文星

（巴音郭楞蒙古自治州水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，新疆 庫爾勒 841000）

0 引言

在河道內(nèi)建設(shè)橋梁，因橋墩等構(gòu)筑物的存在，會(huì)縮窄河道內(nèi)橋位橫斷面、減小行洪斷面，同時(shí)使得流速增大，引發(fā)上游河道壅水的同時(shí)使橋孔下河槽沖刷動(dòng)能增大；橋墩的阻水作用使正常行進(jìn)的水流受阻，在橋墩前方出現(xiàn)橫軸環(huán)流，沿橋墩向河床底部運(yùn)動(dòng)的水流對(duì)河床造成沖刷。所以，壅水計(jì)算和沖刷計(jì)算是跨河橋梁防洪評(píng)價(jià)報(bào)告的重要方面。結(jié)合橋梁防洪評(píng)價(jià)報(bào)告書的審查結(jié)果不難看出，通過水面線法進(jìn)行橋墩壅水高度推算時(shí)，推算結(jié)果受橋位斷面和上游斷面間距的影響較大。一些橋梁橋跨和橋墩直徑相同，即橋梁阻水面積比相同，但所計(jì)算處的最大壅水高度卻相差很大，導(dǎo)致審核者無法判斷計(jì)算成果的準(zhǔn)確合理性。此外，通過經(jīng)驗(yàn)公式法進(jìn)行橋位沖刷深度計(jì)算時(shí)，計(jì)算結(jié)果受河槽與河灘流量分配的影響較大，若分配欠合理，則所得到的河槽河灘沖刷深度計(jì)算結(jié)果必然不合理，甚至?xí)贸龊訛_刷深度超出河槽沖刷深度的不合理結(jié)論。

1 工程概況

X大橋?yàn)榭绾訕蛄?，所跨越河道?00 m，且河流兩岸地勢(shì)低洼，便于圩堤保護(hù)。河流左、右岸堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇和20 年一遇，左右岸橋位處岸坡堤頂高程分別為36.20 m 和35.48 m，在圩堤的保護(hù)和約束下橋位處河段運(yùn)行穩(wěn)定、順直。包含橋臺(tái)部分在內(nèi)的橋梁總長度為698.50 m，橋梁為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，孔跨按照30 m的跨距分設(shè)23跨；橋墩為單排雙柱式圓形橋墩，河床地面以下及以上橋墩直徑分別為1.50 m和1.40 m，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)50年一遇。為使橋梁防洪評(píng)價(jià)成果更加科學(xué)合理，在編制該橋梁防洪評(píng)價(jià)報(bào)告時(shí)必須進(jìn)行壅水和沖刷計(jì)算。

2 防洪評(píng)價(jià)中壅水計(jì)算

2.1 計(jì)算方法

根據(jù)《河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目防洪評(píng)價(jià)報(bào)告編制導(dǎo)則》的規(guī)定，必須進(jìn)行占用河道斷面、阻礙洪水下泄阻水建筑物的壅水計(jì)算。目前，橋梁設(shè)計(jì)單位設(shè)計(jì)人員普遍認(rèn)為水面曲線法所要求的河段斷面數(shù)據(jù)及糙率等資料較為復(fù)雜，故大多采用經(jīng)驗(yàn)公式法進(jìn)行壅水計(jì)算；水利部門在防洪評(píng)價(jià)的過程中，通常應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)公式和水面曲線兩種壅水計(jì)算方法，而對(duì)于存在堤防等防洪保護(hù)對(duì)象的河道，基本在已知上游控制斷面壅水高度的基礎(chǔ)上采用水面線法計(jì)算。文章則主要通過水面線法進(jìn)行X跨河大橋壅水高度計(jì)算。

各頻率洪水水面線通過橋梁建設(shè)前后河道斷面資料推求，以比較分析洪水水面線變化，說明橋梁工程的建設(shè)對(duì)河道洪水水位抬高的影響程度。具體而言，基于河道斷面資料、設(shè)計(jì)流量、糙率系數(shù)等資料，在求解河道恒定漸變流上下斷面能量方程后，根據(jù)下斷面水位推求上斷面水位，通過試算并最終得到河道設(shè)計(jì)洪水水面線。

