橋涵水文計(jì)算方法分析探討

盛 楠,程存江

（1.吉林省公路測設(shè)技術(shù)服務(wù)中心,吉林長春 130021；2.吉林省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，吉林長春 130021）

0 前言

橋梁水文影響了公路建設(shè)工程中橋梁、路基設(shè)計(jì)、建設(shè)等眾多修建工作。還作為基本標(biāo)準(zhǔn)來衡量橋梁、路基是否符合相應(yīng)的行業(yè)相關(guān)規(guī)則。如果公路橋涵水文計(jì)算出現(xiàn)差錯(cuò)，將會導(dǎo)致橋梁設(shè)計(jì)方案出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤，橋梁修筑完成以后，在遇到洪水災(zāi)難和突發(fā)天氣情況時(shí)將會造成人們財(cái)產(chǎn)和生命的損傷。由此可見橋梁水文是公路建設(shè)工作的重要項(xiàng)目，所以需要科學(xué)合理地進(jìn)行橋涵水文計(jì)算來確保公路橋梁安全性與適用性。

1 公路橋涵水文計(jì)算的基本要求和計(jì)算內(nèi)容

公路工程橋涵的水文調(diào)查和勘測內(nèi)容包括了水文、水力計(jì)算等等。水文調(diào)查和勘測應(yīng)根據(jù)公路橋涵的設(shè)計(jì)要求和所在地區(qū)的區(qū)域條件，然后有針對性地采取最適合的方法收集和調(diào)查資料并做出可靠的評價(jià)，勘測的精度必須符合相關(guān)規(guī)范、規(guī)程的規(guī)定。還要對水文、計(jì)算成果和水力分析做出合理性論證。對于通航要求等級較高或者水文條件復(fù)雜的特殊公路橋梁，就應(yīng)該進(jìn)行水力模型和水文測驗(yàn)，以保證公路橋涵水文調(diào)查、分析、比較和論證后的最終結(jié)果更加接近實(shí)際、更加合理。

2 公路橋涵水文相關(guān)資料的收集

首先需要收集公路路線范圍內(nèi)水系且包含全部匯水面積的小比例地形圖，并根據(jù)要求測量各橋涵位置的流域?qū)挾?、長度、坡度、匯水面積等特征值。

其次是收集項(xiàng)目的防洪影響評價(jià)報(bào)告和公路橋梁所在地區(qū)的有關(guān)雨、風(fēng)、流冰、氣溫等氣象資料，以及收集地區(qū)水文手冊、水文水位站資料。比如：在橋位附近是否有與已知水文站相關(guān)的其他水文站，該水文站的水文系列情況和地質(zhì)報(bào)告中河床構(gòu)造顆粒分析和塑、液限試驗(yàn)成果表。

3 水文調(diào)查及測量

3.1 對于公路橋梁的修筑位置的調(diào)查

需建公路橋涵地區(qū)的主要河流分布、特征，以及水利規(guī)劃和河道整治方案，各河流關(guān)于主要跨河工程的分布情況、運(yùn)用情況及對橋位河段流向、流量、沖淤變化情況的影響因素，考察橋位旁是否有水文站或者水位站距各橋位距離的相關(guān)數(shù)據(jù)；有無水庫、滯洪區(qū)和分洪區(qū)，與公路橋梁項(xiàng)目有關(guān)系的橋址及距離；橋梁選址地區(qū)地貌、地形、土壤類型、植被情況、地質(zhì)等特征。形態(tài)斷面選擇在河岸穩(wěn)定、洪痕分布較多、泛濫寬度較小、沖淤不大、無回流和死水、斷面比較規(guī)則順直的河段上，斷面應(yīng)該與流向垂直。

