天然河道上橋涵等建筑物壅水計(jì)算的一種簡(jiǎn)化方法

1、天然河道上橋涵等建筑物壅水計(jì)算的一種簡(jiǎn)化方法摘要:采用一種概化方法，對(duì)天然河道上橋涵的過(guò)流能力和壅水計(jì)算進(jìn)行了探討。概化計(jì)算的原則是，在河道過(guò)流流量不變的情況下，同一斷面的過(guò)水面積和水力半徑相同，根據(jù)已量算出的過(guò)水面積，首先按水力學(xué)公式，概化計(jì)算出橋涵上游側(cè)的平均水面寬度B，以及橋涵概化的堰頂總凈寬b，以確定流量系數(shù)m 值，再按堰流計(jì)算上下游水位差和壅高。關(guān)鍵詞:橋涵; 堰流; 概化; 流量系數(shù)中圖分類號(hào):TV132 + . 1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):1008-0112(2011)08-0012-03根據(jù)水力學(xué)原理，當(dāng)天然河道內(nèi)水流經(jīng)過(guò)橋墩、涵孔、閘墩等建筑物時(shí)，過(guò)水?dāng)嗝嬖谄矫嫔鲜湛s，改變

2、了水流的形態(tài)，產(chǎn)生了局部水頭損失，同時(shí)由于過(guò)水?dāng)嗝婵s小，流速加大，部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化成勢(shì)能，便形成水面跌落。這些部位的水流符合堰流流態(tài)，可按堰流進(jìn)行橋涵的過(guò)流能力和上游水位壅高等水力計(jì)算。建在天然河道上的跨河橋涵，一般過(guò)流斷面為不規(guī)則形狀，特別是橋涵底部，多為天然河床。因此需要對(duì)斷面進(jìn)行概化處理，按水力學(xué)要求換算成矩形的斷面尺寸，滿足寬頂堰流的計(jì)算條件。淹沒(méi)式堰流的基本計(jì)算式:式中Q 為過(guò)堰流量，m3 /s; b 為堰頂總凈寬，m; s為淹沒(méi)系數(shù)，可以查用有關(guān)的水力學(xué)表格，也可采用水閘設(shè)計(jì)規(guī)范(SL265 2001) 中推薦公式計(jì)算; hs為下游水深; H0為包括行近流速水頭的堰前水頭，m，即;m

3、為流量系數(shù)，按橋涵底部與原河床相同、即無(wú)底坎寬頂堰考慮，取決于橋上游側(cè)翼墻和橋墩形狀、橋孔寬和上游河道寬的比值。m值的計(jì)算，可按包括側(cè)收縮系數(shù)c的方法確定，由橋涵概化的堰頂總凈寬b 和橋上游的平均水面寬度B 的比值來(lái)確定; c為側(cè)收縮系數(shù)，如果已包含在流量系數(shù)m 值內(nèi)，則不考慮(c = 1) ; 如果按水力學(xué)方法單獨(dú)計(jì)算c，則流量系數(shù)m = 0. 385。以下對(duì)水力計(jì)算的有關(guān)問(wèn)題進(jìn)行初步分析和探討。1 橋涵上游側(cè)河道的平均水面寬度B根據(jù)水力學(xué)原理，堰上游平均水面寬度B 及堰頂總凈寬b，均應(yīng)是深度等寬的矩形斷面。因此，橋涵上游處的河道斷面，以及橋涵水力計(jì)算所采用的堰型，均需要概化成矩形斷面。對(duì)河

4、道斷面的概化，應(yīng)在河道過(guò)流流量不變的情況下，按恒定流考慮。對(duì)同一斷面，如果能夠滿足過(guò)水面積和水力半徑相同的條件，則過(guò)流能力是相同的。據(jù)此，即可將天然河道概化成矩形河道。按本方法概化的天然河道，應(yīng)符合一定的適用條件，即橋涵所處的上下游河段應(yīng)基本順直，河床應(yīng)為大致“U”形斷面。量算出橋涵上游側(cè)河道相應(yīng)流量水位下的過(guò)水面積1和濕周x1，即可計(jì)算出水力半徑。以上是水力半徑的一般計(jì)算式，對(duì)于分汊型或游蕩型的河段，以及河漫灘寬闊的河段，并不適用。概化后的矩形河道的過(guò)水?dāng)嗝妫嬖谝韵滤W(xué)關(guān)系式:2h + B = x (2)xR = (3)hB = (4)以上方程式中h 為概化后矩形河道的水深; B 為概化

5、后矩形河道的水面寬; 為概化后矩形河道的過(guò)水面積， = 1; x 為概化后矩形河道的濕周; R 為概化后矩形河道的水力半徑，R = R1。(2) 式 (4) 式聯(lián)立求解，可得到概化河道的水面寬和水深:2 堰頂總凈寬b、流量系數(shù)m 及橋涵過(guò)流能力橋涵本身占用或縮減一定的河道過(guò)水面積。與河道概化方法相同，可量算出橋涵的過(guò)水面積2，由于是無(wú)坎寬頂堰形式，堰頂水深可采用上游側(cè)概化的矩形河道的水深h，則橋涵概化的堰頂總凈寬。根據(jù)計(jì)算出的值，以及上游進(jìn)口翼墻的形式，查水力學(xué)有關(guān)表格，可得出概化后平底寬頂堰的流量系數(shù)m。再根據(jù)堰流基本公式(1) ，就可以計(jì)算出橋涵的過(guò)流能力。計(jì)算時(shí)應(yīng)注意，橋涵過(guò)流能力必須滿

