簡(jiǎn)述橋涵進(jìn)口處水位流量關(guān)系的計(jì)算方法

巫貴陽

(自貢市水利電力建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)院，四川 自貢，643000)

0 引言

橋涵加固與消能措施、進(jìn)出口形式、位置以及孔徑是決定橋涵抗洪能力的關(guān)鍵條件。因多數(shù)橋涵按照無壓工況進(jìn)行設(shè)計(jì)，橋涵進(jìn)口處洞內(nèi)頂點(diǎn)高程應(yīng)高于設(shè)計(jì)洪水位并預(yù)留一定的安全超高[1]，橋涵對(duì)河道上游水位具有一定的控制作用，橋涵建成后會(huì)對(duì)上游河道造成一定的壅水影響，因此，計(jì)算橋涵進(jìn)口處水位流量關(guān)系可確定在頂點(diǎn)高程在預(yù)留一定安全超高的情況下橋涵所能滿足的最大洪水標(biāo)準(zhǔn)，分析橋涵所能通過的最大洪峰流量是否高于設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)下的洪峰流量[1-2]，以及以橋涵處作為控制斷面推算上游河道水面線，并與天然水面線相比分析建成后對(duì)上游河道造成的壅水影響。

本文以實(shí)際工程李白河?xùn)|街K0+703.5李白河支溝橋涵為例，計(jì)算其進(jìn)口處水位流量關(guān)系。

1 計(jì)算方法

1.1 流態(tài)判別[3]

橋涵為涵洞和橋的結(jié)合，橋涵過流可按照涵洞過流計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，涵洞進(jìn)口處過流計(jì)算方法與涵洞的流態(tài)有直接關(guān)系，涵洞水流流態(tài)主要分為淹沒壓力流、非淹沒壓力流、半壓力流、無壓流。流態(tài)主要根據(jù)進(jìn)口水深(進(jìn)口水位減去進(jìn)口底板高程)、出口水深(出口水位減去出口底板高程)與洞高的關(guān)系確定，具體判別標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 涵洞流態(tài)判別

由于多數(shù)橋涵按照無壓工況進(jìn)行設(shè)計(jì)，以及橋上路面不能被淹沒，因此橋涵進(jìn)口水深的計(jì)算范圍為0

由于橋涵水流計(jì)算公式較為稀少，本文直接采用無壓流涵洞過流計(jì)算公式計(jì)算橋涵進(jìn)口水位流量關(guān)系，不作方法比較。

1.2 計(jì)算公式

無壓流涵洞過流計(jì)算公式如下[3]：

hs=h-iL(短洞)

式中：L——洞身長(zhǎng)度(m)，L≥8H時(shí)按長(zhǎng)洞計(jì)算，L<8H時(shí)按短洞計(jì)算；

σ——淹沒系數(shù)，當(dāng)洞內(nèi)水位影響涵洞進(jìn)口水流時(shí)，涵洞進(jìn)口水流為淹沒進(jìn)口水流，對(duì)水流的影響用淹沒系數(shù)表達(dá)；

ε——側(cè)收縮系數(shù)，表現(xiàn)為涵洞進(jìn)口對(duì)上游水流的橫向收縮，過流寬度對(duì)水流的影響，宜取0.95；

m——流量系數(shù)，與涵洞進(jìn)口形式有關(guān)，宜取0.34；

B——溢流前緣凈寬(m)；

H0——進(jìn)口動(dòng)水深(m)，表現(xiàn)為進(jìn)口動(dòng)水頭，包含流速水頭；

H——進(jìn)口水深(m)，表現(xiàn)為進(jìn)口靜水頭，不包含流速水頭；

v——上游行進(jìn)流速(m/s)；

α——流速水頭修正系數(shù)，宜取1；

hs——洞內(nèi)進(jìn)口水深(m)，涵洞上游進(jìn)口內(nèi)水深，長(zhǎng)洞時(shí)，以出口斷面、出口水深作為邊界條件，從出口斷面推算水面線以確定橋涵洞內(nèi)進(jìn)口水深，短洞時(shí)，可按上述短洞公式計(jì)算；

