跨河桥梁防洪评价中壅水和冲刷计算问题探讨
时间：2023-06-18 12:20:05 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
文星
（巴音郭楞蒙古自治州水利水电勘测设计有限责任公司，新疆 库尔勒 841000）
在河道内建设桥梁，因桥墩等构筑物的存在，会缩窄河道内桥位横断面、减小行洪断面，同时使得流速增大，引发上游河道壅水的同时使桥孔下河槽冲刷动能增大；
桥墩的阻水作用使正常行进的水流受阻，在桥墩前方出现横轴环流，沿桥墩向河床底部运动的水流对河床造成冲刷。所以，壅水计算和冲刷计算是跨河桥梁防洪评价报告的重要方面。结合桥梁防洪评价报告书的审查结果不难看出，通过水面线法进行桥墩壅水高度推算时，推算结果受桥位断面和上游断面间距的影响较大。一些桥梁桥跨和桥墩直径相同，即桥梁阻水面积比相同，但所计算处的最大壅水高度却相差很大，导致审核者无法判断计算成果的准确合理性。此外，通过经验公式法进行桥位冲刷深度计算时，计算结果受河槽与河滩流量分配的影响较大，若分配欠合理，则所得到的河槽河滩冲刷深度计算结果必然不合理，甚至会得出河滩冲刷深度超出河槽冲刷深度的不合理结论。
X大桥为跨河桥梁，所跨越河道宽700 m，且河流两岸地势低洼，便于圩堤保护。河流左、右岸堤防防洪标准为10年一遇和20 年一遇，左右岸桥位处岸坡堤顶高程分别为36.20 m 和35.48 m，在圩堤的保护和约束下桥位处河段运行稳定、顺直。包含桥台部分在内的桥梁总长度为698.50 m，桥梁为预应力钢筋混凝土箱梁结构，孔跨按照30 m的跨距分设23跨；
桥墩为单排双柱式圆形桥墩，河床地面以下及以上桥墩直径分别为1.50 m和1.40 m，设计洪水标准50年一遇。为使桥梁防洪评价成果更加科学合理，在编制该桥梁防洪评价报告时必须进行壅水和冲刷计算。
2.1 计算方法
根据《河道管理范围内建设项目防洪评价报告编制导则》的规定，必须进行占用河道断面、阻碍洪水下泄阻水建筑物的壅水计算。目前，桥梁设计单位设计人员普遍认为水面曲线法所要求的河段断面数据及糙率等资料较为复杂，故大多采用经验公式法进行壅水计算；
水利部门在防洪评价的过程中，通常应用经验公式和水面曲线两种壅水计算方法，而对于存在堤防等防洪保护对象的河道，基本在已知上游控制断面壅水高度的基础上采用水面线法计算。文章则主要通过水面线法进行X跨河大桥壅水高度计算。
各频率洪水水面线通过桥梁建设前后河道断面资料推求，以比较分析洪水水面线变化，说明桥梁工程的建设对河道洪水水位抬高的影响程度。具体而言，基于河道断面资料、设计流量、糙率系数等资料，在求解河道恒定渐变流上下断面能量方程后，根据下断面水位推求上断面水位，通过试算并最终得到河道设计洪水水面线。
河道恒定渐变流上下断面能量方程如下：
式中：Z上、Z下—上下断面水位（m）；
hf—上下断面间沿程水头损失（m）；
hj—上下断面间局部水头损失（m）；
Q上、Q下—上下断面流量（m3/s）；
A上、A下—上下断面过水面积（m2）；
α上、α下—上下断面动能修正系数；
Q—流量（m3/s）；
ΔL—上下断面河道长（m）；
—上下断面流量模数均值，通过K=AR2/3计算出上下断面流量模数后求其平均值，n—河段糙率；
A—过水断面面积（m2）；
R—水力半径（m）。
2.2 计算过程及结果
该跨河桥梁所在流域下游15.20 km处的王家河水文站为壅水计算依据站，河道下游12 km处的陆洲坝水利枢纽使河道水位抬升，以该水利枢纽为水面线起推断面，并以王家河水文站设计流量为起推设计流量，推求陆洲坝断面频率分别为2%、5%、10%、20%的洪水水位。通过分析发现，该桥梁壅水影响范围在桥位上游17.10 km 处的邓王山附近，故水面线计算河段应为陆洲坝（CS1）～邓王山（CS20），长度为29.10 km，共设置20个断面。
该跨河桥梁位置处于CS8和CS9之间，通常情况下设计人员直接以CS9断面为桥上游断面，文中为分析壅水高度受桥位断面和上游断面间间距的影响，在桥位与CS9断面间增设“桥位上”断面，所对应的桥位与桥位上游断面间距也随之改变，并根据ΔZ=Z后-Z前计算不同工况下桥梁壅水高度，其中ΔZ为壅水高度（m）；
Z后为桥梁建设后断面水位（m）；
Z前为桥梁建设前断面水位（m）。CS8～CS12断面壅水高度计算结果见表1和表2。
