高速公路小橋涵水文計算方法研究

葉 潘

（中咨盛裕交通設(shè)計研究有限公司，北京 100048）

0 引言

為緩解高速公路小橋涵水毀災(zāi)害的影響，需要進(jìn)行大量關(guān)于水文災(zāi)害的調(diào)查和研究工作，同時發(fā)揮橋涵水文計算的重要作用[1-2]。準(zhǔn)確實施小橋涵的水文計算最關(guān)鍵的目的是更好地防御山洪并降低其帶來的各方面損失，并積極推進(jìn)橋涵在高速公路運行過程中的促進(jìn)作用。本文在大量豐富有效的計算模式和方法的基礎(chǔ)上，針對高速公路小橋涵水文計算方法進(jìn)行闡述和研究，以期在多種因素共同影響和作用下都能保證小橋涵的安全穩(wěn)定，維持高速公路良好的運行狀態(tài)。

1 獲取小橋涵表面高度及橋涵洞長度

高速公路中小橋涵的比例大致占30%，是非常重要的構(gòu)成部分[3]。小橋涵需要較長的設(shè)計周期，且施工成本較高，因此小橋涵的高度、孔洞的長度及位置在設(shè)計及施工中都有較嚴(yán)格的要求。在高速公路小橋涵水文計算的過程中，獲取小橋涵表面高度及橋涵洞長度是不可缺少的步驟。水位G0的數(shù)值可以通過下式計算得出：

式中：Gmax——水位最高數(shù)值；

Δgs——小橋涵上部設(shè)施的高度。

高速公路小橋涵孔洞長度也受區(qū)域地形及自然地質(zhì)條件等其他因素的影響，在計算過程中應(yīng)根據(jù)具體情況，因地制宜，作出相對應(yīng)的計算過程。高速公路中的小橋涵有多種類型，彼此間差異較大，因此在計算時很難有完全統(tǒng)一的方法和公式，為獲取小橋涵表面高度及橋涵洞長度的數(shù)值，要綜合各類因素的影響結(jié)果，充分結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況，利用積累的經(jīng)驗和研究成果，隨時對小橋涵水文計算的方法進(jìn)行調(diào)整。

2 確定沖刷影響

由于高速公路小橋涵工程要承受山區(qū)河流及洪水等水文地質(zhì)災(zāi)害的沖刷和沖擊，因此根據(jù)規(guī)定，小橋涵最佳的施工位置應(yīng)該選取在平順形直的河段，水流穩(wěn)定且河段偏窄，或是河槽及河灘較為明顯的地段。為了計算小橋涵水文計算方法中沖刷影響的部分，可以假定不同的沖刷過程各自獨立進(jìn)行，再將計算結(jié)果結(jié)合，可以得到最大的沖刷效果，即小橋涵能夠承受的最大的沖刷力，基本計算公式如下：

式中：P——在一般沖刷過程后小橋涵所處河段的最大水深；

k——河段總體的流量系數(shù)；

T1與T0——分別代表小橋涵所處河段可通過的最大流量數(shù)值和河段總體可承受的最大流量數(shù)值；

α——河段水流向小橋涵工程所施加的壓力系數(shù)；

h——小橋涵所在河段寬度；

R——河段的整體寬度。

此外，環(huán)境對小橋涵的沖刷過程還包括局部沖刷，在計算局部沖刷時，要著重考慮泥沙在沖刷過程中的作用，可以通過以下公式進(jìn)行計算：

式中：hj——小橋涵基底受局部沖刷的深度；

x——河段泥沙系數(shù)；

W1——小橋涵的實際寬度；

S和S0——分別表示小橋涵所在河段的泥沙流速和河段整體的平均泥沙流速。

3 計算高速公路小橋涵在環(huán)境中的受力

高速公路的小橋涵工程地處多樣的自然環(huán)境和地質(zhì)環(huán)境中，每處河段及河槽河灘的地形也大不相同，因此獲取小橋涵在各自環(huán)境中所受的壓力也是小橋涵水文計算中的重要部分[4-5]。由于對小橋涵安全及穩(wěn)定產(chǎn)生主要影響的自然地質(zhì)災(zāi)害為洪水災(zāi)害，因此著重計算洪水災(zāi)害發(fā)生時多種因素對小橋涵的壓力影響，例如洪災(zāi)中強(qiáng)大水流對小橋涵產(chǎn)生的上托力，漂浮于洪水中的顆粒物帶來的沖擊力以及周圍滑坡產(chǎn)生的壓力等等，可根據(jù)以下公式計算：

式中：F——小橋涵受水流作用力的總和；

r——洪災(zāi)期間的水力半徑；

Δh——通過小橋涵的水流平均流速；

s——小橋涵定點的瞬時流速；

k——總體的河流系數(shù)。

高速公路小橋涵在環(huán)境中的受力與其影響因素呈正向相關(guān)關(guān)系，由此可以推出結(jié)論，當(dāng)小橋涵所處區(qū)域發(fā)生洪水災(zāi)害時，河段的水位產(chǎn)生劇烈的變化，通過小橋涵的水流速度急速上升，并同時攜帶大量漂浮顆粒物，對小橋涵工程產(chǎn)生巨大的作用力，因此在高速公路小橋涵水文計算工作中，要充分考慮洪災(zāi)等自然地質(zhì)災(zāi)害對小橋涵工程產(chǎn)生的強(qiáng)大作用力，從而讓水文計算的結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。

