特定情况下的公路桥涵水文计算分析
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【摘要】桥涵水文调查是公路工程外业调查的基础工作，是合理确定桥涵孔径，控制工程规模的主要依据。本文首先介绍了水文调查与测量的工作，然后对特定情况下的公路桥涵的水了计算分析。
中图分类号：F540.3文献标识码：A文章编号：
桥涵水文分析与计算，包括河流水文资料的调查搜集整理与计算，推求出我们桥涵所需要的设计水位和流量，拟定出桥长孔径、桥高和基础埋设深度。由于桥位所处的地理位置不同以及其它复杂因素，包括天然的和人为因素如潮汐、泥石流、修水库、开挖渠道等。
一、水文调查及测量
水文调查工作主要是在桥位上下游调查历史上各次较大洪水的水位，确定河槽断面、滩槽划分、洪水比降和河床糙率，推算相应的历史洪水流量，作为水文分析和计算的依据；同时调查桥位附近河道的冲淤变形及河床演变，作为确定历史洪水计算断面的桥墩台冲刷深度的依据。
1、资料收集
(1)收集路线范围水系包含全部汇水面积的小比例地形图，从沿线地形图量绘各桥涵位置的控制汇水面积、流域长度、宽度、坡度等特征值。
(2)收集地区水文手册、水文水位站资料。
(3)收集项目的防洪影响评价报告。
(4)地质报告中河床质颗粒分析或塑、液限试验表。
2、水文调查及测量
(1)项目主要河流分布、特征，各河主要跨河工程的分布情况、运用情况及对桥位河段流量、流向、冲淤变化情况的影响，水利规划和河道整治方案。
(2)项目区有无水文站或水位站及距各桥位的距离。
(3)项目区有无水库、分洪区和滞洪区，与之有关系的桥址及距离。
(4)桥址区地形、地貌、植被情况、土壤类型等特征。
(5)形态断面选择在洪痕分布较多、河岸稳定、冲淤不大、泛滥宽度较小、无死水和回流、断面比较规则顺直河段上，宜与流向垂直。调查历史洪水情况时，应细心访问沿岸居民，查明历史洪水痕迹以及发生的时间(包括年月日)、大小和频遇程度。洪水痕迹是在历史洪水位处的标志。同一次洪水至少在两岸上下游调查3～5个可靠的、有代表性的洪痕点，并应考虑壅水及波浪的影响，以作必要的修正。对于每个洪水位，均应在现场标记编号，测定其位置和高程，并根据调查情况详细描述，作出可靠性评价。历史洪水位相应的洪水流量，可按明渠均匀流的方法进行计算。
(6)水文断面应在桥位上下游格测绘一个；对河面不宽的中桥，可只测绘一个；当桥位断面符合水文断面条件时，桥位断面可作为水文断面。
(7)测绘范围:平原宽滩河流测至历史最高洪水泛滥线以外50m；山区河流测至历史最高洪水位以上2～5 m。
二、特定情况下的水文分析与流量计算
1、直接类比法
桥址上下游已有桥涵，对原有桥涵历史洪水泄流情况的调查来推求洪水流量。
由于桥头路堤及墩台的压束水流，使桥前产生雍水，入口处形成水面降落。其水力图式与宽顶堰差不多，具体水力图式有二种
按自流输出：Q = MB（m3/s）
式中：B——小桥的跨径（m）；
H——桥前水头高度（m）；
M——流量系数，随而变动，其值见下表。
表1 桥梁采用、M、φ值
按非自流输出：Q=εv允h天B
式中：v允——桥下允许流速，根据河床土的种类或加固类型确定
h天——天然水深（m），其值从调查得到，如无此资料，可由下式求得，
φ——流速系数，见表1.