3.2 在水文調(diào)查時(shí)對洪水的調(diào)查

在調(diào)查洪水的歷史情況時(shí)，應(yīng)該做到以下幾點(diǎn)：工作人員要有耐心、詳細(xì)地訪問沿岸居民關(guān)于近幾年河流漲水情況、大小和頻繁程度，以及居民可能總結(jié)的洪水發(fā)生的時(shí)間規(guī)律和洪災(zāi)來臨時(shí)的河水情況。然后，到水文站查明歷史洪水水文調(diào)查記錄，洪水痕跡，以及發(fā)生的時(shí)間(包括年月日)，洪水痕跡是在歷史洪水位處的標(biāo)志。對于同一次洪水至少要在兩岸的上游和下游調(diào)查3 個(gè)或者5 個(gè)有代表性的、可靠的洪水痕跡觀察點(diǎn)，并且應(yīng)考慮壅水、波浪的影響，以作必要的修正。應(yīng)該在每個(gè)洪水位現(xiàn)場標(biāo)記編號、測定其高程和位置。最后根據(jù)調(diào)查情況的詳細(xì)描述，做出正確、可靠的評價(jià)。繪制內(nèi)容應(yīng)包括：灘槽分界線、河床地面線、地質(zhì)情況和植被、測時(shí)水位、糙率、歷史洪水位及發(fā)生年份、施測時(shí)間、其他特征水位等。在橋位現(xiàn)場確定灘槽分界線、地質(zhì)情況和植被；河床比降的測量到水文斷面上游大于2 倍河寬之處，下游應(yīng)大于1倍河寬；水文斷面應(yīng)在橋位上下游都各測繪一個(gè)。對于那種河面不寬的橋梁可以只測繪一個(gè)斷面，在橋位斷面符合水文斷面條件時(shí)，可把橋位斷面作為水文斷面。

4 正確計(jì)算形態(tài)斷面

4.1 選擇科學(xué)合理的形態(tài)斷面

在基本流速保持不變的河段上，一般來說河道要求順直、河床相對穩(wěn)定、確保水流通暢、河灘比較小，以及河灘和河槽的洪水的流向相同，并且不存在河汊、河灣等阻塞水流暢通的問題。形態(tài)和橋位斷面之間即不能出現(xiàn)支流匯入現(xiàn)象也不能有壅水或分流問題，還有就是在盡可能接近調(diào)查的歷史洪水位的同時(shí)距離橋位也不能太遠(yuǎn)。洪水水流的方向也一定得和形態(tài)斷面垂直，形態(tài)斷面的形狀在最大程度上要符合洪水出現(xiàn)時(shí)候的實(shí)際狀況。

4.2 計(jì)算水文斷面的流速、流量及平均流速

利用謝才一滿寧公式可以計(jì)算水文斷面的流速、流量，以及平均流速，公式中所用到的字符，分別代表的含義及作用：n 表示粗糙系數(shù)；v 表示斷面平均流速，其單位為m/s，對于復(fù)式斷面，必須單獨(dú)計(jì)算河灘斷面和河槽的平均流速；i 表示洪水比降；R 表示水力半徑，其單位為m。其公式為：

5 計(jì)算設(shè)計(jì)流量和洪水水位

5.1 設(shè)計(jì)流量計(jì)算的主要方法

應(yīng)當(dāng)根據(jù)《公路橋位勘察設(shè)計(jì)規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定推算橋涵設(shè)計(jì)流量，根據(jù)掌握的關(guān)于設(shè)計(jì)流量方面資料，使用正確、有效的方法計(jì)算公路橋涵設(shè)計(jì)流量。現(xiàn)今，普遍利用經(jīng)驗(yàn)公式或者采取間接方法計(jì)算公路橋涵設(shè)計(jì)流量。但有時(shí)，針對大、中河流并且實(shí)測流量資料較為充足，一般采取數(shù)理統(tǒng)計(jì)法，也稱水文統(tǒng)計(jì)法。還有就是在掌握了較為充足的實(shí)測暴雨資料，也可以利用暴雨資料分析成因來計(jì)算設(shè)計(jì)流量。計(jì)算公路橋涵設(shè)計(jì)流量的計(jì)算方法可以選擇性地使用。

