橋梁壅水的計(jì)算分析

2010-10-27 00:24:12李建梅廣東省水文局梅州分局514000

中國(guó)科技信息 2010年13期

關(guān)鍵詞：橋梁

李建梅廣東省水文局梅州分局 514000

橋梁壅水的計(jì)算分析

李建梅廣東省水文局梅州分局 514000

建橋后橋墩束窄了河道的過(guò)流面積，使橋位上游水位抬高，產(chǎn)生橋前壅水現(xiàn)象。橋前壅水的高度直接影響其上游兩岸人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，因此橋梁壅水計(jì)算有著重要的實(shí)際意義。本文主要采用水面曲線法以及堰流公式法對(duì)橋梁壅水進(jìn)行了對(duì)比計(jì)算和分析。

1、概述

橋梁建成后，橋孔約束水流，橋下流速增大，使原來(lái)水流與河床泥沙相對(duì)平衡的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)遭受破壞，導(dǎo)致橋址斷面發(fā)生一般沖刷和橋墩（臺(tái)）近區(qū)的局部沖刷。在橋渡設(shè)計(jì)中，沖刷計(jì)算、孔徑計(jì)算、建筑物布置以及綜合方案的比較等都是以橋梁水力計(jì)算為工作基礎(chǔ)的，而橋梁壅水計(jì)算是橋梁水力計(jì)算的主要內(nèi)容之一。因此，對(duì)橋墩（臺(tái)）產(chǎn)生的壅水高度做出科學(xué)、精確地計(jì)算分析，對(duì)橋梁設(shè)計(jì)和防汛工作都有一定的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值[1-2]。

2、橋梁壅水的計(jì)算

橋梁修建后，最大壅水高度△z一般發(fā)生在橋位上游斷面處（有導(dǎo)流堤時(shí)在上游堤端附近，無(wú)導(dǎo)流堤時(shí)在橋位上游約一個(gè)橋孔長(zhǎng)度處）。橋位斷面的壅水高度△z’，一般可取1/2△z；對(duì)于山區(qū)和山前河流，洪水漲落急驟，歷時(shí)短促，且河床質(zhì)堅(jiān)實(shí)不易沖刷時(shí)，可取△z；對(duì)于平原區(qū)洪水漲落很緩慢的河流，且河床質(zhì)松軟，易于造成一般沖刷時(shí)，橋下壅水可不計(jì)[3]。

橋梁壅水計(jì)算主要可以分為兩類，即水面曲線法和簡(jiǎn)化公式法。水面曲線法以水動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，理論上較嚴(yán)密，但需要相關(guān)河道、橋梁較為詳細(xì)的水文、地形等資料進(jìn)行建模、率定和驗(yàn)證，對(duì)使用技術(shù)要求相對(duì)較高。

簡(jiǎn)化公式法計(jì)算所需資料較少，計(jì)算簡(jiǎn)便，較容易掌握應(yīng)用。我國(guó)的橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中長(zhǎng)期使用簡(jiǎn)化公式。橋梁壅水簡(jiǎn)化計(jì)算公式按照推導(dǎo)原理可以歸納為：以水流能量平衡原理為基礎(chǔ)的能量型公式，以水流動(dòng)量原理為基礎(chǔ)的動(dòng)量型公式，以堰流計(jì)算為基礎(chǔ)的堰流公式，以及主要以試驗(yàn)資料為基礎(chǔ)的經(jīng)驗(yàn)公式。

本文主要采用水面曲線法和以堰流計(jì)算為基礎(chǔ)的堰流公式進(jìn)行橋梁壅水計(jì)算，對(duì)比分析。

方法一：水面曲線法

一維明渠非恒定流的基本方程為圣維南（Saint-Venant）方程組，通過(guò)瞬時(shí)流態(tài)法求解，整理可得能量方程，即伯努里（Bernoulli）方程：

Z1、Z2——河道上、下斷面的水位（m ）；

Q——河段設(shè)計(jì)流量（m3/s）；

V1、V2——河道上、下斷面的平均流速（m/s）；

K1、K2——河道上、下斷面流量模數(shù)（m3/s）；

α——?jiǎng)幽苄Ｕ禂?shù)；

ξ——河段平均局部阻力系數(shù)；

L——上下斷面間距(m)；

g——重力加速度（m/s2）。

本文采用計(jì)算機(jī)編程的二等分迭代法進(jìn)行河道水面曲線計(jì)算。基本思想：將解的存在區(qū)域，進(jìn)行二等分，即分成兩個(gè)子區(qū)域；判定解存在這兩個(gè)子區(qū)域中的某一個(gè)子區(qū)域，然后對(duì)此子區(qū)域再進(jìn)行二等分；……直至最后得到解。

