橋梁對河流阻水影響的一個綜合判別指標

李彬

(中水北方勘測設(shè)計研究有限責任公司，天津 300222)

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橋梁對河流阻水影響的一個綜合判別指標

李彬

(中水北方勘測設(shè)計研究有限責任公司，天津 300222)

針對橋梁對河流的阻水影響問題，基于河流能量觀點提出了考慮河流能量與橋梁阻水比雙因素的綜合判別指標η，應用其討論了山區(qū)河流和平原區(qū)河流修建橋梁對河流的阻水影響。結(jié)果表明：綜合判別指標η可以有效地區(qū)分相同橋墩布置形式橋梁對不同類型河流的阻水影響；綜合判別指標η可以指導橋墩在河流中的合理布置，有效減小橋梁對河流的阻水影響，與橋梁阻水比、單寬流量等指標在指導橋墩合理布置方面起到相同效果。該研究成果在一定程度上彌補了一般橋梁阻水比指標的不足。

橋梁工程;阻水比;弗勞德數(shù);河流能量;防洪影響

在分析橋梁對河流的阻水影響時，阻水比指標常作為控制性參數(shù)，控制橋梁工程中橋墩的布置形式及規(guī)模，降低橋梁對河流的阻水影響。文獻[1]中阻水比的定義為:在設(shè)計洪水位下，建設(shè)項目阻水結(jié)構(gòu)在工程斷面垂直于洪水流向上的投影面積與工程建設(shè)前同一過水斷面過流面積的比率(用百分數(shù)形式表示)。阻水比fB越大，表明橋梁對河流的阻水影響越大；反之，則越小。文獻[1]中明確規(guī)定：“在最大壅水高度滿足規(guī)定要求的前提下，跨越1、2級堤防橋梁的阻水比不宜超過7%，跨越3級及以下堤防以及無堤防河道的橋梁的阻水比不宜超過8%?！边@個限制阻水比參數(shù)的規(guī)定過于籠統(tǒng)，對河流自身因素欠考慮。對于既定河流，橋梁對河流的阻水影響與阻水比成正比。而對于不同河流，同樣阻水比的橋梁對河流的阻水影響是不同的。例如，對于山區(qū)河流和平原區(qū)河流，相同阻水比的橋梁對兩類河流的阻水影響不同。因此，筆者提出了一個綜合考慮河流自身能量與橋梁阻水比雙因素的綜合判別指標η,并且在修建橋梁的概化復式斷面河流中，對其進行了驗證及討論。

1 綜合判別指標的推導

圖1給出了橋梁與河流的平面關(guān)系，橋梁對河流的阻水影響主要取決于以下兩方面因素。

1)河流方面：流速v、水面寬度B、水深h、重力加速度g；

2)橋梁方面：橋墩迎水流方向的寬度b、橋墩順水流方向的長度l、橋墩軸線與水流方向的夾角α、橋梁軸線法線方向與水流方向的夾角θ、河道中橋墩的數(shù)量N。

圖1 橋梁與河流的平面關(guān)系示意

橋梁對河流阻水影響的各因素關(guān)系可表示為：

η=kf(v,B,h,g,b,l,α,N)，

(1)

η′=f(v,B,h,g,b,l,α,N)。

(2)

式中：η、η′為無量綱數(shù)；k為與墩型和θ等有關(guān)的系數(shù)。

根據(jù)橋梁阻水比的定義，參考文獻[2]給出的橋墩阻水寬度的計算方法，橋墩阻水寬度L′=F1(b,l,α),則橋梁阻水寬度L=F2(b,l,α,N)。所以式(2)可以轉(zhuǎn)化為：

η′=G(v,B,h,g,L)。

(3)

根據(jù)π定理[3-4]，選擇η′,v,g3個參數(shù)為基本量，式(3)可以轉(zhuǎn)化為：

(4)

因為式(4)等號兩端量綱和諧，量綱為1?？梢郧蟮脁1=-2，y1=1；x2=-2，y2=1；x3=-2，y3=1。由此，式(4)可以轉(zhuǎn)化為：

(5)

因為h和B是河流方面的因素，L是橋梁方面的因素，所以π3=φ(π1,π2)。假設(shè)π3=π1π2，則式(3)可以轉(zhuǎn)化為：

(6)

當η′≠0時，求解可得：

(7)

因為，當水流靜止，即Fr=0時,或河流中無橋梁，即fB=0時，均使η′=0，式(7)滿足條件。因此，式(7)是求解η′的表達式。于是，式(1)等價于：

η=kFr2fB。

(8)

式中：η為綜合判別指標，%；fB為橋梁阻水比，%，只取百分號前的數(shù)值代入公式進行計算；Fr為弗勞德數(shù)；k為與墩型和θ等有關(guān)的系數(shù)。

