基于繞行系數(shù)的明渠輸水工程生產(chǎn)橋

李霞李少鵬顧光富秦麗娟任喜龍

摘要：生產(chǎn)橋設(shè)置間距會(huì)影響到南水北調(diào)中線干渠的輸水能力，因此合理的生產(chǎn)橋布置須即能保證干渠的輸水能力，又能滿足兩側(cè)居民的生產(chǎn)生活需求。論文在對(duì)南水北調(diào)中線京石段生產(chǎn)橋布置合理性分析的基礎(chǔ)上，提出了長(zhǎng)距離明渠工程生產(chǎn)橋優(yōu)化布設(shè)應(yīng)遵循的一般原則；進(jìn)而考慮不同橋梁間距對(duì)渠道輸水能力的影響特性，結(jié)合最大繞行距離得到跨渠橋梁的最大間距，與公路橋統(tǒng)籌考慮，擬定生產(chǎn)橋布置備選方案，并進(jìn)一步基于綜合繞行系數(shù)最小原則，建立了生產(chǎn)橋布置決策模型，確定明渠輸水工程生產(chǎn)橋的具體布設(shè)位置。最后以南水北調(diào)中線京石段李家莊橋和西杜村橋?yàn)槔?，?jiǎn)述了該方法在明渠輸水工程實(shí)踐中確定生產(chǎn)橋布置方案時(shí)的應(yīng)用?；诰C合繞行最小原則的布置方案決策模型適用于長(zhǎng)距離輸水渠道上生產(chǎn)橋的選址優(yōu)化，應(yīng)用前景廣泛。

關(guān)鍵詞：明渠輸水工程；生產(chǎn)橋；輸水能力；最大繞行距離；繞行系數(shù)

中圖分類號(hào)：U641.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：

16721683（2016）06015405

Decisionmaking model of optimal layout based on detouring coefficient for connection bridge in open channel water diversion project

LI Xia1，LI Shaopeng1，GU Guangfu2，QIN Lijuan3，REN Xilong4

（1.Civil & Transportation Institute of Hebei University of Technology，Tianjin 300410，China；2.Hebei Design Institute of Water Conservancy and Hydropower，Tianjin 300250，China；3.Hebei Academy of Fine Arts，Shijiazhuang 050700，China；4.Bei Fang Investigation，Design & Research CO.LTD，Tianjin 300222，China）

Abstract：The connection bridge spacing will influence the water conveyance capacity of the middle route of SouthtoNorth Water Transfer.Therefore，reasonable layout of the cross ditch bridge for residents on both sides should not only ensure the channel capacity but also cater for the daily needs of the residents at both sides.On the basis of the layout rationality analysis for the middle route of the SouthtoNorth Water Diversion project，this paper presented general principles of optimal layout about connection bridge on long distance open channel.And then，taking into account the influence of different characteristics of bridge spacing on channel capacity，the maximum distance of the cross ditch bridge was obtained combining with the longest tolerable detouring distance for residents，the connection bridge layout alternatives were drawn up，the layout decision model for selecting the site of connection bridges was established based on the principle of minimum synthetic detouring coefficient，and eventually the final specific location was determined.In the end，the method was applied to the case of the middle route of SouthtoNorth Water Transfer （from Beijing to Shijiazhuang），which was proved satisfying.Decisionmaking model of layout scheme，based on the principle of minimum synthetic detouring coefficient，has suitable and extensive application in site optimization of the connection bridge on long distance water transfer channel.