在橋梁壅水計(jì)算中，同時(shí)考慮了糙率和局部阻力系數(shù)，可利用如下的能量方程：

式中：ξ系數(shù)選取是關(guān)鍵，對(duì)于方頭墩一般取0.35；對(duì)于圓頭墩，一般取0.18，且ξ取值時(shí)橋墩長(zhǎng)寬比均應(yīng)為4。v為緊接橋墩處的斷面平均流速[4]。

方法二：寬頂堰堰流公式

寬頂堰堰流公式計(jì)算，即將河道過(guò)流斷面概化為無(wú)坎寬頂堰來(lái)計(jì)算橋梁的壅水。計(jì)算公式如下：

Q——過(guò)堰流量(m3/s)；

H0——為計(jì)入行近流速水頭的堰上水深（m）；

δ——堰流淹沒(méi)系數(shù)，取1.0；

g——重力加速度（m/s2）；

m——堰流流量系數(shù)，應(yīng)在0.32～0.385之間；

B0——總凈過(guò)水寬度(m)；

Z上——壩上水位（m）；

G——河底平均高程（m）；

BS——壩上水面寬度（m）。

3、實(shí)例應(yīng)用

廣州大橋橋位區(qū)位于梅城梅江反“S”型下部的彎道處（位置詳見(jiàn)圖1），水流與橋軸線的法線夾角約為12°。大橋橋位上游20m右岸處為七孔閘，下游約100m河道突然收縮，最窄處河床寬僅為160m。大橋橋位斷面河床寬約320m，左岸（北岸）為淤積區(qū)，右岸（南岸）為沖刷區(qū)，橋位處河床南低北高，呈“V”字形，其左岸分布有淺灘，寬度約50m，灘面傾向河心，深槽偏向右岸，最深處可達(dá)10m以上，中泓位置大約距右岸堤防60～100m，河床最低標(biāo)高為61.704m（珠基，后同）。

圖1 廣州大橋位置示意圖

廣州大橋主橋?yàn)椋?39m+106m）獨(dú)塔單索面斜拉橋，主線橋引橋采用（3×30m）+（3×30m）和V（4×36.2m）+（2×30m）預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁。主塔墩位（Z8）位置距北岸較近，約106m，采用箱形截面，截面尺寸為15m（橫向）×8m（縱向）；主橋南側(cè)邊墩（Z7）距南堤75m，采用帶擴(kuò)大頭板墩，迎水面墩寬為6.3m，兩墩承臺(tái)之間設(shè)立2.5m×1.8m的系梁。南側(cè)引橋的兩個(gè)橋墩（Z5、Z6），迎水面墩寬均為2.5m（參見(jiàn)圖3）。河道范圍內(nèi)廣州大橋橋墩立面示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 河道范圍內(nèi)廣州大橋橋墩立面示意圖

廣州大橋的阻水比統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

根據(jù)“廣東省河流糙率綜合分析”成果，梅城河段的糙率值取為0.024。

本次以梅縣（四）水文站設(shè)計(jì)的各頻率水位作為起推水位向下游推算。采用梅縣（四）水文站1945～2008年共有64年水位資料系列進(jìn)行頻率分析計(jì)算，得起推水位計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

采用伯努利方程，逐段試算推得大橋修建后的工程后水面線，與工程前現(xiàn)狀水面線對(duì)比，得方法一計(jì)算的壅水值；根據(jù)寬頂堰堰流公式，得方法二計(jì)算的

4、結(jié)論

橋梁壅水計(jì)算中，水面曲線法以水動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，理論上較嚴(yán)密，但需要相關(guān)河道、橋梁較為詳細(xì)的水文、地形等資料進(jìn)行建模、率定和驗(yàn)證，對(duì)使用技術(shù)要求相對(duì)較高，對(duì)收縮區(qū)和擴(kuò)散區(qū)的損失系數(shù)等要做若干假定。簡(jiǎn)化計(jì)算法公式推導(dǎo)時(shí)先要作出假定，往往根據(jù)實(shí)際掌握的試驗(yàn)資料和天然資料驗(yàn)證來(lái)確定系數(shù)或指數(shù)，具有經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)性質(zhì)。在實(shí)際工程應(yīng)用中，需根據(jù)水文、地形資料的實(shí)際情況，對(duì)各計(jì)算方法的適用性進(jìn)行分析，以便橋梁壅水計(jì)算更加符合實(shí)際情況。壅水值。計(jì)算成果見(jiàn)表3。