6、足公路橋涵通用規(guī)范(JGTD60 2004) 中對(duì)橋涵凈空的規(guī)定，在此不予具體闡述。3 橋涵上游水位壅高計(jì)算由堰流基本公式，可以反求出橋涵概化后堰上游的堰前水頭:為簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)下游水深hs可按概化后矩形河道的水深h 考慮。通過(guò)多次試算，求得不同頻率的堰前水深值。上下游水深的差值，即為橋涵上游的水位壅高值h:h = H0 hs (8)4 實(shí)例東莞市東引運(yùn)河下游某位置，計(jì)劃修建1 座跨河橋梁，設(shè)計(jì)采用上承式鋼筋砼板拱結(jié)構(gòu)，主拱單孔，橋梁全長(zhǎng)為55m，橋凈跨徑為43m。橋梁設(shè)計(jì)縱斷面和河道橫斷面見(jiàn)圖1。該位置河道洪水流量計(jì)算成果見(jiàn)表1，不同頻率設(shè)計(jì)洪水流量在100 180m3 /s 之間。圖1 東引

7、運(yùn)河上擬建橋梁設(shè)計(jì)示意(單位:高程m;長(zhǎng)度mm)1) 上游側(cè)河道概化水面寬計(jì)算根據(jù)實(shí)測(cè)的河道橫斷面，用洪水流量所相應(yīng)的洪水位，可以量算出擬建橋梁上游側(cè)河道的濕周和過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，從而求出該流量下的水力半徑。將此過(guò)水面積和水力半徑，當(dāng)做概化河道的過(guò)水面積和水力半徑，就可用(5) 式和(6) 式，分別求出概化河道的水深和水面寬。計(jì)算主要成果參數(shù)如表1。表1 擬建橋涵上游側(cè)河道概化主要參數(shù)2) 橋梁概化堰頂寬計(jì)算將擬建跨河橋梁的設(shè)計(jì)剖面與河道斷面和洪水位結(jié)合起來(lái)，可以看出橋梁下部結(jié)構(gòu)占用一定的過(guò)水面積。以表1 所列的洪水位，量算橋梁本身占用的過(guò)水面積，再?gòu)谋? 所列的過(guò)水面積中扣除，余下的面積，可以認(rèn)

8、為是橋梁概化為寬頂堰流后，堰身的過(guò)水面積。以此來(lái)計(jì)算概化的堰頂總凈寬b。橋身占用的過(guò)水面積，根據(jù)橋身在水面下輪廓尺寸求得。3) 概化寬頂堰流量系數(shù)計(jì)算根據(jù)本橋設(shè)計(jì)特點(diǎn)，橋墩立柱和拱跨立于水中，橋身和上下游河道沒(méi)有連接段翼墻，因此可以認(rèn)為概化后寬頂堰與河道為直角型翼墻連接，根據(jù)值，查有關(guān)的水力計(jì)算手冊(cè)，可得出本橋概化后的平底寬頂堰的流量系數(shù)m，計(jì)算成果見(jiàn)表2、表3。表2 擬建橋梁概化堰頂總凈寬計(jì)算表3 橋梁概化寬頂堰流量系數(shù)注: 表中流量系數(shù)已包含側(cè)收縮系數(shù)的計(jì)算。4) 橋梁上游水位壅高計(jì)算及對(duì)防洪的影響采用(7) 式計(jì)算橋梁概化后堰上游的堰前水頭。為簡(jiǎn)化計(jì)算，下游水深hs按概化后矩形河道的水深

9、h 考慮(見(jiàn)表1 或表2) ，堰前水深H = H0。通過(guò)試算，求得堰前水深值。采用(8) 式計(jì)算橋上游的水位壅高值h，見(jiàn)表4。從表4 水位壅高值可以看出，擬建橋梁的建設(shè)，對(duì)東引運(yùn)河水位影響很小。遭遇50a一遇(P = 2%) 洪水時(shí)，橋上游水位壅高1. 1cm; 遭遇5a一遇(P = 20%) 洪水時(shí)，橋上游水位壅高僅為4mm。表4 橋梁對(duì)上游水位壅高值計(jì)算5 結(jié)語(yǔ)本文根據(jù)橋涵水力學(xué)基本原理，提出了一種符合堰流流態(tài)的壅水計(jì)算方法。在過(guò)水面積和水力半徑均相同的情況下，概化計(jì)算橋涵上游側(cè)的平均水面寬度，以及橋涵概化的堰頂總凈寬，以確定流量系數(shù)并計(jì)算上下游水位差和建筑物壅水高度。通過(guò)實(shí)例的具體運(yùn)用，驗(yàn)證了這種方法的適用性和簡(jiǎn)便性，也證明這種思路是正確的。本方法在使用時(shí)，應(yīng)符合一定的條件，即橋涵所處的上下游河段應(yīng)基本順直，河床穩(wěn)定并大致為“U”形斷面。對(duì)于分汊型或游蕩型的河段，以及河漫灘寬闊的河段，并不適用。相應(yīng)于河工模型試驗(yàn)