Key words：open channel water diversion project；connection bridge；water conveyance capacity；longest tolerable detouring distance；detouring coefficient

明渠輸水工程隔斷了渠道兩側(cè)的現(xiàn)狀交通，公路橋的修建可恢復(fù)公路交通路網(wǎng)，但在人口村鎮(zhèn)密集渠段，公路橋設(shè)置間距較大時(shí)，將給居民出行帶來(lái)極大不便，故需在有利生產(chǎn)、方便生活的原則下，優(yōu)化設(shè)置生產(chǎn)橋。生產(chǎn)橋布置位置合理與否，將直接影響居民的出行時(shí)間和出行便利性，跨渠橋梁設(shè)置間距合理與否，也將影響到渠道的輸水能力[1]。本文在對(duì)典型明渠輸水工程——南水北調(diào)中線工程上的生產(chǎn)橋設(shè)置合理性分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)生產(chǎn)橋布置時(shí)需保證的跨渠橋梁最小間距、最大間距進(jìn)行分析，提出了生產(chǎn)橋的備選方案擬定流程，進(jìn)而建立了基于綜合繞行系數(shù)的生產(chǎn)橋優(yōu)化布置決策模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)橋的設(shè)置位置和間距合理布置優(yōu)化。

[BT（2+1]1[ZK（][JP+1]南水北調(diào)中線京石段生產(chǎn)橋設(shè)置合理性分析及布置建議[ZK）][BT）]

南水北調(diào)中線是國(guó)內(nèi)代表性明渠長(zhǎng)距離輸水工程，京石段總干渠河北段全長(zhǎng)2269 km，所經(jīng)地區(qū)村鎮(zhèn)密度較大，農(nóng)用路網(wǎng)密集，為兼顧地方經(jīng)濟(jì)和交通事業(yè)的發(fā)展，共建設(shè)131座公路橋和110座生產(chǎn)橋，跨渠橋梁平均間距9414 m，間距小于600 m的橋梁達(dá)10處之多，橋梁數(shù)量偏多，橋梁間距較密。

從恢復(fù)原有交通功能的角度出發(fā)，對(duì)總干渠穿越的現(xiàn)有公路，均應(yīng)修建跨渠公路橋，故跨渠橋梁的優(yōu)化布置重點(diǎn)是生產(chǎn)橋的優(yōu)化布設(shè)。南水北調(diào)工程設(shè)計(jì)審查過(guò)中，雖經(jīng)多部門、多層次現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，對(duì)增設(shè)生產(chǎn)、生活便橋的必要性進(jìn)行了論證研究，但因各級(jí)主管部門、地方政府、審查單位、沿線群眾對(duì)生產(chǎn)橋的認(rèn)識(shí)不一，且南水北調(diào)工程受國(guó)家政策影響較大，生產(chǎn)橋設(shè)置方案仍存在以下問(wèn)題。（1）全線大部分渠段生產(chǎn)橋數(shù)量偏多，布設(shè)間距較密；局部渠段，又未能充分考慮居民不同出行方式下的可承受最大繞行距離，給該渠段兩側(cè)居民出行造成不便。（2）全線生產(chǎn)橋設(shè)置間距偏小，相關(guān)部門為了減少生產(chǎn)橋橋墩的阻水影響，不得不選擇了建設(shè)成本較高的大跨徑結(jié)構(gòu)一跨過(guò)渠。（3）生產(chǎn)橋修建標(biāo)準(zhǔn)確定時(shí)，未能充分立足于道路的實(shí)際實(shí)用功能，致使部分生產(chǎn)橋超載超限嚴(yán)重。

基于此，過(guò)水?dāng)嗝孑^大的長(zhǎng)距離明渠調(diào)水工程，生產(chǎn)橋布置方案決策時(shí)應(yīng)遵循以下原則。（1）規(guī)劃設(shè)計(jì)階段應(yīng)充分重視跨渠橋梁間距及生產(chǎn)橋設(shè)置位置的優(yōu)化，需同時(shí)考慮總干渠的輸水能力及居民的出行方便性要求?？缜蛄涸O(shè)置間距過(guò)小，橋墩的阻水影響較大，其結(jié)構(gòu)選擇時(shí)將不得不選擇造價(jià)較高的大跨徑橋梁，造成了不必要的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)；設(shè)置間距過(guò)大，又給渠道兩側(cè)居民出行造成不便，增加繞行距離及出行時(shí)間。（2）生產(chǎn)橋的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)確定，應(yīng)在相應(yīng)道路的使用功能和使用主體詳細(xì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，將公路橋和生產(chǎn)橋統(tǒng)籌考慮，對(duì)溝通村與村之間交通需求的生產(chǎn)橋、對(duì)公路橋設(shè)置間距大于機(jī)動(dòng)車交通繞行距離時(shí)，考慮提高生產(chǎn)橋建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。不同出行方式下，居民可忍受最大繞行距離差異較大，而生產(chǎn)橋一般情況下修建標(biāo)準(zhǔn)較低，不能滿足被截?cái)鄼C(jī)動(dòng)車交通出行，一旦公路橋的設(shè)置間距超過(guò)機(jī)動(dòng)車出行的可忍受最大繞行距離，將對(duì)生產(chǎn)橋埋下超載超限的隱患。