橋梁阻水比fB可參照文獻[1]和文獻[2]的有關(guān)規(guī)定和計算方法求得。弗勞德數(shù)Fr的計算公式為[3]：

(9)

因為系數(shù)k與墩型和θ等有關(guān)，所以可以構(gòu)造系數(shù)k的表達式為：

(10)

式中：k為綜合判別指數(shù)系數(shù);SL為河道中所有橋墩以各自橋墩阻水寬度L′為直徑的圓的面積和，m2;Sq為河道中所有橋墩的橫截面積和，m2；k3為文獻[2]中的墩型系數(shù)；θ為橋梁軸線法線方向與水流方向的夾角,0°≤θ≤25°[2]，對于θ>25°的情況暫不討論，計算單墩時，θ=0°。圖2給出了幾種橋墩的橫截面圖,計算單墩時，將單墩的SL和Sq代入式(10)即可。

圖2 幾種橋墩的橫截面示意圖

因為Fr表示過水斷面單位重量液體平均動能與平均勢能之比的二倍開平方[3]，所以指標η是考慮河流自身能量、能夠反映橋梁對河流阻水影響的一個綜合判別指標。此時，可將式(8)中的Fr2替換為Fr2/2來求解η，本文暫不改動。

2 綜合判別指標的驗證及討論

2.1 概化河道構(gòu)造

構(gòu)造復式斷面河道，河道水流方向為垂直紙面向里，紙面左側(cè)為河道左岸，紙面右側(cè)為河道右岸。概化河道的橫斷面形式如圖3所示，主要參數(shù)見表1，其中邊坡mⅠ的坡度為1.5，邊坡mⅡ的坡度為2.0，邊坡mⅢ的坡度為1.5。

圖3 概化河道的橫斷面圖

橋墩布置位置水面寬度B/m底寬b/m水深h/m左灘地28．0023．503．00主槽40．0030．006．50右灘地32．0024．505．00

2.2 橋梁的構(gòu)造

構(gòu)造橋梁的橋墩為圓型，橋梁軸線與水流方向垂直。工況1和工況2的橋墩形式相同，橋梁跨度L為25 m，橋墩直徑為1.50 m，二者的主要區(qū)別是橋梁穿越不同河流。工況3、工況4和工況5的橋墩形式相同，橋梁跨度L為50 m，橋墩直徑為3.00 m，三者的主要區(qū)別是橋墩的位置不同。其中，工況3，左灘地、主槽有橋墩，右灘地無橋墩；工況4，左灘地無橋墩，主槽、右灘地有橋墩；工況5，左、右灘地有橋墩，主槽無橋墩。構(gòu)造橋墩時，忽略了混凝土、配筋等因素對橋墩尺寸的影響。不同工況的橋墩布置形式如圖3所示，其參數(shù)見表2。

表2 構(gòu)造橋梁的主要參數(shù)

2.3 河流類型構(gòu)造

概化河道通過不同的河道比降s和糙率n反映該河道為山區(qū)河道或平原區(qū)河道。山區(qū)河道的比降s多大于平原區(qū)河道的，一般情況下平原區(qū)河道水面的比降s較小，多在(1～10)×10-4以下[5]；一般情況下山區(qū)河道的河床糙率n大于平原區(qū)河道的，糙率n可以根據(jù)河流渠槽類型及狀況并參考文獻[3]中有關(guān)數(shù)據(jù)進行確定。通過s和n取不同數(shù)值分別構(gòu)造出山區(qū)河流和平原區(qū)河流的模型，具體指標見表3。其中工況2為山區(qū)河流，其余工況為平原區(qū)河流。

表3 水力要素及綜合判別指標η統(tǒng)計

2.4 驗證及討論

因為橋墩是圓型，且橋梁軸線與水流方向垂直，即θ=0°，所以k=1.0。式(8)可簡化為：

η=Fr2fB。

(11)

根據(jù)文獻[3]中明渠均勻流計算方法及式(11)得到表3中的數(shù)據(jù)。由表3得到如下結(jié)果:

1)分析工況1和工況2可知：相同橋墩布置形式的橋梁，山區(qū)河流與平原區(qū)河流的fB相同，無法根據(jù)fB單一指標判別橋梁對不同類型河流的阻水影響，需要借助其他指標綜合分析，如水位壅高值等；山區(qū)河流的η值明顯大于平原區(qū)河流的η值，且橋梁對河流的阻水影響越大相應的η值也越大，可以根據(jù)η值區(qū)分相同橋墩布置形式的橋梁對不同類型河流的阻水影響。

