跨河橋梁防洪評價中壅水計算公式分析

趙博 朱梅 鄭佳重 趙家祥 畢玲玲

【摘要】為使跨河橋梁防洪評價計算成果更加準確、合理，總結分析了多種橋梁壅水簡化公式的優缺點和適用條件，在此基礎上以實際工程為例，用簡化公式法中的8種簡化公式對同一個跨河橋梁壅水進行了對比計算，并對計算結果進行了分析與討論，給出了較為適用于跨河橋梁壅水高度計算的簡化公式。

【關鍵詞】橋梁；防洪評價；壅水計算

前言

根據《中華人民共和國防洪法》等有關規定，跨河道修建橋梁等建筑物時，應就洪水對建設項目可能產生的影響和建設項目對防洪可能產生的影響作出評價，編制防洪評價報告，提出防御措施。按照水利部2004年《河道管理規范內建設項目防洪評價報告編制導則（試行）》，防洪評價報告包括六大主要內容，壅水分析計算是防洪評價報告重要組成部分內容之一。目前，國內外對于跨河橋梁壅水分析計算都有較成熟的計算公式，但跨河橋梁的壅水分析計算公式種類繁多，不同計算方法得到的結果差距較大。本文總結了不同簡化公式的優缺點和適用條件，然后以實際工程為例，通過對比計算和分析，并給出了較為適用于跨河橋梁壅水高度計算的簡化公式，為今后河道管理范圍內跨河橋梁的防洪影響評價計算提供參考。

1、橋梁壅水計算公式的比較

國外跨河橋梁壅水計算的研究較早，已有一百多年的歷史，我國從20世紀50年代后期才開始進行橋梁和路堤壅水試驗研究工作。通過調查和試驗，先后提出十多個橋梁壅水計算公式。

現行橋梁的壅水計算總體上可以分為四類：水面線法、簡化公式法、數學模型法和水工模型試驗法。其中，簡化公式法又可以分為四類：以水流能量平衡原理為基礎的能量型公式，以水流動量原理為基礎的動量型公式，以堰流計算為基礎的堰流公式，以及主要以試驗資料為基礎的經驗公式。由于簡化公式法所需資料較少，計算簡便，又有一定的精度，因此容易為使用單位接受和推廣，我國的橋梁設計規范中長期使用簡化公式。以下主要總結分析了幾種主要的橋梁壅水簡化計算公式：

①新正交橋壅水計算公式 優點：該式是在總結現有橋梁公式的基礎上提出的最新公式，經過實測資料驗證，符合程度較好。缺點：只能用于正交橋的壅水計算，無法用于斜交橋的壅水計算。

②道布松公式 優點：該公式形式簡單、參數容易選取，考慮因素較多，適用于各類河流。 缺點：阻力系數η值的取值標準和橋下平均流速計算方法過于粗略，參數選取的隨意性和不確定性大，可能會造成計算結果的不穩定。

③美國科羅拉州大Liubradley和Pcate的經驗公式優點：可同時用于跨渠道橋梁和跨河道橋梁的壅水計算，尤其是對大糙率的天然河流有較好的適應性。 缺點：參數的選取過于粗略，并且未考慮橋下沖刷的影響。

④Henderson公式： 優點：對大糙率的天然河流有較好的適應性。經我國鐵道部橋梁科研所通過大量的野外實地調查資料驗證，計算結果比較符合實測值。缺點：參數的選取過于粗略，而且未考慮橋下沖刷的影響。

⑤ 實用水力學公式：優點：可用于平原寬淺河流。缺點：不適用于斷面平均流速大的峽谷式河槽。

⑥水力學建立能量方程公式優點：該式是根據《水力學》中實際液體恒定總流量能量方程簡化而得的，形式簡單，參數容易選取。缺點：只考慮了局部損失，忽略了沿程損失，沒有考慮工程實際情況。

⑦曹瑞章公式優點：該式形式簡單，參數較少，計算方便，一般尚能比較符合實際。缺點：未考慮墩形，沖刷系數的選取受人為因素影響較大。

⑧陸浩公式優點：通過了模型試驗和天然壅水資料的驗證；對平均流速小的寬淺河道及平均流速較大的峽谷均有較好的適應性。缺點：對橋墩形狀因素考慮不夠，沖刷系數的選取帶有明顯的經驗性和任意性。

2、壅水計算的工程實例

2.1 工程概況

某新建大橋全長374.86m。橋跨布置：橋墩跨度分為32m和64m兩種，采用5×32m預制后張發簡支混凝土梁+1×64m下乘式鋼桁梁+ 4×32m預制后張發簡支混凝土梁；采用單線圓端形實體橋墩；單線T形橋臺；φ1000mm鋼筋混凝土鉆孔樁基礎。鉆孔樁直徑采用φ1.0m，主跨樁直徑采用φ1.05m。橋梁設計橋墩軸線與水流方向夾角為0°。

2.2 壅水計算

大橋所在河段不同過流水位條件下的流量、水位情況，以及橋梁橋墩阻水情況見表1。

根據表1中的橋位河段各級頻率的流量、水位成果，結合橋梁橋墩阻水情況，為了更好地對不同簡化公式計算結果進行對比分析，利用上述簡化計算公式計算橋位處不同頻率洪水條件下的橋梁阻水壅高值，計算成果及對比情況見表2。

2.3 計算結果

根據上述八種簡化公式對同一跨河橋梁壅水高度的計算，可以得出以下結果：

（1）計算結果具有近似性

①～④式的計算結果較為接近；⑥～⑦式的計算結果也較為接近；⑤和⑧式的計算結果近似接近。

（2）計算結果具有差異性

①～④式的數值偏??；⑥～⑦式的計算數值偏大；⑤和⑧式的計算結果介于①～④式和⑥～⑦式之間。

3、討論與分析

以實際工程為例，采用簡化公式法中的8種簡化公式同一跨河橋梁壅水進行了對比計算，計算結果既具有近似性，又具有差異性，以下將對計算結果進行深入談論與分析。

（1）計算結果之所以會有近似性，是因為簡化計算公式的絕大多數參數是根據試驗資料或實測資料通過回歸分析等方法近似確定，這就決定了簡化公式的結果都有近似性。

（2）計算結果之所以會有差異，是由于簡化計算公式的研究背景、實驗條件和考慮因素各不相同，都具有一定的局限性和特定的使用條件；同時，橋梁壅水受河道水流流態、邊界條件、等諸多因素影響，很難準確求得所有因素，使得計算結果有時候偏差較大。

（3）公式①～④的計算結果較為接近，但是公式①、③、④參數較多，公式②的計算結果與①～④式計算結果的平均值較為接近，且公式②參數較少，考慮因素較多，適用于各類河流。

（4）公式⑤、⑦、⑧參數較多，參數難以準確選取，往往帶有明顯的經驗性和任意性，而公式⑥沒有考慮工程實際情況，因此，計算結果可能與實際情況偏差較大。

根據以上分析討論，公式②參數較少，考慮因素較多，適用于各類河流，能夠滿足計算精度的要求?？紤]到一般中小河流資料較少，參數難以準確選取，公式①～④的結果也較為接近，因此，對于一般中小河流的跨河橋梁壅水高度計算，從參數選取的難易程度以及計算結果的精度考慮，建議選用公式②；由于公式②也存在著一定的不確定性，所以可用公式①、③、④進行驗證校核，使橋梁壅水計算結果更加符合實際情況，確?？绾訕蛄汗こ疼账嬎愕目煽啃?。

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