綜上所述，生產(chǎn)橋的優(yōu)化布置需根據(jù)跨渠公路橋的布置、渠道沿線村莊的分布和當(dāng)?shù)芈肪W(wǎng)現(xiàn)狀，從滿足輸水渠道水頭要求、交通需求及經(jīng)濟(jì)合理的角度出發(fā)，充分考慮跨渠橋梁間距設(shè)置影響因素，構(gòu)建生產(chǎn)橋布置決策模型，進(jìn)行生產(chǎn)橋等級(jí)及設(shè)置位置的定量化研究。

2跨渠橋梁的設(shè)置間距研究

2.1跨渠橋梁的設(shè)置最小間距

目前，大多數(shù)長(zhǎng)距離輸水渠道修建時(shí)，往往一味考慮居民的出行方便性，逢路設(shè)橋，而明渠輸水工程渠道寬度較大時(shí)，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，其上設(shè)置的生產(chǎn)橋應(yīng)選擇多跨結(jié)構(gòu)，橋墩入渠，必將縮小渠道的過(guò)水面積，增加局部水頭損失，進(jìn)而對(duì)渠道的輸水能力造成不利影響。多跨跨渠橋梁設(shè)置間距越小，多個(gè)橋梁聯(lián)合產(chǎn)生的阻水作用越明顯。通過(guò)對(duì)不同橋梁間距下對(duì)渠道水位變化規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn)[2]，橋梁結(jié)構(gòu)形式既定情況下即相同橋梁阻水面積下，渠道輸水能力的降幅與橋梁間距相關(guān)但呈非線性關(guān)系，當(dāng)橋梁間距時(shí)l≥1 000 m，跨渠橋梁對(duì)干渠輸水能力不會(huì)產(chǎn)生明顯影響；當(dāng)800 m≤l<1 000 m時(shí)，跨渠橋梁設(shè)置對(duì)渠道的輸水能力影響較??；當(dāng)600 m≤l<800 m時(shí)，橋梁間距變小，跨渠橋梁設(shè)置對(duì)輸水能力的不利影響明顯變大，當(dāng)l≤600 m時(shí)，橋梁對(duì)渠道輸水能力有非常顯著的不利影響[3]。明渠輸水工程確定跨渠橋梁最小間距時(shí)，可綜合考慮渠道的性質(zhì)、使用任務(wù)，渠道沿線的居民點(diǎn)分布及當(dāng)?shù)芈肪W(wǎng)現(xiàn)狀等因素，確定跨渠橋梁設(shè)置的最小間距?？紤]南水北調(diào)供水工程的重要性，在保證公路橋設(shè)置的前提下，應(yīng)將600 m作為南水北調(diào)中線跨渠橋梁的設(shè)置最小間距的參考數(shù)值，有條件的局部路段，跨渠橋梁設(shè)置最小間距宜大于800 m。

