同。

1　不同行业桥梁壅水计算公式

1.1水利行业桥梁壅水计算公式

水利行业常用的桥梁壅水计算公式为《水利计算手册》（第二版）中推荐的无坎宽顶堰流公式，该公式由能量方程推导而来，建立在堰流理论和渠道桥梁壅水试验的基础之上。一般情况下，水流流经桥孔，由于受桥台、桥墩的侧向约束，使过水断面减小，形成宽顶堰溢流。由于桥孔下坎高度为零，故桥孔的过水可以看做无底坎平底（i=0）的宽顶堰溢流。

式中：Q——通过桥孔的流量，m3；μ1——与桥孔进出口型式有关的流量系数，扭曲面取0.90，锥形护坡取0.81，八字翼墙取0.76，淹没拱脚的拱桥取0.6，无量纲；μ2——与桥墩形状及阻水比有关的流量系数，无量纲；ω——桥孔总过水断面面积，m3；△Z0——上游壅高水头，△Z0=△Z+v20/2g，m；△Z——水面壅高值，m；v20/2g——上游渠道行近流速水头，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）的构成可以看出，水利行业壅水计算公式考虑桥孔进出口型式及桥墩形状因素对壅高值的影响，μ1和μ2这2个相关系数都不同程度的加大了壅高值。但是，公式中没有考虑河底过流冲刷对壅高值的影响。

1.2公路行业桥梁壅水计算公式

公路行业现行的JTGC30-2002《公路工程水文勘测设计规范》没有列入桥梁壅水的计算公式，但是《公路工程水文勘测设计指南》推荐下式作为计算桥前最大壅水高度的计算公式。

式中：△Z——桥前最大壅水高度，m；KY——修正系数，当桥下河床为岩石或有铺砌时，取1.0；KN——定床壅水系数；vM——冲刷后桥下平均流速，m/s，当桥下河床为岩石或有铺砌时，即为vM；vM——冲刷前桥下平均流速，为设计流量除以桥下净过水面积，m/s；v0M——天然状态下桥孔部分平均流速，m/s；vc——河槽平均流速，m/s；d50——河床质中值粒径，即按质量计50%都较它为小的粒径，无量纲；g——重力加速度，m/s3。

公式（2）系铁道部科学研究院陆浩、曹瑞章、王玉洁1998年的铁道部课题成果，也是由能量方程推导而来，根据我国模型试验和40余座桥梁调查资料，经过多年不断完善和检验制定的，考虑了建桥前后过水面积的变化和河床冲刷对壅水高值的影响，但是没有像无坎宽顶堰流公式那样考虑桥孔进出口型式及桥墩形状有关的因素影响。

1.3铁路行业桥梁壅水计算公式

铁路行业桥梁壅水计算公式（6）在TB10017-99《铁路工程水文勘测设计规范》已经列入。公式（6）的形式比较简单，也是根据水力学原理由能量公式推导而来，资料容易取得，系数包含了河流类型、桥渡压缩条件和考虑了冲刷的影响，计算简便，经多年使用，一般尚能比较切合实际。但是，这个公式同样也没有考虑桥孔进出口型式及桥墩形状有关的因素影响。

式中：△Zm——桥前最大壅水高度，m；η——与河段特征及阻水比有关的系数，按表1规定取值，无量纲——断面平均流速，为设计流量被全河过水断面（包括边滩和河滩）除得之商，m/s；——桥下平均流速，与土质及颗粒直径有关，m/s。

2　不同行业桥梁壅水计算公式比较分析

这3个简化公式都是以水流能量守恒原理为基础，通过某些假定，并根据一定的野外（室内）试验及调查资料验证建立起来的，都具有半理论半经验特点。

表1　η系数

水利行业的计算公式（1）以堰流理论为基础，计算公式就是无坎宽顶堰公式，参数中主要的流量系数是桥孔进出口型式和桥墩形状这两个因素。由系数值可以看出由较平顺型式过渡到欠平顺的进出口型式（扭曲面型式～淹没拱脚的拱桥型式）壅高值在加大；同样的桥墩形状，桥墩阻水比越大，壅高值也越大。

公路行业采用的计算公式（2）比较复杂，考虑了天然状态下河道的平均流速、建桥后冲刷前的平均流速及建桥后冲刷后的平均流速，冲刷对流速的影响通过河床质中值粒径因素来描述。铁路行业的计算公式（6）形式简单，也考虑了河道冲刷冲刷的影响，但是处理方式比较粗糙，直接采用三种土质定性描述，这和公路行业公式对冲刷的处理方式不同，略显简单。公式中的系数的数值对计算壅高值影响非常明显。

3　工程实例

3.1工程实例计算过程

为了比较不同行业桥梁壅水公式计算结果的差异，以深圳市楼村水综合整治工程中两座新建桥梁为例进行计算。2座交通桥设计洪水位为50年一遇，设计荷载为公路Ⅱ级，桥梁上部结构两跨16m空心板梁，桥面总宽11m，桥墩采用3根直径1000mm钢筋混凝土柱，柱顶设盖梁，桥台采用钢筋混凝土轻型桥台，桥梁基础均采用冲（钻）孔灌注桩形式。

2座桥梁特性如表2所示，采用不同行业桥梁壅水公式计算得到的2座桥梁洪水壅高值结果如表3所示。

3.2工程实例计算结果分析

由计算结果可知：水利行业公式计算的壅高值最大，铁路行业计算的壅高值最小，水利行业公式计算结果与公路行业公式计算结果比较接近。

表2　桥梁特性表

表3　桥墩阻水壅高值计算成果

铁路行业公式的计算结果明显小于水利行业公式和公路行业公式计算的壅高值。水利行业公式由于没有考虑冲刷的影响，在其他边界条件基本相同情况下，桥下有没有铺砌对结果没有影响。公路行业公式由于考虑了冲刷影响，桥下为天然土层的桥前壅水高值要比护砌情况的壅高值大约55%，比较符合实际的冲刷壅高情况，但是壅高总值都不大。所以，对于深圳市河道中这种跨径不是很大、阻水比小的跨河桥，在工程设计或防洪评价计算壅水高值公式的选取上，建议采用水利行业公式，计算简单，结果一般尚能比较切合实际。