簡述橋涵進口處水位流量關(guān)系的計算方法

巫貴陽

(自貢市水利電力建筑勘測設(shè)計院，四川 自貢，643000)

0 引言

橋涵加固與消能措施、進出口形式、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行設(shè)計，橋涵進口處洞內(nèi)頂點高程應(yīng)高于設(shè)計洪水位并預(yù)留一定的安全超高[1]，橋涵對河道上游水位具有一定的控制作用，橋涵建成后會對上游河道造成一定的壅水影響，因此，計算橋涵進口處水位流量關(guān)系可確定在頂點高程在預(yù)留一定安全超高的情況下橋涵所能滿足的最大洪水標準，分析橋涵所能通過的最大洪峰流量是否高于設(shè)計洪水標準下的洪峰流量[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上游河道造成的壅水影響。

本文以實際工程李白河東街K0+703.5李白河支溝橋涵為例，計算其進口處水位流量關(guān)系。

1 計算方法

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算方法進行計算，涵洞進口處過流計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)進口水深(進口水位減去進口底板高程)、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，具體判別標準如表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行設(shè)計，以及橋上路面不能被淹沒，因此橋涵進口水深的計算范圍為0

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

1.2 計算公式

無壓流涵洞過流計算公式如下[3]：

hs=h-iL(短洞)

式中：L——洞身長度(m)，L≥8H時按長洞計算，L<8H時按短洞計算；

σ——淹沒系數(shù)，當洞內(nèi)水位影響涵洞進口水流時，涵洞進口水流為淹沒進口水流，對水流的影響用淹沒系數(shù)表達；

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

m——流量系數(shù)，與涵洞進口形式有關(guān)，宜取0.34；

B——溢流前緣凈寬(m)；

H0——進口動水深(m)，表現(xiàn)為進口動水頭，包含流速水頭；

H——進口水深(m)，表現(xiàn)為進口靜水頭，不包含流速水頭；

v——上游行進流速(m/s)；

α——流速水頭修正系數(shù)，宜取1；

hs——洞內(nèi)進口水深(m)，涵洞上游進口內(nèi)水深，長洞時，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)進口水深，短洞時，可按上述短洞公式計算；

i——涵洞底板比降。

長洞時需推算水面線，推算水面線可采用以下水力學公式進行計算[4]：

式中：Z——斷面處水面高程(m)；

V1、V2——斷面平均流速(m/s)；

Q——計算流量(m3/s)；

△L——為斷面間距(m)；

α1、α2——動能修正系數(shù)，利用斷面流速計算流體動量以修正計算誤差，宜取0.5；

ξ——局部損失系數(shù)，利用斷面流速計算流體動量，以計算流體遇彎道、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)，按下式計算：

n——河床糙率，表達為河床對水流的阻力，取值范圍為0.02～0.07；

R——水力半徑(m)，河道過水斷面面積與斷面濕周的比值，濕周為斷面水流與河床接觸的長度。

利用上述水力學公式，用直接迭代法求解，計算水面線。

1.3 計算步驟

根據(jù)無壓涵洞過流計算公式，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，河道水面線計算公式采用1.2節(jié)水面線計算公式。

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

(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，采用長洞方式由下游出口水深h推算水面線計算出洞內(nèi)進口水深hs。

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

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

2 工程應(yīng)用

本次以李白河支溝橋涵為實例，計算其進口水位流量關(guān)系。李白河東街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191m，設(shè)計進口洞頂高程285m，設(shè)計出口洞頂高程284.16m，洞底板比降0.0044。李白河支溝橋涵設(shè)計洪水標準為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)河道順直長度較長，兩岸主要為農(nóng)田，高水時受人類活動影響較小，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)實測河道大斷面資料和實測洪痕點資料，結(jié)合河床實際情況，采用水力學方法(曼寧公式)計算控制斷面(CS1斷面)天然水位流量關(guān)系曲線。根據(jù)實測大斷面對控制斷面各個水力要素進行計算。低水水面比降可采用實測水面比降；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、組成等對河道糙率進行分析，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，利用河道實測大斷面，根據(jù)1.2節(jié)水面線計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 橋涵進口水位流量關(guān)系確定

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

(4)洞長L為191m，進口水深H為0.05m，洞高與橋涵進口水深H的比值大于8，比值符合長洞，計算結(jié)束。流量Q(12.4m3/s)對應(yīng)的進口水深H為0.05m。

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

表4 橋涵進口水深(H)流量關(guān)系曲線成果

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

表5 橋涵進口水位流量關(guān)系曲線成果

矩形無壓流涵洞(洞高大于3m)進口內(nèi)頂點至進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口水深為5.5m，以最大進口水深(5.5m)內(nèi)插進口水深(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)計洪水標準。

根據(jù)上述橋涵進口水位流量關(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上游河道造成的壅水影響，以此為依據(jù)對橋涵的設(shè)計提供一定的參考。

3 結(jié)論與建設(shè)

本文通過無壓流涵洞過流計算方法計算橋涵進口水位流量關(guān)系，依據(jù)此計算結(jié)果可以確定橋涵設(shè)計防洪標準是否滿足要求以及分析橋涵建成后河道水位壅高對上游的影響。橋涵設(shè)計防洪標準直接關(guān)系到整條公路工程量，同時橋涵進口水位流量關(guān)系在分析橋涵建成后對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行布置，在橋涵進口以及出口均會出現(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，再以某一確定流量內(nèi)插得出下游出口水深h，并依次計算出洞內(nèi)進口水深hs、進口動水深H0、進口水深H，最后判定是以長洞進行計算，還是以短洞進行計算，還需分別計算多組流量，計算量較大。因此，在實際工程運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口水位流量關(guān)系，并利用上述橋涵進口水位流量關(guān)系的計算方式復(fù)核其結(jié)果，該方法較為快速以及準確。