斜交橋?qū)觿莸挠绊懛治?/h1>
2012-12-07 07:04:22王小國
黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報 2012年2期
王小國，王 寧
（1.河南省新鄉(xiāng)水文水資源勘測局，河南 新鄉(xiāng) 453002；2.河南省開封水文水資源勘測局，河南 開封 475000）
0 引言
橋梁是道路跨河的主要建筑形式。 斜交橋是指橋梁縱軸線與水流方向的夾角α 不等于90°的跨河橋梁。 受地形限制，或者為了與兩岸路線順暢連接，斜交橋被廣泛地采用。 與正交橋相比，斜交橋建筑物不在同一過水橫斷面上，其對水流的影響更復(fù)雜。在近年的橋梁工程防洪評價工作中，發(fā)現(xiàn)一些斜交橋梁在設(shè)計時只注重安全性和實(shí)用性，對橋梁建設(shè)后對河勢的影響考慮不夠。 本文試對斜交橋的阻水寬度計算、河勢影響分析方法進(jìn)行論述，以供斜交橋設(shè)計者和防洪評價者參考。
1 斜交橋的阻水寬度
橋下過水凈寬是橋梁工程防洪評價中計算橋下過水能力、壅水高度、橋下沖刷等用到的主要參數(shù)。要計算建橋后的過水凈寬，首先需計算墩臺、路壩的阻水寬度。 斜交橋建筑物不在河流同一橫斷面上，如果采用投影法將斜交橋投影到河流橫斷面上，再按正交橋計算建筑物的阻水寬度，可能會夸大阻水作用[1～2]。
1.1 斜交橋橋孔部分影響寬度計算
當(dāng)河流較寬、斜交橋縱軸線與水流方向的夾角α 較小時，在同一橫斷面上，可能不是全部都有建筑物（如圖1 中的D-D 斷面）。同一橫斷面受橋梁影響的河寬包括橋孔部分的影響河寬B″和橋臺、路壩形成的死水部分。 有些橋梁橋臺在河岸外、河道內(nèi)全為橋孔，這時影響河寬就是B″。
橋孔部分影響河寬的計算公式為
圖1 斜交橋平面圖Fig.1 Skew bridge plane
式中：B″為橋孔部分的影響河寬，m；A 為橋墩上游側(cè)與下游側(cè)的距離在橋縱軸線垂線上的投影長度，m；α 為橋梁縱軸線與水流的夾角。
當(dāng)B″大于河寬B 時，說明全斷面受橋梁影響，取B″=B。 在這種情況下，一般河道較窄，而橋面較寬。
1.2 橋墩的阻水寬度
單一橋墩的阻水寬度B1可以按《公路橋位勘測設(shè)計規(guī)范》[3]（JTJ062-91）中附錄十六《墩形系數(shù)表》計算。 橋墩總阻水寬度為橋孔部分影響河寬B″內(nèi)的橋墩數(shù)N 乘以B1。 橋孔部分影響河寬B″內(nèi)的橋墩數(shù)N 的計算公式為
式中：N 為橋孔部分影響河寬內(nèi)的橋墩數(shù)；B″為橋孔部分影響河寬,m；L 為單孔跨度,m；α 為橋梁縱軸線與水流的夾角,°。
1.3 橋臺、路壩形成的死水寬度
橋臺一般突出較短，其占用河道斷面的長度可按臺沿到岸邊的距離計算。 路壩一般建在灘地，只有發(fā)生洪水時才對水流產(chǎn)生影響。 路壩形成的死水區(qū)應(yīng)綜合考慮路壩長度、與計算斷面的距離、與水流的交角、岸線的順直度等因素。 如果路壩距計算斷面較近，可直接把路壩在計算斷面上的投影長度作為死水寬度。
受斜交橋影響的是一段河道，因此，在斜交橋防洪評價中，應(yīng)當(dāng)對橋址河段河床情況進(jìn)行分析，選擇受影響最嚴(yán)重的斷面進(jìn)行計算，必要時應(yīng)選擇不同斷面分別進(jìn)行計算。
2 斜交橋?qū)觿莸挠绊?/h2>2.1 橋墩對河勢的影響
