拱橋橋孔過流能力的計算方法

趙 斌

（河北省水利水電第二勘測設計研究院，石家莊 050021）

拱橋橋孔過流能力的計算方法

趙 斌

（河北省水利水電第二勘測設計研究院，石家莊 050021）

通過實例詳細介紹了不規則過流斷面臨界水深等參數的求解過程，提出了計算拱橋橋孔過流能力的方法，對工程設計有一定的借鑒意義。

拱橋；等效寬度；臨界水深

在各類水利樞紐工程中，經常會布置有橋梁，如在溢洪道上方連接大壩與岸坡的工作橋，橫跨渠道、河道的交通橋等，拱橋是常用的一種橋型。實際工程中，有些拱橋的拱腳位于設計洪水位以上，對行洪沒有影響，但有的拱橋拱腳位于設計洪水位以下，當驗算溢洪道、渠（河）道過流能力時，須考慮其影響。

1 計算方法

橋梁都有凈空要求，故正常情況下一般可按無壓流考慮。橋順水流方向長度較小，水流現象與寬頂堰相似，可按寬頂堰過流公式［1］計算：

式中Q為流量（m3/s）；σ為淹沒系數；m為自由溢流的流量系數；ε為閘墩側收縮系數；B為過水斷面凈寬（m），非矩形斷面時采用B=Ak/hk，hk為臨界水深（m），Ak為臨界水深時的過流面積（m2）；H0為計入行近流速水頭的堰上總水頭（m）。

拱橋橋孔為非矩形斷面，從式（1）可以看出，公式右側的等效矩形過流斷面寬度B為主要未知量，而該參數又與臨界水深有關，所以，首先應先求出臨界水深。

任意形狀的過流斷面，當水深為臨界水深時，有式（2）［2］成立：

式中Ak為臨界水深對應的過流面積（m2）；Bk為臨界水深對應的水面寬度（m）。

公式左側可認為已知量，右側為臨界水深hk的高次隱函數，不易直接求解，需采用試算法。

對于某一擬定的流量，可先假定臨界水深hk，按幾何關系計算臨界水深時過流面積Ak及水面寬Bk，然后按公式（2）計算過流面積Ak′，比較與按幾何關系計算過流面積Ak是否相等，若相等，說明所假定臨界水深同時滿足幾何條件及水力學條件，hk、Ak即為所求，進而可求出等效寬度B，否則重新假定hk再次計算，直到Ak=Ak′。對于不同的流量，可以計算出一系列hk、Ak及等效寬度B。以上過程利用計算機進行計算很容易實現。

驗算橋孔過流能力可按以下思路進行：

（1）擬定一系列流量為已知量，求出過流斷面面積及等效矩形過流斷面寬度，列出流量—等效寬度關系表。

（2）根據所擬定流量和等效寬度計算上游水頭，或根據上游水頭查流量—等效寬度關系表計算流量，對所求流量或上游水位計算成果進行分析，判斷是否滿足過流要求。

2 算例

下面舉例說明計算過程：

基本資料：

某小型水庫岸邊布置有溢洪道，溢流堰為寬頂堰，無閘門控制，順水流向堰頂長度14m，孔口寬度18m，堰上方有一座單孔拱橋，橋寬5m，橋孔斷面見圖1（計算過程中所采用符號見圖中所示），堰下游接陡坡（按自由出流考慮）。試計算溢洪道水位泄量關系。

圖1 拱橋橋孔斷面圖

解：

（1）擬定一系列流量為已知量，求出過流斷面面積及等效矩形過流斷面寬度，列出流量—等效寬度關系表。

令 流量Q=200m3/s；

底寬 b=18m；

頂拱半徑r=11.25m；

矩形過水斷面高度d=1m；

假定臨界水深hk′=2.301m。

頂拱圓心角：

自由水面對應圓心角

按幾何關系計算過流面積

臨界水深時水面寬

按水力學公式計算過流面積

與按幾何關系計算過流面積Ak相同，所假定臨界水深同時滿足幾何條件及水力學條件，因此，當橋孔過流量Q=200 m3/s時，臨界水深hk=2.301 m，與之對應的過流面積為Ak=40.016 m2。

按同樣方法可求出其他流量時的等效矩形斷面寬度，列于表1。

表1 橋孔等效矩形斷面寬度—流量關系

（2）計算堰上水頭—泄量關系

由堰流公式可得到

由于是自由出流，淹沒系數σ=1.0，查水力計算手冊，取流量系數m=0.385，側收縮系數ε=0.91，將表1中數據帶入公式（3）即得到堰上水頭—泄量關系，見表2。

表2 堰上水頭—泄量關系

忽略行進流速水頭，可得堰上水深H≈H0，加上堰頂高程即得相應水位—泄量關系。將此成果用于水庫的調洪演算，便可判斷溢洪道泄流能力是否滿足要求。

3 結語

（1）拱橋橋孔過流可按寬頂堰公式計算，確定橋孔等效矩形過流斷面寬度是關鍵步驟，可充分利用計算機的優勢，試算求得該參數，進而驗算橋孔過流能力。

（2）算例列出了單孔拱橋自由出流的計算過程，當有多孔或淹沒出流時，還需考慮多孔側收縮系數及淹沒系數。若遇到主拱、腹拱大，小橋孔相結合的情況，可分別計算等效寬度，必要時按高低堰計算，同時應注意腹拱小橋孔可能被漂浮物堵塞的工況。

（3）另外，工程設計中，應保證橋孔凈空高度及面積。對已建工程進行驗算時，若水位較高，不能滿足凈空要求，應按非無壓流考慮并分析對橋梁的影響。

［1］李煒.水力計算手冊（第二版）［K］.北京：中國水利水電出版社，2006.

［2］吳持恭.水力學（第四版）［M］.北京：高等教育出版社，2008.

［3］SL263—2000,溢洪道設計規范 ［S］.

［4］華東水利學院.水工設計手冊（第一卷 基礎理論）［K］.北京：水利電力出版社，1983.

［5］華東水利學院.水工設計手冊（第六卷 泄水與過壩建筑物）［K］.北京：水利電力出版社，1987.

［6］葉其孝，沈永歡.實用數學手冊（第二版）［K］.北京：科學出版社，2006.

［7］劉炳文，許蔓舒.Visual BASIC程序設計教程 ［M］.北京：清華大學出版社，2000.

Calculation Method to Validate the Capability of Water Flowing through the Arch Bridge Span

ZHAO Bin
（The Second Design and Research Institute of Water Conservancy and Hydropower of Hebei,Shijiazhuang050021,China）

The process to solve the parameter of flowing through anomalous section is introduced in detail,such as critical depth,and suggesting the method to validate the capability of water flowing through the arch bridge span,which would be technical reference for the design of engineering.

arch bridge;equivalent width;critical depth

TV312

A

1672-9900（2011）03-0068-02

2011-04-09

趙斌（1978—），男（漢族），河北石家莊人，工程師，主要從事水利水電工程設計工作，（Tel）13398610119。