i——涵洞底板比降。

長(zhǎng)洞時(shí)需推算水面線，推算水面線可采用以下水力學(xué)公式進(jìn)行計(jì)算[4]：

式中：Z——斷面處水面高程(m)；

V1、V2——斷面平均流速(m/s)；

Q——計(jì)算流量(m3/s)；

△L——為斷面間距(m)；

α1、α2——?jiǎng)幽苄拚禂?shù)，利用斷面流速計(jì)算流體動(dòng)量以修正計(jì)算誤差，宜取0.5；

ξ——局部損失系數(shù)，利用斷面流速計(jì)算流體動(dòng)量，以計(jì)算流體遇彎道、卡口等處所損失的能量，宜取0.5；

g——重力加速度，取9.81m2/s；

K——流量系數(shù)，按下式計(jì)算：

n——河床糙率，表達(dá)為河床對(duì)水流的阻力，取值范圍為0.02～0.07；

R——水力半徑(m)，河道過水?dāng)嗝婷娣e與斷面濕周的比值，濕周為斷面水流與河床接觸的長(zhǎng)度。

利用上述水力學(xué)公式，用直接迭代法求解，計(jì)算水面線。

1.3 計(jì)算步驟

根據(jù)無壓涵洞過流計(jì)算公式，需先確定下游出口水深h，由于橋涵洞底基本沿河床布置，下游出口水深受下游水位頂托的影響，因此應(yīng)在涵洞下游確定一處水位控制斷面，以下游控制斷面推算多組河道水面線推至涵洞下游處得出涵洞下游出口水深流量關(guān)系，河道水面線計(jì)算公式采用1.2節(jié)水面線計(jì)算公式。

在橋涵溢流前緣凈寬、進(jìn)口側(cè)收縮系數(shù)、流量系數(shù)確定的情況下，進(jìn)口流量由進(jìn)口動(dòng)水深H0、洞內(nèi)進(jìn)口水深hs決定，洞內(nèi)進(jìn)口水深hs可由下游出口水深h按照短洞或長(zhǎng)洞方法計(jì)算出，而洞高與橋涵進(jìn)口水深H的比值將決定涵洞以短洞或長(zhǎng)洞進(jìn)行計(jì)算，在流量確定情況下進(jìn)口水深H可由進(jìn)口動(dòng)水深H0計(jì)算得，具體計(jì)算步驟如下：

(1)以下游控制斷面推算多組河道水面線推至涵洞下游處得出涵洞下游出口水深h與流量Q的關(guān)系。

(2)根據(jù)下游出口水深h與流量的關(guān)系，采用某一確定流量Q內(nèi)插得出下游出口水深h，采用長(zhǎng)洞方式由下游出口水深h推算水面線計(jì)算出洞內(nèi)進(jìn)口水深hs。

(5)根據(jù)短洞、長(zhǎng)洞判別方式，由洞高與橋涵進(jìn)口水深H的比值判別此流量下是否應(yīng)按照長(zhǎng)洞計(jì)算。若比值大于等于8，則計(jì)算結(jié)束，得到某一確定流量下進(jìn)口水深H；若比值小于8，則應(yīng)返回步驟(2)采用短洞方式計(jì)算洞內(nèi)進(jìn)口水深hs，再依次進(jìn)行步驟(3)、(4)的計(jì)算，得到某一確定流量下進(jìn)口水深H。

(6)采用多組流量分別進(jìn)行步驟(2)-(5)的計(jì)算，可得到橋涵進(jìn)口水深H與流量Q的關(guān)系，可將其關(guān)系換算成橋涵進(jìn)口水位流量關(guān)系(進(jìn)口水位=進(jìn)口水深H+進(jìn)口底板高程)。

2 工程應(yīng)用

本次以李白河支溝橋涵為實(shí)例，計(jì)算其進(jìn)口水位流量關(guān)系。李白河?xùn)|街K0+703.5李白河支溝橋涵位于李白河支溝河口處，為跨越李白河支流而設(shè)置，設(shè)置1座6m×4.5m(高×寬)箱涵，涵洞全長(zhǎng)191m，設(shè)計(jì)進(jìn)口洞頂高程285m，設(shè)計(jì)出口洞頂高程284.16m，洞底板比降0.0044。李白河支溝橋涵設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，該工程處100年一遇洪峰流量為57.1m3/s。

2.1 橋涵下游出口水深h與流量Q關(guān)系確定

李白河支溝橋涵位于李白河支溝河口處，下游水位受干流的頂托，本次采用李白河干流支溝匯合口下游約680m處作為控制斷面，該斷面(CS1)河道順直長(zhǎng)度較長(zhǎng)，兩岸主要為農(nóng)田，高水時(shí)受人類活動(dòng)影響較小，以該斷面作為控制斷面推算水面線以確定涵洞出口下游水深。