正交橋的墩臺都在同一過水?dāng)嗝嫔?，墩臺壓縮過水寬度后，會形成上游側(cè)壅水，增加橋位的水位梯度，但不會改變水位梯度方向（水位梯度的方向與水流方向一致）。 因此，正交橋建成后，河道總體流向保持不變，如圖2（b）所示。
圖2 河勢等水位線示意圖Fig.2 River regime water table contour sketch
與正交橋不同，斜交橋的墩臺迎水面不在同一過水?dāng)嗝嫔?，如圖2（c）所示。 斜交橋上游的橋墩或橋臺阻水后，在其附近形成壅水，抬高水位，而其所在斷面的其他部分還沒有建筑物阻水，因而形不成同樣高度的壅水水位。 所以，就在橋的上游側(cè)形成了橫向的水位梯度，導(dǎo)致水流橫向流動。
斜交橋橋下水流流向受橋墩的繞流影響，流向發(fā)生偏轉(zhuǎn)[4]。 橋梁下游，過橋水流對上游來水的作用使得水流向?qū)Π栋l(fā)生偏轉(zhuǎn)，如圖2（c）所示。 這種流向的偏轉(zhuǎn)，可以加劇堤岸的沖刷，引起主槽改道，對河勢的影響很大，在橋梁工程防洪評價中應(yīng)引起重視。 斜交橋引起流向偏轉(zhuǎn)，對河勢的影響也許建橋后一兩場洪水并不明顯，但其對河勢變化趨勢的影響效果是累計的，并可能產(chǎn)生“蝴蝶效應(yīng)”，引起大范圍的河勢變化。
2.2 路壩對河勢的影響
由于實(shí)體路壩完全阻斷了水流，使原本從路壩部位通過的水流集中到橋孔部位通過，對斷面上的水流進(jìn)行再分配。 如果在同一過水橫斷面上兩岸同時壓縮斷面，水流就被集中到中部橋孔下通過，過橋后，水流再向兩岸擴(kuò)散，經(jīng)一定長度河道調(diào)節(jié)后，會重新恢復(fù)原流態(tài)，對橋梁下游河勢影響較小。
斜交橋兩端不在同一橫斷面上，即使兩岸都有路壩，也不能產(chǎn)生對等的壓縮作用。 所以，路壩就起挑水壩作用，使水流流向偏向?qū)Π?，使對岸岸坡發(fā)生沖刷，嚴(yán)重時可能會引發(fā)潰堤和改道。 斜交橋工程防洪評價應(yīng)重視因路壩引起的橫向流及其所引發(fā)的河勢改變，必要時應(yīng)進(jìn)行模型實(shí)驗(yàn)，確定可能發(fā)生沖刷的堤岸部位。
3 結(jié)語
（1）根據(jù)斜交橋?qū)訉挼挠绊?，建議在斜交橋壅水計算中改變過去以全橋?yàn)橛嬎銓ο蟮淖龇?，采用以河流橫斷面為計算對象。 這樣，可以更準(zhǔn)確地計算墩、臺的阻水面積，有利于比較建橋前后的流速變化。
（2）斜交橋?qū)恿髁鲌?、河勢影響要比正交橋大，影響因素也比較復(fù)雜。 因此，在撰寫斜交橋工程防洪評價報告時，應(yīng)更加注意分析建橋后流向的改變，河床、堤岸的沖刷變化。 需要優(yōu)化設(shè)計方案的，要提醒設(shè)計方優(yōu)化設(shè)計，避免不利影響的產(chǎn)生。 需要增加防治工程的，要在防洪評價報告中寫明，建議業(yè)主在影響部位修建足以防御不利影響的保護(hù)工程。
[1] 曹瑞章，高志成. 山區(qū)斜交橋的壅水計算[J]. 中國鐵路科學(xué)，1979(1):125-136.
[2] 季日成，劉志強(qiáng)，張多平. 山區(qū)斜交橋水流特性的分析[J].甘肅科學(xué)學(xué)報，1999，11(4):31-34.
[3] JTJ062-91,公路橋位勘測設(shè)計規(guī)范[S].
