公路桥梁中的水文计算研究

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摘要:水文计算是公路桥梁设计中的一项重要内容,包括形态断面计算、设计洪水流量及洪水位计算、桥孔设计计算及冲刷计算等。文章分别概述了公路桥梁中水文计算的计算思路和方法,指出了分析计算中应注意的问题,可供相关人员参考。

关键词:水文计算;公路桥梁;经验公式;水文断面;设计流量;设计洪水位

中图分类号:U448 文献标识码:A 文章编号:1009-2374(2010)09-0184-02

当前,我国加大了基础设施的投资力度,交通运输业正经历着新一轮的蓬勃发展。公路桥梁作为重要的基础设施,在国民经济的发展中扮演着极其重要的角色。众所周知,我国幅员辽阔,山脉连绵起伏,河流湖泊纵横交错。壮观的山河构筑了美丽的风景,但同时也为公路桥梁基础设施的建设增加了难度。为保证公路桥梁能发挥预期的经济效益,就必须保证其安全性和适用性,因此,水文计算就显得特别重要。进行水文分析和计算首先要收集水文资料。水文资料记录着河流水情的变化,为水文计算提供了基本的计算数据。水文资料主要来源于三个方面,即水文站的观测资料、洪水调查资料和文献考证资料。通过不同的途径收集整理得到水文资料加上河床断面资料,结合桥涵水文计算方法,就可以进行桥涵水文水力计算了。公路桥梁水文的计算包括形态断面计算、设计洪水流量及洪水位计算、桥孔设计计算、河床的冲刷深度计算等方面。

一、形态断面的计算

根据给定的水文计算断面的基本计算数据计算出相应水文断面的一些水力因素称为形态断面的计算。形态断面计算首先要收集水文计算断面地形资料,计算出河槽河滩的宽度、深度、水流速度进而计算出河槽流量河滩流量等。由历史洪水位推算相应的洪水流量的计算步骤如下:

(一)形态断面的选择

形态断面的选择可参考如下标准:

1.处于近似均匀流的河段上,一般要求河道顺直,水流通畅,河床稳定,河滩较小,河滩与河槽的洪水流向一致,并且无河湾、河汊、沙洲等阻塞水流的现象。

2.尽量靠近调查的历史洪水位,但距桥位也不宜过远。形态断面与桥位断面之间,应无支流汇入,又无分流或壅水现象。

3.形态断面必须垂直于洪水流向,形态断面的形状应尽量符合洪水发生时的实际情况,同时根据调查资料对河道变迁及河床冲淤作了定量估计,在断面图上适当修正。

(二)水文断面的流速、流量计算

水文断面的平均流速,可用谢才-满宁公式计算:

式中:ν为断面平均流速(m/s),对于复式断面,河槽与河滩的断面平均流速应分别计算;n为粗糙系数;m为n的倒数;R为水力半径(m);i为洪水比降,以小数计。

水文断面的流量按下式计算:

单式断面时,(3)

复式断面时,(4)

式中:Q为全断面总流量(m3/s);A为过水断面面积(m2);Ac和At分别为河槽和河滩的过水面积(m2);vc和vt分别为河槽盒河滩的断面平均流速(m/s);Qc和Qt分别为河槽和河滩的流量(m3/s)。

如果需要由洪水流量推算相应的历史洪水位,只需按照上面的步骤假定不同的洪水位,然后试算洪水流量,直到计算出的洪水流量与已知的洪水流量吻合即可。一般情况下手算要求误差不超过5%,电算不超过1%。

二、设计流量与设计洪水位的计算

为了确定高速公路的路面高程,根据《公路桥位勘测设计规范》(JTJ062-91),高速公路特大桥按1/300频率标准、大中桥按1/100频率标准进行设计。因此,必须推求沿线桥位的设计流量与设计水位。

(一)设计流量的计算方法

桥涵设计流量的推算,应按《公路桥位勘察设计规范》(JTJ062-91)的要求,根据所掌握的资料情况,选择适当的计算方法。目前,对于大、中河流,具有足够的实测流量资料时,主要采用数理统计法(水文统计法),而缺乏实测资料时,则多采用间接方法或经验公式计算,若具有足够的实测暴雨资料时,也可以利用暴雨资料,通过成因分析,进行计算;同时“可能最大暴雨与洪水”的计算方法,也是今后推求暴雨洪水流量的重要途径。汇流计算有三种方法:丘陵山区小汇水面积采用推理公式法,平原地区采用总入流槽蓄演算法,并用瞬时单位线法对山丘、平原区的暴雨洪水资料进行了全面的分析计算。几种方法计算时基本采用统一的资料,可以得到相互验证的作用。

(二)设计水位的推算方法

当桥位附近有水位站实测历年水位资料时,采用频率计算方法,具体计算原理及方法同流量频率计算。若桥位附近无实测水位资料时,利用计算所得桥位处设计流量,采用形态法推求设计洪水位。

三、大中桥孔径的计算

(一)桥孔布置的原则

桥孔布置应遵循如下原则:

