水文測量中橋測流量精度的分析研究

趙東輝，耿 郁，劉 建

(1.吉林省水文水資源局通化分局，吉林 通化 134000;2.吉林省水文水資源局吉林分局，吉林 吉林 132000)

隨著水文站隊結合方式的深入，巡測方式得到了進一步普及。用巡測車在橋上測流，既可以提高工作效率，同時又擴大了資料收集范圍，提高了巡測機動能力，促進了水文工作向深度和廣度發展。因此對橋測流量精度進行科學的分析研究，對水文測驗有著廣泛的現實意義。在通化地區對梅河口(梅)、梅河口(二)和朝陽鎮(二)三個水文站進行橋測試驗，由于這三個水文站都設在輝發河上，河流特性相似，橋梁構造相同，因此通過橋型的選擇，橋墩對流速的影響，橋測與其它流量測驗方式的對比分析，對橋測流量的精度進行分析研究。

1 橋型的選擇

用巡測車進行橋測，按照《水文巡測規范》(SL195－97)要求，較為理想的橋型一般是選擇橋墩較小、跨度較大的公路橋，且“宜選擇圓形(雙柱型)、圓端(頭)形墩的橋梁”。在現行橋梁中，選用鋼筋混凝土雙管板梁公路橋較為適宜。由于這種橋的橋面板一般伸出橋墩2m左右，較為有利于橋測斷面的布設。考慮到流速的因素，橋測斷面一般選在橋的上游，并宜在“橋墩上游2～5m范圍內水流較平穩處”。按照這一要求，若橋面離開橋墩的距離2～5m，則斷面設在橋外0～3m即可。選擇這個距離的好處是橋測工具的懸臂不致過長，測量起來較為方便，安全系數也更大一些。

2 橋墩對水流流速的影響

天然水流通過橋梁時，流速必然要受到橋墩的阻水影響。由于橋墩對水流在各個方位、方向上影響的不同，同時也必然影響到橋孔間的流速分布。具體的影響通過對梅河口(梅)、梅河口(二)、朝陽鎮(二)三個水文站在橋墩正對水流的迎水方向，距橋墩 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 4.0m 處進行多點法測速，由于以上三個站的河流特性、橋梁構造完全相同，并且位于同一條河流之上，因此把三個站的資料匯集到一起，以Vi為橋墩上游迎水方向不同距離(Di)處的流速，V4為距橋墩4.0m處的流速，綜合繪制Vi～Di～V4相關圖(圖1)。

由圖上看，距橋墩2m處的流速與4m處的流速接近，流速系數為1.05，3m與4m處的流速接近，流速系數為1.00，可視4m處的流速與天然流速(V天)一致。在相關圖上反映出，越接近橋墩，流速受到的影響越嚴重，它與天然流速的大小、橋墩形狀、離開橋墩的距離等因素關系十分密切，因此通過它們之間的相關關系可以建立相關方程:

式中:V天為不愛橋墩影響的天然流速;K為影響流速的系數，與流速大小、橋墩形狀、離開橋墩距離等因素有關;Vi為離開橋墩某一距離處測速垂線的平均流速;Di為某一測速垂線距離橋墩的距離;m為流速指數;n為墩距指數。

圖1 橋上游距橋墩不同距離處的流速與距橋墩4m處流速Vi～Di～V4相關

對大量的實測資料試驗數據進行統計、計算，經推導可得:m=1.05，n 數值則為 n= －0.25，K=1.30。這樣可推導出在橋的上游，即橋墩迎水方向天然水的流速與橋墩形狀、距離橋墩距離等的相關方程為:

建立這個相關方程的目的，就是試圖推求橋墩對上游水流流速的影響范圍及距離橋墩不同距離處的流速，用以確定橋測斷面的位置和推求流速計算的改正系數。

對上述三個水文站在橋墩下游 3.0m處的斷面上，根據橋墩左右兩側橫向分布的流速資料亦點繪了Vi～Di～V4相關圖，從圖上同樣可以看出，距離橋墩越近，點群散亂程度越嚴重，流速受到的影響越大。從正對橋墩上、下游情況看，橋墩對下游流速的影響范圍要比上游大得多，這是由于橋下游水流受到橋墩的阻水影響，產生渦流影響范圍較大的緣故。也正是由于這個原因，《水文巡測規范》(SL195－97)中規定橋上測流應選在在橋上游，，因此不再推求天然狀態下的水流流速與橋下游橋墩的距離、橋墩形狀、距離橋墩的距離等相關因素的相關方程。

3 橋測流量與其它流量測驗方式的精度對比

對橋測流量的精度，用船測的方式與之進行比測，進行精度驗證。通過在上述三個測站的橋上3m處布設測驗斷面，船測斷面設在橋上游20m處，全斷面都一樣共布設10條垂線，都用常規法施測，兩種測量方法同步進行。三個站分別施測10次，共計取得30次對比資料。經點繪比測流量關系點，可以看出，同步進行比測的水位流量關系線，點據非常集中，相關關系良好。見圖2、圖3、圖4。

圖2 梅河口(二)站橋測與船測水位－流量關系綜合曲線圖

圖3 朝陽鎮(二)站橋測與船測水位－流量關系綜合曲線圖

由上可以看出，梅河口(梅)的相關系數為0.998，梅河口(二)的相關系數為0.997，朝陽鎮(二)站的相關系數為0.998，低水流量編差略大的原因，主要是由于低水流量小，很大程度上是測量誤差造成的。由此看來，橋測流量嚴格按照巡測規范，是可以保證相當高的精度的。

圖4 梅河口(梅)站橋測與船測水位－流量關系綜合曲線圖

4 結語

在橋測流量計算中，過水斷面面積是否扣除橋墩面積，流速是否進行改正，決定于橋測斷面的布設位置。為計算方便和不致使流量計算精度因進行改算而降低，如能將橋測斷面設在橋墩對水流影響范圍以外，較為有利。從試驗資料看，只要橋墩尺寸小，影響水流范圍小，橋面橋伸出橋墩一定距離，不在橋孔內布設垂線，就能達到這個目的。只要完全按照河道站的測流要求布設斷面，使斷面的各條垂線流速都接近天然流速，則流量精度很高，且很簡便。但若橋測斷面不能設在接近天然流速處，則垂線流速會受到影響，需要進行流速改正，改正系數的值需要經過大量試驗才能確定。

［1］水利技術標準匯編—水文卷—水文測驗，中國水利水電出版社，2002.

［2］水力學，華東水利學院，1957.