[4] 李付軍，張佰戰(zhàn)，林桂賓. 斜交橋下水流流向偏轉(zhuǎn)角度的理論分析[J]. 水科學(xué)進(jìn)展，2005，16(5):634-637.
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0 引言
橋梁是道路跨河的主要建筑形式。 斜交橋是指橋梁縱軸線與水流方向的夾角α 不等于90°的跨河橋梁。 受地形限制，或者為了與兩岸路線順暢連接，斜交橋被廣泛地采用。 與正交橋相比，斜交橋建筑物不在同一過水橫斷面上，其對水流的影響更復(fù)雜。在近年的橋梁工程防洪評價工作中，發(fā)現(xiàn)一些斜交橋梁在設(shè)計時只注重安全性和實(shí)用性，對橋梁建設(shè)后對河勢的影響考慮不夠。 本文試對斜交橋的阻水寬度計算、河勢影響分析方法進(jìn)行論述，以供斜交橋設(shè)計者和防洪評價者參考。
1 斜交橋的阻水寬度
橋下過水凈寬是橋梁工程防洪評價中計算橋下過水能力、壅水高度、橋下沖刷等用到的主要參數(shù)。要計算建橋后的過水凈寬，首先需計算墩臺、路壩的阻水寬度。 斜交橋建筑物不在河流同一橫斷面上，如果采用投影法將斜交橋投影到河流橫斷面上，再按正交橋計算建筑物的阻水寬度，可能會夸大阻水作用[1～2]。
1.1 斜交橋橋孔部分影響寬度計算
當(dāng)河流較寬、斜交橋縱軸線與水流方向的夾角α 較小時，在同一橫斷面上，可能不是全部都有建筑物（如圖1 中的D-D 斷面）。同一橫斷面受橋梁影響的河寬包括橋孔部分的影響河寬B″和橋臺、路壩形成的死水部分。 有些橋梁橋臺在河岸外、河道內(nèi)全為橋孔，這時影響河寬就是B″。
橋孔部分影響河寬的計算公式為
圖1 斜交橋平面圖Fig.1 Skew bridge plane
式中：B″為橋孔部分的影響河寬，m；A 為橋墩上游側(cè)與下游側(cè)的距離在橋縱軸線垂線上的投影長度，m；α 為橋梁縱軸線與水流的夾角。
當(dāng)B″大于河寬B 時，說明全斷面受橋梁影響，取B″=B。 在這種情況下，一般河道較窄，而橋面較寬。
1.2 橋墩的阻水寬度
單一橋墩的阻水寬度B1可以按《公路橋位勘測設(shè)計規(guī)范》[3]（JTJ062-91）中附錄十六《墩形系數(shù)表》計算。 橋墩總阻水寬度為橋孔部分影響河寬B″內(nèi)的橋墩數(shù)N 乘以B1。 橋孔部分影響河寬B″內(nèi)的橋墩數(shù)N 的計算公式為
式中：N 為橋孔部分影響河寬內(nèi)的橋墩數(shù)；B″為橋孔部分影響河寬,m；L 為單孔跨度,m；α 為橋梁縱軸線與水流的夾角,°。
1.3 橋臺、路壩形成的死水寬度
橋臺一般突出較短，其占用河道斷面的長度可按臺沿到岸邊的距離計算。 路壩一般建在灘地，只有發(fā)生洪水時才對水流產(chǎn)生影響。 路壩形成的死水區(qū)應(yīng)綜合考慮路壩長度、與計算斷面的距離、與水流的交角、岸線的順直度等因素。 如果路壩距計算斷面較近，可直接把路壩在計算斷面上的投影長度作為死水寬度。
受斜交橋影響的是一段河道，因此，在斜交橋防洪評價中，應(yīng)當(dāng)對橋址河段河床情況進(jìn)行分析，選擇受影響最嚴(yán)重的斷面進(jìn)行計算，必要時應(yīng)選擇不同斷面分別進(jìn)行計算。
2 斜交橋?qū)觿莸挠绊?/h2>2.1 橋墩對河勢的影響
正交橋的墩臺都在同一過水?dāng)嗝嫔?，墩臺壓縮過水寬度后，會形成上游側(cè)壅水，增加橋位的水位梯度，但不會改變水位梯度方向（水位梯度的方向與水流方向一致）。 因此，正交橋建成后，河道總體流向保持不變，如圖2（b）所示。