1.保证设计洪水和它所挟带的泥沙顺利宣泄,避免河床产生不利于桥梁的变形,并能满足通航、流冰和漂浮物安全通过的要求。

2.与天然河流断面的流量分配相适应,两侧河滩的冲刷前桥下过水面积之比,应大致等于两侧河滩的流量之比。

3.根据桥位河段的天然特征,以及水工建筑物(已建或拟建的)可能引起的影响,考虑河床变形和水流变化对桥梁的影响。

4.尽可能照顾当地的发展规划,与农田水利设施相配合。建桥后的桥前壅水,不得对两岸河堤、农田、村镇造成威胁;在平原地区尤为重要,往往以桥前壅水的允许高度,作为桥梁长度的控制因素。

5.按《公路工程技术标准》中的规定,对跨径在60m以下的桥孔,尽可能采用标准跨径。

6.注意地质情况,桥梁的墩台基础避免设在断层、溶洞等不良地质处。

7.综合考虑施工条件和经济效益,作全面的比较,选择合理的桥孔布置方案。

8.在桥梁跨径选择上,应充分考虑桥梁的美学设计,尽量做到跨径与桥高的协调、美观。

(二)桥孔长度的确定

桥孔长度的确定,应满足排洪和输沙的要求,保证设计洪水及其所挟带的泥沙从桥下顺利通过;应满足桥下天然或人工漂浮物的通过,保证冰凌或竹排、木排从桥下顺利通过;应满足桥下水面通航的要求,保证船舶或编组的驳船船队从桥下顺利通过。因此,应综合考虑桥孔长度、桥前壅水和桥下冲刷的相互影响。

根据规范,桥孔最小净长度应符合下列规定:

1.峡谷河段,可按河床地形布置,不宜压缩河道,可不作桥孔最小净长度计算。

2.开阔、顺直微弯、分汊、弯曲河段及滩、槽可分的不稳定河段,宜按下式计算桥孔最小净长度:

式中:Lj为桥孔最小净长度(m);Qp为设计流量(m3/s);Qc为河槽流量(m3/s);Bc为河槽宽度(m);Kq和n3为系数和指数。

3.宽滩河段,可按下式计算桥孔最小净长度:

式中:β为水流压缩系数;qc为河槽平均单宽流量(m3/s);Qt为河滩流量(m3/s)。

在实际桥孔布设中,除应满足上述规范规定的条目外,尚应结合桥位地形、桥前壅水、冲刷深度、河床地质等情况,做出不同桥长的技术经济比较,综合论证后确定。

(三)桥面标高的计算

桥面最低高程的确定受设计洪水水位、设计最高通航水位、因桥梁建筑而引起的水位升高、水面漂浮物、通航船只净高以及桥梁结构物高度、道路线形布设的需要等因素的综合影响。若此高程设置过大,将使工程投入显著加大;但此标高设置过小,轻则将会造成桥位上游正常通航和局部的洪涝灾害,重则可能危及桥梁的安全及桥位上游局部地区的人民生命财产安全。因此,应从地区政治、经济、军事、交通运输业的发展及工程的技术经济合理为基点,综合分析,确定此高程。

四、冲刷计算

为保证设计洪水在桥下安全通过,除了要有足够的桥孔长度和桥梁高度之外,桥梁墩台基础还必须有足够的埋置深度。建桥后桥梁的冲刷过程十分复杂,一般把复杂的冲刷过程分为三个独立的部分,即自然演变冲刷、一般冲刷和局部冲刷。假定它们独立相继的进行,可分别计算然后叠加,作为墩台的最大冲刷深度和确定墩台基础埋置深度的依据。由于自然演变冲刷目前还没有确定的理论来估计,在计算中常常和一般冲刷并在一起考虑。因此计算时常只是计算一般冲刷和局部冲刷两种冲刷。目前使用的方法主要按桥跨下河床断面组成特性及土质特性之区别,分别建立计算公式。

五、结语

公路桥梁水文计算包括设计洪水流量的计算、桥孔设计计算、洪水冲刷计算等,目前多是采用经验公式,其中需要确定若干经验系数。很大程度上,经验系数的取值决定了水文计算的准确与否,怎样找出确定计算系数的理论依据,避免取值的盲目性,是今后应重视的研究课题。

参考文献

[1]中华人民共和国交通部标准.公路工程水文勘测设计规范(JTG30-2002)[S].北京:人民交通出版社,2002.

[2]中华人民共和国交通部标准.海港水文规范(JTJ213-98)[S].北京:人民交通出版社,1998.

[3]中华人民共和国交通部标准.公路桥位勘测设计规范(JTJ062-91)[S].北京:人民交通出版社,1998.

[4]高冬光.公路桥涵设计手册[M].北京:人民交通出版社,2004.

[5]张学龄,高冬光,景天然.桥涵水文(第2版)[M].北京:人民交通出版社,1990.

作者简介:汪晓霞(1972-),女,贵州贵阳人,贵州省交通规划勘察设计研究院高级工程师,研究方向:桥梁设计。