表1 X跨河大桥CS8～CS12断面20年一遇壅水高度计算结果表 单位：m
表2 X跨河大桥CS8～CS12断面50年一遇壅水高度计算结果表 单位：m
根据表中结果，该跨河桥梁建成后随着防洪标准的变化，CS8～CS12断面壅水高度也呈变化趋势，且防洪标准越高，所对应的壅水高度也越大；
桥位上游壅水高度主要与桥位～上游断面距离关系较大。20年一遇洪水下，当桥位与桥位上断面距离在10～100 m以内时，壅水高度取值0.03～0.06 m；
当桥位与桥位上断面距离在100～1 100 m时，壅水高度取值最大达0.13 m，是桥位与桥位上断面距离10～100 m以内壅水高度值的2～3倍。
根据计算公式（1）和（2）不难看出原因所在，在河段糙率、设计流量、下断面水位等值既定的情况下，沿程水头损失及上断面过水面积是影响上断面水位的主要因素，而沿程水头损失的大小又取决于上下断面距离以及过水面积。公式（2）中的K为上下断面流量模数均值，该跨河桥梁建成后桥墩使桥位断面过水面积缩窄，所以下断面流量模数减小，导致沿程水头损失增大、河段缩窄，故河道长度越大则沿程水头损失也就越大，壅水高度也越大。事实上顺水流向的桥墩阻水以及桥位过水面积的减小只在局部范围内发生，通常不超出桥墩范围10 m，如果所设定的上下断面间距离过长，则必定使壅水高度计算结果脱离实际。
综上分析，桥位与桥位上游断面距离的缩短是保证壅水高度计算结果更加合理的有效措施，那么，该距离应当如何选取？结合表1 和表2 计算结果以及类似跨河桥梁壅水分析成果，认为桥位与桥位上游断面距离应在约50 m。也就是说在测量河道横断面时，应在桥位上游50 m处增设一加测断面，从而更加准确地获得跨河桥梁回水影响高度及范围相关资料。
3.1 计算方法
当河道内流量较大时水位较高，复式河床断面出现水流漫滩，但因水深、水流流速和糙率相差较大，河槽及河滩所遭遇的水流冲刷程度不同，为此必须分别计算河槽、河滩冲刷，以得到较为准确的冲刷深度计算结果。为此采用《水力学》复式断面明渠均匀流量计算公式计算并分配河槽河滩通过流量。
式中：V—流速均值（m/s）；
n—糙率；
R—水力半径（m）；
J—水面比降。
设河流主河槽及左右边滩水面比降相同，则：
式中：Qi—河流主河槽及左右边滩流量（m3/s）；
Ai—河流主河槽及左右边滩过水面积（m2）；
Vi—河流主河槽及左右边滩流速均值（m/s）；
Ri—河流主河槽及左右边滩水深均值（m）；
ni—河流主河槽及左右边滩糙率。
3.2 计算过程及结果
该跨河桥梁桥位断面包括主河槽及左边滩两部分，结合勘测资料、河床实际以及桥址下游王家河水文站实测糙率值，主河槽及左边滩糙率分别取0.024和0.030，采用流量分配公式得到的桥位断面流量分配结果见表3。
表3 桥位断面流量分配结果表 单位：m3/s
采用《公路工程水文勘测设计规范》所提供的河床及河滩冲刷计算公式可以计算出该跨河桥梁主河槽与左边滩冲刷深度，为便于比较，按水力学公式所得分配流量与按面积比分配流量对应的冲刷成果见表4。
表4 跨河桥梁冲刷深度成果汇总表
表3桥位断面流量分配结果显示，采用水力学公式分配流量及按照面积比分配流量两种方式下，后者左边滩流量较大而主河槽流量较小。而从表4的冲刷深度结果的比较可知，后者左边滩冲刷深度反而超出主河槽冲刷深度，这明显与实际情况相悖；
而前者的冲刷深度计算结果较为符合河流运行实际。这种相悖的情况在实际工作中也较为常见，主要原因在于设计人员不了解流量分配计算，仅凭个人经验或面积比进行河槽河滩流量确定，并未真正考虑河槽河滩糙率系数不同而对冲刷深度的影响，流量分配不合理，必然引起冲刷成果偏差。
综上所述，壅水及冲刷计算是跨河桥梁防洪评价的重要方面，也是进行跨河桥梁工程建设对周围堤防等水利设施、河势演变、防洪等影响评价的主要依据，为此，必须保证壅水计算及冲刷计算结果的科学合理。该跨河桥梁工程水面曲线法所得壅水高度计算结果表明，为保证所得出的壅水高度计算结果更加符合跨河桥梁运行实际，桥位上游首个断面和桥位的最佳间距应为约50 m。而复式断面河槽及边滩冲刷计算结果显示，为提高冲刷结果的合理性，应采用水力学方法进行流量分配计算。
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