2.1.1 CS1斷面水位流量關(guān)系確定

根據(jù)實(shí)測(cè)河道大斷面資料和實(shí)測(cè)洪痕點(diǎn)資料，結(jié)合河床實(shí)際情況，采用水力學(xué)方法(曼寧公式)計(jì)算控制斷面(CS1斷面)天然水位流量關(guān)系曲線。根據(jù)實(shí)測(cè)大斷面對(duì)控制斷面各個(gè)水力要素進(jìn)行計(jì)算。低水水面比降可采用實(shí)測(cè)水面比降；高水部分水面比降可采用歷史洪痕線。按照河段岸坡特征、河流流態(tài)、平面形態(tài)以及河床特性、組成等對(duì)河道糙率進(jìn)行分析，并根據(jù)天然河道糙率表，李白河河道糙率取值在0.032～0.10之間。

表2 CS1斷面水位流量關(guān)系曲線成果

2.1.2 橋涵下游出口水深(h)流量關(guān)系確定

以CS1斷面作為控制斷面，利用河道實(shí)測(cè)大斷面，根據(jù)1.2節(jié)水面線計(jì)算公式可推算多組河道水面線以確定橋涵出口下游水深流量關(guān)系。

表3 橋涵下游出口水深(h)流量關(guān)系曲線成果

2.2 橋涵進(jìn)口水位流量關(guān)系確定

(1)采用流量Q為12.4m3/s進(jìn)行計(jì)算，出口水深h為0.8m，推算水面線得洞內(nèi)進(jìn)口水深hs為0.03m。

(4)洞長(zhǎng)L為191m，進(jìn)口水深H為0.05m，洞高與橋涵進(jìn)口水深H的比值大于8，比值符合長(zhǎng)洞，計(jì)算結(jié)束。流量Q(12.4m3/s)對(duì)應(yīng)的進(jìn)口水深H為0.05m。

采用多組流量Q分別進(jìn)行1.3節(jié)中步驟(2)-(5)的計(jì)算，得到多組流量Q與進(jìn)口水深H的關(guān)系。成果見表4。

表4 橋涵進(jìn)口水深(H)流量關(guān)系曲線成果

橋涵進(jìn)口底板高程為279m，利用橋涵進(jìn)口水深H與流量關(guān)系可得到橋涵進(jìn)口水位流量關(guān)系(進(jìn)口水位=進(jìn)口水深H+進(jìn)口底板高程)。

表5 橋涵進(jìn)口水位流量關(guān)系曲線成果

矩形無壓流涵洞(洞高大于3m)進(jìn)口內(nèi)頂點(diǎn)至進(jìn)口水面最小凈高要求為0.5m，李白河支溝橋涵在最小凈高要求下允許通過的最大進(jìn)口水深為5.5m，以最大進(jìn)口水深(5.5m)內(nèi)插進(jìn)口水深(H)流量關(guān)系，得出允許最大過流量為68.8m3/s，大于該工程處100年一遇洪峰流量57.1m3/s，李白河支溝橋涵滿足100年一遇設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)上述橋涵進(jìn)口水位流量關(guān)系曲線成果表，以李白河支溝橋涵作為控制斷面推算上游河道水面線，并與天然水面線相比分析橋涵建成后對(duì)上游河道造成的壅水影響，以此為依據(jù)對(duì)橋涵的設(shè)計(jì)提供一定的參考。

3 結(jié)論與建設(shè)

本文通過無壓流涵洞過流計(jì)算方法計(jì)算橋涵進(jìn)口水位流量關(guān)系，依據(jù)此計(jì)算結(jié)果可以確定橋涵設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)是否滿足要求以及分析橋涵建成后河道水位壅高對(duì)上游的影響。橋涵設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)直接關(guān)系到整條公路工程量，同時(shí)橋涵進(jìn)口水位流量關(guān)系在分析橋涵建成后對(duì)上游的影響提供了確切的邊界條件。

由于大多數(shù)橋涵基本均沿河床進(jìn)行布置，在橋涵進(jìn)口以及出口均會(huì)出現(xiàn)淹沒出流，因此，必須由橋涵下游控制斷面推算多組水面線確定橋涵出口下游水位流量關(guān)系，再以某一確定流量?jī)?nèi)插得出下游出口水深h，并依次計(jì)算出洞內(nèi)進(jìn)口水深hs、進(jìn)口動(dòng)水深H0、進(jìn)口水深H，最后判定是以長(zhǎng)洞進(jìn)行計(jì)算，還是以短洞進(jìn)行計(jì)算，還需分別計(jì)算多組流量，計(jì)算量較大。因此，在實(shí)際工程運(yùn)用中可利用水力軟件按照推算河道水面線的方式(加入涵洞工程)，推算多組水面線以確定橋涵進(jìn)口水位流量關(guān)系，并利用上述橋涵進(jìn)口水位流量關(guān)系的計(jì)算方式復(fù)核其結(jié)果，該方法較為快速以及準(zhǔn)確。