2.2跨渠橋梁的設(shè)置最大間距

跨渠橋梁布置間距偏小，勢(shì)必影響渠道的輸水能力，[JP2]間距偏大處又給渠道兩側(cè)居民的出行造成不便。在設(shè)置最小間距限制的前提下，生產(chǎn)橋的設(shè)置應(yīng)根據(jù)跨渠公路橋的布置和渠道沿線村莊的分布，充分考慮各村鎮(zhèn)的人口數(shù)量以及渠道兩側(cè)居民的出行特征，在有利生產(chǎn)、生活方便的原則下，優(yōu)選將生產(chǎn)橋設(shè)置于居民橫向穿越強(qiáng)度較大的地址，且跨渠橋梁設(shè)置間距應(yīng)滿足居民最大可忍受繞行距離的要求。

2.2.1最不利繞行點(diǎn)位置

如圖1，A、B兩點(diǎn)為渠道上的兩相鄰跨渠橋梁的擬定位置。[JP2]設(shè)相鄰跨渠橋梁設(shè)置間距為l，渠道寬度為b，居民單次出行起點(diǎn)距跨渠橋梁A橋頭A1的距離為x1，渠道對(duì)岸單次出行終點(diǎn)距跨渠橋梁A橋頭A2的距離為x2，不同渠段渠道寬度b并不完全相同，但其相對(duì)于跨渠橋梁間距要小一些，可設(shè)為常數(shù)，結(jié)合圖示可確定最不利繞行距離的繞行點(diǎn)位置[4]。

先假定居民出行的起訖點(diǎn)均緊挨跨線干渠，確定最不利繞行距離的出發(fā)點(diǎn)時(shí)，將出發(fā)點(diǎn)至同側(cè)橋梁橋頭的距離x1看作函數(shù)自變量。當(dāng)x1≤l/2時(shí)，繞行距離y=x1+b+x2-[KF（]b2+（x2-x1）2[KF）]，因[SX（]dy[]dx1[SX）]=1+[b2+（x2-x1）2][SX（]1[]2[SX）]（x2-x1）>0，故繞行距離函數(shù)單調(diào)遞增， 則x1取最大值l/2時(shí)，繞行距離最大；當(dāng)l/2≤x1≤l時(shí)，繞行距離y=（l-x1）+（l-x2）+b-[KF（]b2+（x1-x2）2[KF）]，[SX（]dy[]dx1[SX）]=-1-[b2+（x1-x2）2]-[SX（]1[]2[SX）]（x1-x2）<0 ，故x1取最小值l/2時(shí)，繞行距離最大。因此，最不利出發(fā)點(diǎn)的位置應(yīng)位于兩相鄰跨渠橋梁的中間位置E點(diǎn)。同理，可確定最不利繞行距離的終點(diǎn)位置也為兩相鄰跨渠橋梁的中間位置D點(diǎn)。

沿線居民出行的出發(fā)點(diǎn)和終點(diǎn)并不是緊貼跨線干渠，多數(shù)為GB1B2F的跨越，此時(shí)繞行長(zhǎng)度距[JP2]離為GB1+b+B2F-FG，其值小于EB1+b+B2D-DE即相鄰跨渠橋梁間距l(xiāng)，則可確定，最不利繞行情況是由兩相鄰跨渠橋梁中點(diǎn)C點(diǎn)的一側(cè)D點(diǎn)繞行到另一側(cè)E點(diǎn)，最大繞行距離為l。

2.2.2跨渠橋梁的設(shè)置最大間距確定

由兩側(cè)居民出行最不利的繞行情況下，最大繞行距離與相鄰兩跨渠橋梁間距一致。在最不利繞行起訖點(diǎn)存在的情況下，生產(chǎn)橋設(shè)置時(shí)，可與公路橋統(tǒng)籌考慮，跨渠橋梁間距即居民跨渠出行最大繞行距離不應(yīng)大于居民可忍受的最大繞行距離[5]。出行方式不同，居民可忍受的最大繞行距離不同，因此，需根據(jù)當(dāng)?shù)鼐用竦某鲂刑卣?，?jì)算居民可忍受綜合最大繞行距離。