5.2 計(jì)算設(shè)計(jì)水位的基本方法

在計(jì)算設(shè)計(jì)水位時(shí)，如果在橋位周邊沒有水文站對歷年的水位進(jìn)行實(shí)測，一般采取形態(tài)法推算法，通過對橋位處的設(shè)計(jì)流量進(jìn)行計(jì)算，從而推算出公路橋涵的設(shè)計(jì)水位。但是如果在橋位的周邊，有水文站對水位進(jìn)行實(shí)測，并且保存了實(shí)測水位資料的話，一般采取頻率的方法對設(shè)計(jì)水位進(jìn)行計(jì)算，這種方法的計(jì)算原理與方法與流量頻率計(jì)算的基本原理及方法相同。

6 計(jì)算大中橋孔徑

6.1 布置橋孔的基本原則

（1）首先，要確保設(shè)計(jì)的橋洞能夠讓洪水和洪水中所夾雜的泥沙，甚至是垃圾都可以順利宣泄，避免對河床造成損傷，對橋梁造成不利的變形。并且橋洞的設(shè)計(jì)要符合安全通航的相關(guān)規(guī)定、漂浮物，以及流冰能夠從橋洞順利通過。

（2）其次，橋洞的設(shè)計(jì)要符合天然河流斷面的流量分配，在沖刷之前兩側(cè)河灘的橋下過水面積的比值與兩側(cè)河灘流量的比值基本接近。

（3）再次，是設(shè)計(jì)人員應(yīng)該充分考慮橋位河段的天然特征、注意水流變化和河床變形對于橋梁造成的影響、相關(guān)水工建筑物產(chǎn)生的影響等等。

（4）然后，是橋洞的設(shè)計(jì)要盡量與當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)田水利設(shè)施有機(jī)結(jié)合，兼顧當(dāng)?shù)氐陌l(fā)展規(guī)劃。一定要避免建橋之后，橋前壅水對兩岸農(nóng)田、河堤、民居構(gòu)成危害的現(xiàn)象出現(xiàn)。特別要注意的是一些平原地區(qū)，一定要將橋前壅水的允許高度作為對橋梁長度進(jìn)行控制的條件之一。

（5）最后，是對于跨徑小于6O m 的橋孔需要根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)要求，選擇標(biāo)準(zhǔn)跨徑。還要關(guān)注地質(zhì)狀況、充分考慮施工的實(shí)際條件，以及經(jīng)濟(jì)效益。嚴(yán)禁在橋梁設(shè)計(jì)時(shí)將墩臺的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)在溶洞、斷層等地質(zhì)不良的位置。應(yīng)當(dāng)綜合考慮橋梁的美學(xué)性要求，在選擇橋梁跨徑時(shí)，盡可能實(shí)現(xiàn)跨徑與橋高之間的美觀性及協(xié)調(diào)性。多方面衡量各種因素，采取經(jīng)濟(jì)可行、科學(xué)合理的橋孔布置方案。

6.2 確定橋孔的長度

在橋孔布置時(shí)，可以根據(jù)河床的地形對峽谷河段進(jìn)行橋孔布置，要做到盡可能地不要壓縮河道，不需要計(jì)算橋孔的最小凈長度。但是針對較為分漢、開闊、順直、微彎、彎曲的河段及河灘、槽分開的一些不穩(wěn)定河段，就需要根據(jù)公式計(jì)算橋孔的最小凈長度，可以使用的公式公式中所用字符分別代表的含義，從左到右、從上到下依次是：Lj 為橋孔的最小凈長度，m;K為系數(shù)；Qp為設(shè)計(jì)流量 m3/s；Q為河槽的流量，m3/s；n3為指數(shù)；Bc為河槽的寬度,m。橋孔的設(shè)計(jì)除了應(yīng)當(dāng)符合以上要求之外，在實(shí)際布設(shè)橋孔過程中，還需要充分結(jié)合沖刷深度、橋位的地形、橋前的壅水等，針對各種橋長進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)對比后、多方面思考后，才能確定橋孔的長度。