圖2 河勢等水位線示意圖Fig.2 River regime water table contour sketch
與正交橋不同，斜交橋的墩臺迎水面不在同一過水?dāng)嗝嫔?，如圖2（c）所示。 斜交橋上游的橋墩或橋臺阻水后，在其附近形成壅水，抬高水位，而其所在斷面的其他部分還沒有建筑物阻水，因而形不成同樣高度的壅水水位。 所以，就在橋的上游側(cè)形成了橫向的水位梯度，導(dǎo)致水流橫向流動。
斜交橋橋下水流流向受橋墩的繞流影響，流向發(fā)生偏轉(zhuǎn)[4]。 橋梁下游，過橋水流對上游來水的作用使得水流向?qū)Π栋l(fā)生偏轉(zhuǎn)，如圖2（c）所示。 這種流向的偏轉(zhuǎn)，可以加劇堤岸的沖刷，引起主槽改道，對河勢的影響很大，在橋梁工程防洪評價中應(yīng)引起重視。 斜交橋引起流向偏轉(zhuǎn)，對河勢的影響也許建橋后一兩場洪水并不明顯，但其對河勢變化趨勢的影響效果是累計的，并可能產(chǎn)生“蝴蝶效應(yīng)”，引起大范圍的河勢變化。
2.2 路壩對河勢的影響
由于實(shí)體路壩完全阻斷了水流，使原本從路壩部位通過的水流集中到橋孔部位通過，對斷面上的水流進(jìn)行再分配。 如果在同一過水橫斷面上兩岸同時壓縮斷面，水流就被集中到中部橋孔下通過，過橋后，水流再向兩岸擴(kuò)散，經(jīng)一定長度河道調(diào)節(jié)后，會重新恢復(fù)原流態(tài)，對橋梁下游河勢影響較小。
斜交橋兩端不在同一橫斷面上，即使兩岸都有路壩，也不能產(chǎn)生對等的壓縮作用。 所以，路壩就起挑水壩作用，使水流流向偏向?qū)Π?，使對岸岸坡發(fā)生沖刷，嚴(yán)重時可能會引發(fā)潰堤和改道。 斜交橋工程防洪評價應(yīng)重視因路壩引起的橫向流及其所引發(fā)的河勢改變，必要時應(yīng)進(jìn)行模型實(shí)驗(yàn)，確定可能發(fā)生沖刷的堤岸部位。
3 結(jié)語
（1）根據(jù)斜交橋?qū)訉挼挠绊?，建議在斜交橋壅水計算中改變過去以全橋?yàn)橛嬎銓ο蟮淖龇?，采用以河流橫斷面為計算對象。 這樣，可以更準(zhǔn)確地計算墩、臺的阻水面積，有利于比較建橋前后的流速變化。
（2）斜交橋?qū)恿髁鲌?、河勢影響要比正交橋大，影響因素也比較復(fù)雜。 因此，在撰寫斜交橋工程防洪評價報告時，應(yīng)更加注意分析建橋后流向的改變，河床、堤岸的沖刷變化。 需要優(yōu)化設(shè)計方案的，要提醒設(shè)計方優(yōu)化設(shè)計，避免不利影響的產(chǎn)生。 需要增加防治工程的，要在防洪評價報告中寫明，建議業(yè)主在影響部位修建足以防御不利影響的保護(hù)工程。
[1] 曹瑞章，高志成. 山區(qū)斜交橋的壅水計算[J]. 中國鐵路科學(xué)，1979(1):125-136.
[2] 季日成，劉志強(qiáng)，張多平. 山區(qū)斜交橋水流特性的分析[J].甘肅科學(xué)學(xué)報，1999，11(4):31-34.
[3] JTJ062-91,公路橋位勘測設(shè)計規(guī)范[S].
[4] 李付軍，張佰戰(zhàn)，林桂賓. 斜交橋下水流流向偏轉(zhuǎn)角度的理論分析[J]. 水科學(xué)進(jìn)展，2005，16(5):634-637.
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