跨河桥梁防洪评价中壅水计算公式分析

赵博 朱梅 郑佳重 赵家祥 毕玲玲

【摘要】为使跨河桥梁防洪评价计算成果更加准确、合理，总结分析了多种桥梁壅水简化公式的优缺点和适用条件，在此基础上以实际工程为例，用简化公式法中的8种简化公式对同一个跨河桥梁壅水进行了对比计算，并对计算结果进行了分析与讨论，给出了较为适用于跨河桥梁壅水高度计算的简化公式。

【关键词】桥梁；防洪评价；壅水计算

前言

根据《中华人民共和国防洪法》等有关规定，跨河道修建桥梁等建筑物时，应就洪水对建设项目可能产生的影响和建设项目对防洪可能产生的影响作出评价，编制防洪评价报告，提出防御措施。按照水利部2004年《河道管理规范内建设项目防洪评价报告编制导则（试行）》，防洪评价报告包括六大主要内容，壅水分析计算是防洪评价报告重要组成部分内容之一。目前，国内外对于跨河桥梁壅水分析计算都有较成熟的计算公式，但跨河桥梁的壅水分析计算公式种类繁多，不同计算方法得到的结果差距较大。本文总结了不同简化公式的优缺点和适用条件，然后以实际工程为例，通过对比计算和分析，并给出了较为适用于跨河桥梁壅水高度计算的简化公式，为今后河道管理范围内跨河桥梁的防洪影响评价计算提供参考。

1、桥梁壅水计算公式的比较

国外跨河桥梁壅水计算的研究较早，已有一百多年的历史，我国从20世纪50年代后期才开始进行桥梁和路堤壅水试验研究工作。通过调查和试验，先后提出十多个桥梁壅水计算公式。

现行桥梁的壅水计算总体上可以分为四类：水面线法、简化公式法、数学模型法和水工模型试验法。其中，简化公式法又可以分为四类：以水流能量平衡原理为基础的能量型公式，以水流动量原理为基础的动量型公式，以堰流计算为基础的堰流公式，以及主要以试验资料为基础的经验公式。由于简化公式法所需资料较少，计算简便，又有一定的精度，因此容易为使用单位接受和推广，我国的桥梁设计规范中长期使用简化公式。以下主要总结分析了几种主要的桥梁壅水简化计算公式：

①新正交桥壅水计算公式 优点：该式是在总结现有桥梁公式的基础上提出的最新公式，经过实测资料验证，符合程度较好。缺点：只能用于正交桥的壅水计算，无法用于斜交桥的壅水计算。

②道布松公式 优点：该公式形式简单、参数容易选取，考虑因素较多，适用于各类河流。 缺点：阻力系数η值的取值标准和桥下平均流速计算方法过于粗略，参数选取的随意性和不确定性大，可能会造成计算结果的不稳定。

③美国科罗拉州大Liubradley和Pcate的经验公式优点：可同时用于跨渠道桥梁和跨河道桥梁的壅水计算，尤其是对大糙率的天然河流有较好的适应性。 缺点：参数的选取过于粗略，并且未考虑桥下冲刷的影响。

④Henderson公式： 优点：对大糙率的天然河流有较好的适应性。经我国铁道部桥梁科研所通过大量的野外实地调查资料验证，计算结果比较符合实测值。缺点：参数的选取过于粗略，而且未考虑桥下冲刷的影响。

⑤ 实用水力学公式：优点：可用于平原宽浅河流。缺点：不适用于断面平均流速大的峡谷式河槽。

⑥水力学建立能量方程公式优点：该式是根据《水力学》中实际液体恒定总流量能量方程简化而得的，形式简单，参数容易选取。缺点：只考虑了局部损失，忽略了沿程损失，没有考虑工程实际情况。

⑦曹瑞章公式优点：该式形式简单，参数较少，计算方便，一般尚能比较符合实际。缺点：未考虑墩形，冲刷系数的选取受人为因素影响较大。

⑧陆浩公式优点：通过了模型试验和天然壅水资料的验证；对平均流速小的宽浅河道及平均流速较大的峡谷均有较好的适应性。缺点：对桥墩形状因素考虑不够，冲刷系数的选取带有明显的经验性和任意性。

2、壅水计算的工程实例

2.1 工程概况

某新建大桥全长374.86m。桥跨布置：桥墩跨度分为32m和64m两种，采用5×32m预制后张发简支混凝土梁+1×64m下乘式钢桁梁+ 4×32m预制后张发简支混凝土梁；采用单线圆端形实体桥墩；单线T形桥台；φ1000mm钢筋混凝土钻孔桩基础。钻孔桩直径采用φ1.0m，主跨桩直径采用φ1.05m。桥梁设计桥墩轴线与水流方向夹角为0°。

2.2 壅水计算

大桥所在河段不同过流水位条件下的流量、水位情况，以及桥梁桥墩阻水情况见表1。

根据表1中的桥位河段各级频率的流量、水位成果，結合桥梁桥墩阻水情况，为了更好地对不同简化公式计算结果进行对比分析，利用上述简化计算公式计算桥位处不同频率洪水条件下的桥梁阻水壅高值，计算成果及对比情况见表2。

2.3 计算结果

根据上述八种简化公式对同一跨河桥梁壅水高度的计算，可以得出以下结果：

（1）计算结果具有近似性

①～④式的计算结果较为接近；⑥～⑦式的计算结果也较为接近；⑤和⑧式的计算结果近似接近。

（2）计算结果具有差异性

①～④式的数值偏小；⑥～⑦式的计算数值偏大；⑤和⑧式的计算结果介于①～④式和⑥～⑦式之间。

3、讨论与分析

以实际工程为例，采用简化公式法中的8种简化公式同一跨河桥梁壅水进行了对比计算，计算结果既具有近似性，又具有差异性，以下将对计算结果进行深入谈论与分析。

（1）计算结果之所以会有近似性，是因为简化计算公式的绝大多数参数是根据试验资料或实测资料通过回归分析等方法近似确定，这就决定了简化公式的结果都有近似性。

（2）计算结果之所以会有差异，是由于简化计算公式的研究背景、实验条件和考虑因素各不相同，都具有一定的局限性和特定的使用条件；同时，桥梁壅水受河道水流流态、边界条件、等诸多因素影响，很难准确求得所有因素，使得计算结果有时候偏差较大。

（3）公式①～④的计算结果较为接近，但是公式①、③、④参数较多，公式②的计算结果与①～④式计算结果的平均值较为接近，且公式②参数较少，考虑因素较多，适用于各类河流。

（4）公式⑤、⑦、⑧参数较多，参数难以准确选取，往往带有明显的经验性和任意性，而公式⑥没有考虑工程实际情况，因此，计算结果可能与实际情况偏差较大。

根据以上分析讨论，公式②参数较少，考虑因素较多，适用于各类河流，能够满足计算精度的要求。考虑到一般中小河流资料较少，参数难以准确选取，公式①～④的结果也较为接近，因此，对于一般中小河流的跨河桥梁壅水高度计算，从参数选取的难易程度以及计算结果的精度考虑，建议选用公式②；由于公式②也存在着一定的不确定性，所以可用公式①、③、④进行验证校核，使桥梁壅水计算结果更加符合实际情况，确保跨河桥梁工程壅水计算的可靠性。

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