居民可忍受綜合最大繞行距離如下：

dmax=d1j1+d2j2+…+dnjn[JY]（1）

[JP2]式中：d1、d2、…、dn為步行、自行車、電動(dòng)車、摩托車、農(nóng)用機(jī)械出行等出行方式下居民可忍受的最大繞行距離；j1、j2、…、jn為相應(yīng)出行方式在居民總出行中所占的比重。具體參數(shù)取值需參照待優(yōu)化渠段實(shí)際交通調(diào)查結(jié)果或出行強(qiáng)度相似地區(qū)調(diào)查結(jié)果取值。

渠段兩側(cè)的村鎮(zhèn)居民點(diǎn)分布各異，最不利繞行情況不存在時(shí)，渠道兩側(cè)居民實(shí)際出行的最大繞行距離是小于生產(chǎn)橋布設(shè)間距的。故生產(chǎn)橋布設(shè)時(shí)，在滿足居民實(shí)際出行繞行距離均小于居民可忍受綜合最大繞行距離的前提下，生產(chǎn)橋設(shè)置最大間距可根據(jù)渠道兩側(cè)起訖點(diǎn)分布情況適當(dāng)調(diào)整。

3生產(chǎn)橋布置備選方案確定

公路橋布置方案確定后，然后參照跨渠橋梁的設(shè)置最小間距和最大間距的要求，初步擬定跨渠橋梁數(shù)為n的生產(chǎn)橋布置方案，即在跨渠橋梁數(shù)為n的條件下，結(jié)合明渠輸水工程渠道兩側(cè)地方路網(wǎng)的分布、地方社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平、村鎮(zhèn)密度等，擬定生產(chǎn)橋的所有可能布設(shè)位置和布設(shè)組合方案，n的初始值為1。針對(duì)某一跨渠橋梁數(shù)為n布置方案，將跨渠橋梁方案影響區(qū)域范圍內(nèi)的主要村鎮(zhèn)質(zhì)心位置[3]作為出行的起訖點(diǎn)，確定各出行起訖點(diǎn)之間的最短路徑，并計(jì)算其最短繞行距離[6]，是否均不大于居民可忍受最大繞行距離，如均滿足居民出行方便性的要求，則將該布設(shè)方案作為生產(chǎn)橋的布置備選方案。將所有生產(chǎn)橋數(shù)為的布置方案計(jì)算完畢后，如均不滿足居民出行方便性的要求，則需將生產(chǎn)橋數(shù)增加為n+1，重新確定布置方案。生產(chǎn)橋布置備選方案擬定流程圖見圖2。

6結(jié)論

明渠輸水工程跨渠橋梁優(yōu)化布置設(shè)計(jì)時(shí)，為減小渠道對(duì)現(xiàn)狀路網(wǎng)交通的影響，等級(jí)公路與渠道相交位置，均設(shè)置公路橋，而后為方便渠道兩側(cè)居民出行以及兩側(cè)地區(qū)的生產(chǎn)、生活，基于綜合繞行系數(shù)最小的原則進(jìn)行明渠輸水工程生產(chǎn)橋布置方案設(shè)計(jì)，可有效避免生產(chǎn)橋選址的隨意性，有利于做好地方等外路網(wǎng)的重新規(guī)劃、調(diào)整，避免跨渠橋梁間距過(guò)大給居民出行造成不便，也可有效避免跨渠橋梁間距過(guò)小對(duì)渠道輸水能力的不利影響，避免隨意設(shè)置生產(chǎn)橋引起的工程費(fèi)用增加；而且，將公路橋和生產(chǎn)橋統(tǒng)籌考慮，校核跨渠橋梁設(shè)置方案起訖點(diǎn)間最短路徑是否滿足機(jī)動(dòng)車出行最大繞行距離要求，有助于確定哪些生產(chǎn)橋需要提高建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)?？傊?，該方法可用于長(zhǎng)距離輸水渠道上生產(chǎn)橋設(shè)置間距、位置及等級(jí)的優(yōu)化決策，必要時(shí)，公路橋布置也可參照該方法進(jìn)行選址優(yōu)化。

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