6.3 計(jì)算橋面的標(biāo)高

必須全面地考慮設(shè)計(jì)洪水水位、由于橋梁建設(shè)而導(dǎo)致的水位升高、最高的通航水位、通航船只的凈高變化及橋梁等構(gòu)筑物得高度等各種因素的影響，才能確定橋面的最低高度。不然就很可能在橋梁修筑完成以后，橋梁的有效使用性、安全性，以及使用年限都將受到影響。

7 某涵洞抗水毀水文計(jì)算實(shí)例分析

7.1 工程概況

某涵洞為單孔2 m ×2 m 鋼筋混凝土蓋板涵,與線路交角為90°填土高度為0.62 m,涵長28.55 m,進(jìn)出洞口均采用一字式。錐坡堆砌高度為40 cm,涵底鋪砌厚度均采用40 cm。

7.2 設(shè)計(jì)流量計(jì)算

在公路測設(shè)實(shí)際工作中,涵洞的設(shè)計(jì)流量計(jì)算除了形態(tài)調(diào)查法、直接類比法、暴雨推理法、經(jīng)驗(yàn)公式法等,還有徑流形成法。本文根據(jù)涵洞水文地質(zhì)情況主要采用形態(tài)調(diào)查法、暴雨推理法這兩種方法進(jìn)行設(shè)計(jì)流量計(jì)算。

7.2.1 形態(tài)調(diào)查法

從1:50000 的地形圖上,量得涵洞以上流域面積 A=15 km2，i=58.3‰,確定設(shè)計(jì)洪水頻率p=1/100。根據(jù)當(dāng)?shù)厮氖謨约胺治鼋?jīng)計(jì)算得到:設(shè)計(jì)流量為6.045 m3/s。

7.2.2 推理法

從1∶50 000 的地形圖上,量得涵洞以上流域面積A=15 km2,i=58.3‰,確定設(shè)計(jì)洪水頻率p=1/100。根據(jù)水文手冊設(shè)計(jì)可得到,暴雨參數(shù)為65 mm/h,分析經(jīng)計(jì)算得到設(shè)計(jì)流量為5.865 m3/s。

7.2.3 小結(jié)

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》及相關(guān)修正后的洪水重現(xiàn)期，該橋的設(shè)計(jì)洪水頻率應(yīng)為1/120。為安全計(jì)，采用150 a,200 a 及300 a 一遇重現(xiàn)期計(jì)算洪水流量。采用歷史洪水位法、推理公式法、地區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式法、綜合參數(shù)法及流域面積比擬法等不同的方法推算洪水流量。由于其計(jì)算參數(shù)的不同,最后算出的結(jié)果也存在差異。該實(shí)際工程中的涵洞由于流域面積比較小,經(jīng)驗(yàn)資料缺乏,故采用歷史洪水位法和推理公式法兩種方法對其洪水流量進(jìn)行計(jì)算。

8 結(jié)語

公路橋涵水文流量計(jì)算方法是多種多樣的，到底該選用哪一種方法、哪一個(gè)公式來計(jì)算，是由公路全部施工系統(tǒng)的具體情況所決定的。計(jì)算方法的選定需要考慮的因素很多，如：不同的地質(zhì)條件、不同區(qū)域、不同地段、水流情況等等，針對這些差異，選用的計(jì)算方法勢必也會不同。對此，應(yīng)通過調(diào)查研究，盡量采用適合的計(jì)算方法和相關(guān)參數(shù)，得到比較可靠的計(jì)算結(jié)果。計(jì)算時(shí)應(yīng)采用多種方法反復(fù)計(jì)算，相互比較、核對。在實(shí)際使用時(shí)，還需要反復(fù)多次試算，實(shí)地考察形態(tài)斷面、地物地貌及地質(zhì)情況來判斷各水文計(jì)算參數(shù)及計(jì)算結(jié)果的合理性。才能保證最大限度地為公路橋涵修筑工程提供參考和幫助。

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