4 計算區(qū)域洪水流量

在計算區(qū)域洪水流量前，可根據(jù)當(dāng)前的洪水流量記錄資料對區(qū)域的洪水流量歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行推算，作為區(qū)域洪水流量計算中的一個重要參考。歷史洪水流量的推算應(yīng)首先實地考察歷史洪災(zāi)留下的痕跡以及小橋涵所處河段的地形等因素，再通過如下公式對歷史洪水流量進(jìn)行計算：

式中：A——需要計算的歷史洪水流量；

n——小橋涵所在河段歷史流速平均系數(shù)；

r——河段水力半徑；

M——小橋涵所在河段的比降值。

由此可以計算出小橋涵所在河段區(qū)域歷史上的洪水流量，為當(dāng)前小橋涵水文計算提供參考依據(jù)。其中，[r]作為河段水力半徑，是計算歷史洪水流量過程中非常重要的參數(shù)。水力半徑通過數(shù)值來表現(xiàn)橋涵工程的過水量，即工程對水流產(chǎn)生的影響。r的數(shù)值越大，小橋涵能承受的過水水流量越大，過水能力越強(qiáng)，因此在計算過程中，水力半徑的數(shù)值是衡量小橋涵承載能力的一個重要指標(biāo)。

歷史洪水流量的數(shù)值與發(fā)生頻率間有非常緊密的關(guān)系，根據(jù)目前已有資料總結(jié)出兩者間的關(guān)系趨勢及走向，具體如圖1所示。

圖1 2018-2020洪水流量與頻率的關(guān)系走向

從圖1中曲線可知，由于我國洪災(zāi)防治措施的進(jìn)步，洪量大的洪災(zāi)發(fā)生頻率逐漸降低，發(fā)生頻率高的洪災(zāi)流量也呈下降趨勢，洪水流量與頻率間大致呈反向關(guān)系。在獲取了歷史洪水流量參數(shù)后，再根據(jù)區(qū)域河流面積及河段平均比降值等其他影響因素，按下列公式計算小橋涵所在區(qū)域的洪水流量：

式中：FA——小橋涵所在區(qū)域的平均洪峰流量；

I——河道系數(shù)；

Jd——計算區(qū)域一天內(nèi)最大的降雨值；

Z——小橋涵所在區(qū)域的流域面積；

M0——河段整體的比降平均值。

根據(jù)上述公式，可以對高速公路小橋涵水文計算中的洪水流量部分進(jìn)行計算，作為整體水文計算的重要參考。

5 應(yīng)用測試

5.1 準(zhǔn)備工作

為了檢測高速公路小橋涵水文計算方法的反饋效果，利用上述計算方式和過程，選定某區(qū)域A內(nèi)幾個特定的小橋涵工程地點，進(jìn)行水文計算，并對計算方法的測試結(jié)果進(jìn)行收集、歸納和總結(jié)。首先在選定區(qū)域內(nèi)選擇5個小橋涵工程定位點，統(tǒng)計其過去一年內(nèi)4個季度分別的降雨量，作為小橋涵水文計算測試工作中的重要參數(shù)，具體如表1所示。

表1 選定區(qū)域內(nèi)四季度降雨量統(tǒng)計表

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)可知，此選定區(qū)域內(nèi)暴雨季節(jié)穩(wěn)定在第二季度與第三季度之間，在進(jìn)行高速公路小橋涵水文計算時要將降雨量納入考量，其中設(shè)定z為小橋涵水文計算測試中的差量參數(shù)，以此來衡量計算結(jié)果的誤差大小，z越趨近于0，代表小橋涵水文計算的誤差越小，準(zhǔn)確性越高。

5.2 高速公路小橋涵水文計算方法測試反饋結(jié)果

對小橋涵水文計算方法的測試階段將區(qū)域A作為選定區(qū)域，對區(qū)域內(nèi)的兩處小橋涵定點進(jìn)行水文計算方法測試，并將傳統(tǒng)計算方法的測試記錄作為對照組進(jìn)行對比，抽取其中10組測試數(shù)據(jù)，表2為此階段測試結(jié)果。

表2 區(qū)域A5處小橋涵水文計算測試結(jié)果統(tǒng)計表

由表2對比數(shù)據(jù)結(jié)果可知，實驗組1和實驗組2差量參數(shù)的平均值分別為0.71和0.49；對照組1和對照組2差量參數(shù)的平均值為1.86和1.66，觀察這些數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，本文研究的方法相比傳統(tǒng)方法，差量參數(shù)分別減少了1.15和1.17。

6 結(jié)束語

此次研究在明確高速公路小橋涵水文計算的重要性及過程中存在的難度和問題后，針對性地提出了小橋涵水文計算的方法和步驟，為今后改善水文計算工作提供了新的發(fā)展。但根據(jù)文中闡述的方法過程可以發(fā)現(xiàn)，水文計算方法中自然環(huán)境的不確定因素較多，很難得到精確的數(shù)據(jù)，會對整體的水文計算結(jié)果產(chǎn)生影響。今后可以增強(qiáng)對高速公路小橋涵所在地區(qū)自然環(huán)境的實時監(jiān)控，盡量多獲取環(huán)境中影響因素的數(shù)據(jù)，將高速公路小橋涵水文計算的結(jié)果誤差控制在合理范圍內(nèi)，成為未來小橋涵工程建設(shè)的重要依據(jù)。