2)分析工況1、工況3、工況4和工況5可知：河道不同區(qū)域的行洪能力不同，換言之，河道不同區(qū)域?qū)拥廊珨嗝嫘泻槟芰Φ呢暙I或權(quán)重不同。因此，相同規(guī)模的橋墩對河道不同區(qū)域的阻水影響不同。對于同一條河流，fB和η均可以指導橋梁合理選擇橋墩位置及橋墩規(guī)模。在分析橋梁對河流的阻水影響時，應充分考慮主槽、灘地的區(qū)別，或根據(jù)河道形態(tài)分析河道的主、次要行洪通道[6-9]，分別計算相應區(qū)域的fB和η及河道全斷面的fB和η，綜合分析、評價橋梁對河流的阻水影響。橋墩布置一般需遵循以下原則：橋墩盡量位于河道單寬過流量較少的區(qū)域，使河道全斷面的fB和η指標盡可能小。

3)綜上分析，綜合判別指標η不僅可以有效地區(qū)分相同橋墩布置形式的橋梁對不同類型河流的阻水影響，還可以指導橋梁在不同類型河流上合理選擇橋墩位置及橋墩規(guī)模。

3 結(jié)語

文中提出的綜合判別指標η可以有效地區(qū)分相同橋墩布置形式的橋梁對不同類型河流的阻水影響，在一定程度上彌補了橋梁阻水比fB指標的不足；對于同一條河流，綜合判別指標η可以區(qū)分河道不同區(qū)域修建橋墩時對河流的阻水影響，指導橋梁合理選擇橋墩位置及橋墩規(guī)模，與橋梁阻水比fB、單寬流量q等指標在此方面的作用有相同的效果；在進行橋梁對河流的阻水影響分析時，需對橋址處河道分區(qū)域計算fB和η，結(jié)合河道全斷面的fB和η進行分析。同時，還需分析橋梁對河流阻水影響的其他控制性指標，以便綜合分析、評價橋梁對河流的阻水影響。

鑒于本次分析的橋梁是橋梁軸線與水流方向垂直的單線橋梁，且橋墩的墩型較為簡單。因此，系數(shù)k有待于進一步研究，并且可以通過對系數(shù)k的研究使綜合判別指標η在雙線、多線橋梁對河流的阻水影響和規(guī)劃河流及流域橋梁建設(shè)密度方面得到應用。

[1]廣東省水利水電科學研究院.河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項目技術(shù)規(guī)程：DB44/T 1661—2015[S].廣州:廣東省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局,2015.

[2]鐵道部第三勘察設(shè)計院.鐵路工程設(shè)計技術(shù)手冊：橋渡水文[M].北京:中國鐵道出版社,1999.

[3]吳持恭.水力學[M].3版.北京:高等教育出版社,2003.

[4]邵友元.對量綱分析法與π定理的理解與應用[J].東莞理工學院學報,2010,17(3):106-109.

[5]謝鑒衡.河床演變及整治[M].2版.北京:中國水利水電出版社,2002.

[6]王劍楠,李彬,鄭國棟,等.內(nèi)河挖入式港池洪水演進數(shù)值模擬[J].人民黃河,2015,37(8):43-47.

[7]李彬,鄭國棟,莊佳,等.侵占灘涂對“葫蘆”河段的行洪影響[J].水利水電技術(shù),2015,46(12):118-123.

[8]何用,何貞俊,徐峰俊,等.珠江河口大型涉水工程方案優(yōu)化研究：以港珠澳大橋工程為例[J].泥沙研究,2015(3):69-73.

[9]孫東坡,馬騰飛.河道灘區(qū)風機群對漫灘洪水影響的數(shù)值模擬研究[J].華北水利水電大學學報(自然科學版),2016,37(1):35-39.

(責任編輯：杜明俠)

A Comprehensive Discriminant Index of Water-blocking Influence from Bridge to River

LI Bin

(China Water Resources Beifang Investigation, Design and Research Co. Ltd., Tianjin 300222, China)

According to water-blocking impact of the bridge to the river, a comprehensive discriminant indexηconsidering river energy and bridge water-blocking ratio is put forward based on river energy point, and the impact of building the bridge on the mountain andplain rivers on river water-blocking is discussed. The results show that the comprehensive discriminant indexηcan effectively distinguish the water-blocking impact of the bridge with same pier layout on the different types of rivers. The comprehensive discriminant indexηcan guide the rational arrangement of piers in rivers,effectively reduce the impact of the bridge on the river’s water blocking, and play the same effect with bridge water blocking ratio, single-wide flow rate and other indicators in a reasonable arrangement of guide piers. Research results can make up for the lack of the indicator of bridge water-blocking ratio to a certain extent.

bridge engineering; water-blocking ratio; Froude number; river energy; the impact of flood control

2016-05-27

李彬(1985—)，男，黑龍江富錦人，工程師，碩士，從事河流模擬、河流環(huán)境、水利規(guī)劃設(shè)計等方面的研究。E-mail：libin33333@126.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.02.013

TV133.1

A

1002-5634(2017)02-0068-04