河道恒定漸變流上下斷面能量方程如下：

式中：Z上、Z下—上下斷面水位（m）；hf—上下斷面間沿程水頭損失（m）；hj—上下斷面間局部水頭損失（m）；Q上、Q下—上下斷面流量（m3/s）；A上、A下—上下斷面過水面積（m2）；α上、α下—上下斷面動(dòng)能修正系數(shù)；Q—流量（m3/s）；ΔL—上下斷面河道長（m）；—上下斷面流量模數(shù)均值，通過K=AR2/3計(jì)算出上下斷面流量模數(shù)后求其平均值，n—河段糙率；A—過水?dāng)嗝婷娣e（m2）；R—水力半徑（m）。

2.2 計(jì)算過程及結(jié)果

該跨河橋梁所在流域下游15.20 km處的王家河水文站為壅水計(jì)算依據(jù)站，河道下游12 km處的陸洲壩水利樞紐使河道水位抬升，以該水利樞紐為水面線起推斷面，并以王家河水文站設(shè)計(jì)流量為起推設(shè)計(jì)流量，推求陸洲壩斷面頻率分別為2%、5%、10%、20%的洪水水位。通過分析發(fā)現(xiàn)，該橋梁壅水影響范圍在橋位上游17.10 km 處的鄧王山附近，故水面線計(jì)算河段應(yīng)為陸洲壩（CS1）～鄧王山（CS20），長度為29.10 km，共設(shè)置20個(gè)斷面。

該跨河橋梁位置處于CS8和CS9之間，通常情況下設(shè)計(jì)人員直接以CS9斷面為橋上游斷面，文中為分析壅水高度受橋位斷面和上游斷面間間距的影響，在橋位與CS9斷面間增設(shè)“橋位上”斷面，所對(duì)應(yīng)的橋位與橋位上游斷面間距也隨之改變，并根據(jù)ΔZ=Z后-Z前計(jì)算不同工況下橋梁壅水高度，其中ΔZ為壅水高度（m）；Z后為橋梁建設(shè)后斷面水位（m）；Z前為橋梁建設(shè)前斷面水位（m）。CS8～CS12斷面壅水高度計(jì)算結(jié)果見表1和表2。

表1 X跨河大橋CS8～CS12斷面20年一遇壅水高度計(jì)算結(jié)果表 單位：m

表2 X跨河大橋CS8～CS12斷面50年一遇壅水高度計(jì)算結(jié)果表 單位：m

根據(jù)表中結(jié)果，該跨河橋梁建成后隨著防洪標(biāo)準(zhǔn)的變化，CS8～CS12斷面壅水高度也呈變化趨勢(shì)，且防洪標(biāo)準(zhǔn)越高，所對(duì)應(yīng)的壅水高度也越大；橋位上游壅水高度主要與橋位～上游斷面距離關(guān)系較大。20年一遇洪水下，當(dāng)橋位與橋位上斷面距離在10～100 m以內(nèi)時(shí)，壅水高度取值0.03～0.06 m；當(dāng)橋位與橋位上斷面距離在100～1 100 m時(shí)，壅水高度取值最大達(dá)0.13 m，是橋位與橋位上斷面距離10～100 m以內(nèi)壅水高度值的2～3倍。

根據(jù)計(jì)算公式（1）和（2）不難看出原因所在，在河段糙率、設(shè)計(jì)流量、下斷面水位等值既定的情況下，沿程水頭損失及上斷面過水面積是影響上斷面水位的主要因素，而沿程水頭損失的大小又取決于上下斷面距離以及過水面積。公式（2）中的K為上下斷面流量模數(shù)均值，該跨河橋梁建成后橋墩使橋位斷面過水面積縮窄，所以下斷面流量模數(shù)減小，導(dǎo)致沿程水頭損失增大、河段縮窄，故河道長度越大則沿程水頭損失也就越大，壅水高度也越大。事實(shí)上順?biāo)飨虻臉蚨兆杷约皹蛭贿^水面積的減小只在局部范圍內(nèi)發(fā)生，通常不超出橋墩范圍10 m，如果所設(shè)定的上下斷面間距離過長，則必定使壅水高度計(jì)算結(jié)果脫離實(shí)際。