为了决定桥下水流是否为非自由流出图式，可以按前述条件将天然水深h天和临界水深h临进行比较。但也可以改换为H与V允的关系，即
非自由流出时
2、有水库河流的水文计算
（1）库内桥：永久性水库可直接利用水库同频率资料；如果没有可通过计算直接采用天然设计流量。在水库壅水区应考虑壅水对桥高的影响。
图1 壅水曲线示意图
最大壅水断面以上壅水曲线，对于缓坡，可不按水力学中水面曲线绘制方法进行精确计算，可近似按二次抛物线进行计算。
壅水曲线的全长和任意断面A处的壅水高度计算公式如下：
Z—桥前最大壅水高度（m）；
L—壅水曲线全长（m）；
Ｉ—河床比降（以小数计）；
—任意断面A处的壅水高度（m）；
LA—任意断面A至最大壅水断面距离（m）。
（2）位于水库下游的桥流量计算：
应等于同频率的水库下泄流量加水库与桥位间区间洪水流量，即
p—天然状态下坝址断面与桥同频率的设计流量;
pl—与桥同频率的水库下泄流量(m3/s)；
Fs—坝桥区间汇水面积（Km2）；
F—坝桥以上汇水面积（Km2）；
n—面积指数:淮河平原0.8，山丘区0.45，黄河流域0.73，长江流域0.65；
当两汇水面积差10%可直接用水库下泄流量。
（3）当水库校核标准或非永久性水库，应考虑溃坝流量为：
理论公式：
Ko—系数按坝长（水库宽）与溃决口门宽之比查表
如决口宽占坝长一半Ko=0.3687。
Hs—溃坝时坝体上游水深可采用坝高Hg；
g—重力加速度；
bg—坝体溃决口门平均宽度（m），砼重力坝溃口门宽等于坝长Bg；
当为土堆石坝且水库库容大于106m3时，按bg=1.44（W、Bg、Hg）
其中：Bg—坝长；
W—水库库容（104m3）；
Hg—坝高（m）。
从以上计算我们可知调查水库要搜集水库设计频率、水位、流量；校核频率、水位流量；水库库容（兴利、发电、防洪、死库容）下泄流量，波浪淤积壅水等资料。
3、倒灌河段的水文计算
（1）当大河水位上涨，而支流为常水位，支流桥梁发生倒灌，桥下流量g应为倒灌流量′与支流常水位o之差即
倒灌流量
式中：—桥位河流受大河倒灌作用下的涨水强度，即蓄水上涨率（m/s），当桥孔足够大时，桥孔上下游上涨速度相同，可借用大河观测站的水位资料，选择较高水位时的上涨速度代替，无资料可调查。
—桥前壅水的水面面积（m2），可从地形图中量取也可近似计算，一般壅水按水面形状呈抛物形，则=
其中：B—桥位处倒灌水面宽度；
h—壅水深度，从河床平均高程算起（m）；
河床比降（以小数计）。
（2）大河退水
当上游为两岸较陡的非宽滩河流，其蓄水有限时，增陡流量比天然流量增大很少，可以略而不计。则桥下通过的流量为支流天然流量（设计流量）p 与退水流量″之和即：
4、有水文站观测资料的洪水流量计算
我们可以采用求矩适线法和三点适线法来推求p。
首先我们要搜集水文站长期观资料，愈长愈准确，如有32年水位，或者流量观测资料（如不连续的可用插补延长等办法）。
（1 ）求矩适线法：具体方法如下
按大小递减次序排列
求平均流量=
求每个Ｉ=的KＩ值即每个Ｉ与的比
计算Cv变差系数
Cv—变差系数表示系列的离散程度，Cv小离散小，频率分布比较集中。
计算Cs偏差系数，该值反映系列对均值的对称偏斜程度；
Cs=，一般不计算假定
计算每个Ｉ经验频率
在海森机率格纸上点绘经验频率曲线，需要可顺势延长。
计算离均系数=也有皮尔逊Ⅲ型曲线的离均系数表，可通过已知Cv或Cs查各频率值。
由求得的、Cv、Cs查皮Ⅲ曲线求得各频率Kp值，计算
（2）三点适线法
在经验频率曲线上任选三点如5%、50%、95%或3%、50%、97%，利用该三点的流量和相应频率，推求统计参数的初试值，通过适线确定参数，然后再按前面讲的方法一样推求设计流量。
通过已知三个流量和相应频率列出三个方程求解
若已知S和频率P，查表“S与Cs关系表”可得Cs求得、Cv、Cs初试值后，计算各频率流量在已得至经验频率曲线上，绘制理论频率曲线，反复调整参数直到适线好为止即可按确定的参数值求得设计频率流量p=Kp。
结束语
公路中小桥涵水文计算关系到中小桥涵是否能够顺利泄洪、桥涵尺寸拟定是否合理、桥涵结构是否安全、路线方案布置是否合理，因此合理的选择水文计算的方法，获得准确的结果对于保障公路安全、节省公路造价具有重要意义。设计人员在实际计算中应根据不同情况选择适合的计算方法，也可以选择不同的方法，对比计算的结果，选择尺寸合理、结构安全、造价节省的桥涵方案。
参考文献
[1] 中华人民共和国行业标准,公路工程水文勘测设计规范[z].(JTG C30-2002)
[2] 刘陪文，周卫，张君纬等.公路小桥涵设计示例[M].人民交通出版社.2005
[3] 孙家驷.公路小桥涵勘察设计[M].人民交通出版社.2009
[4] 许家源，张鑫.公路桥梁的水文计算[J]. 中国新技术新产品.2011(10)