綜上分析，橋位與橋位上游斷面距離的縮短是保證壅水高度計(jì)算結(jié)果更加合理的有效措施，那么，該距離應(yīng)當(dāng)如何選取？結(jié)合表1 和表2 計(jì)算結(jié)果以及類似跨河橋梁壅水分析成果，認(rèn)為橋位與橋位上游斷面距離應(yīng)在約50 m。也就是說在測(cè)量河道橫斷面時(shí)，應(yīng)在橋位上游50 m處增設(shè)一加測(cè)斷面，從而更加準(zhǔn)確地獲得跨河橋梁回水影響高度及范圍相關(guān)資料。

3 防洪評(píng)價(jià)中的沖刷計(jì)算

3.1 計(jì)算方法

當(dāng)河道內(nèi)流量較大時(shí)水位較高，復(fù)式河床斷面出現(xiàn)水流漫灘，但因水深、水流流速和糙率相差較大，河槽及河灘所遭遇的水流沖刷程度不同，為此必須分別計(jì)算河槽、河灘沖刷，以得到較為準(zhǔn)確的沖刷深度計(jì)算結(jié)果。為此采用《水力學(xué)》復(fù)式斷面明渠均勻流量計(jì)算公式計(jì)算并分配河槽河灘通過流量。

式中：V—流速均值（m/s）；n—糙率；R—水力半徑（m）；J—水面比降。

設(shè)河流主河槽及左右邊灘水面比降相同，則：

式中：Qi—河流主河槽及左右邊灘流量（m3/s）；Ai—河流主河槽及左右邊灘過水面積（m2）；Vi—河流主河槽及左右邊灘流速均值（m/s）；Ri—河流主河槽及左右邊灘水深均值（m）；ni—河流主河槽及左右邊灘糙率。

3.2 計(jì)算過程及結(jié)果

該跨河橋梁橋位斷面包括主河槽及左邊灘兩部分，結(jié)合勘測(cè)資料、河床實(shí)際以及橋址下游王家河水文站實(shí)測(cè)糙率值，主河槽及左邊灘糙率分別取0.024和0.030，采用流量分配公式得到的橋位斷面流量分配結(jié)果見表3。

表3 橋位斷面流量分配結(jié)果表 單位：m3/s

采用《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》所提供的河床及河灘沖刷計(jì)算公式可以計(jì)算出該跨河橋梁主河槽與左邊灘沖刷深度，為便于比較，按水力學(xué)公式所得分配流量與按面積比分配流量對(duì)應(yīng)的沖刷成果見表4。

表4 跨河橋梁沖刷深度成果匯總表

表3橋位斷面流量分配結(jié)果顯示，采用水力學(xué)公式分配流量及按照面積比分配流量兩種方式下，后者左邊灘流量較大而主河槽流量較小。而從表4的沖刷深度結(jié)果的比較可知，后者左邊灘沖刷深度反而超出主河槽沖刷深度，這明顯與實(shí)際情況相悖；而前者的沖刷深度計(jì)算結(jié)果較為符合河流運(yùn)行實(shí)際。這種相悖的情況在實(shí)際工作中也較為常見，主要原因在于設(shè)計(jì)人員不了解流量分配計(jì)算，僅憑個(gè)人經(jīng)驗(yàn)或面積比進(jìn)行河槽河灘流量確定，并未真正考慮河槽河灘糙率系數(shù)不同而對(duì)沖刷深度的影響，流量分配不合理，必然引起沖刷成果偏差。

4 結(jié)論

綜上所述，壅水及沖刷計(jì)算是跨河橋梁防洪評(píng)價(jià)的重要方面，也是進(jìn)行跨河橋梁工程建設(shè)對(duì)周圍堤防等水利設(shè)施、河勢(shì)演變、防洪等影響評(píng)價(jià)的主要依據(jù)，為此，必須保證壅水計(jì)算及沖刷計(jì)算結(jié)果的科學(xué)合理。該跨河橋梁工程水面曲線法所得壅水高度計(jì)算結(jié)果表明，為保證所得出的壅水高度計(jì)算結(jié)果更加符合跨河橋梁運(yùn)行實(shí)際，橋位上游首個(gè)斷面和橋位的最佳間距應(yīng)為約50 m。而復(fù)式斷面河槽及邊灘沖刷計(jì)算結(jié)果顯示，為提高沖刷結(jié)果的合理性，應(yīng)采用水力學(xué)方法進(jìn)行流量分配計(jì)算。