复式河道的桥梁壅水计算

1、复式河道的桥梁壅水计算<    1 前言 所谓复式河道是指有河漫滩的河道，在洪水期，河漫滩将会被淹没。由于主槽和滩地有不同的水深和糙率，水位流量关系将和单道有所不同。当水流漫滩时，由于主槽水流与滩地水流的相互作用，断面过水能力通常会降低。特别是水流刚刚漫滩时，由于断面形状的突变，加上滩地糙率一般与主槽不一样，使估算过水能力变得非常困难。然而正确的估计给定水位下的流量以及已知流量如何确定水位等 问题 对于洪水预报、防洪规划又是必不可少的。为了系统地 研究 复式河道的水力学问题，增进合作、交流、避免重复研究，由英国 科学 与工程研究委员会资助，在英国瓦

2、灵弗水力学研究所（ Hydraulics Research Limited Wallingford, UK ）建成了洪水河道设施 (Flood Channel Facility ，简称 FCF) 。 FCF 自 1986 年开放以来，主要进行了三个系列的实验： 1987 1989 年的顺直和歪斜河道实验： 1990 1994 年的弯曲河道实验； 1995 1997 的固定河岸、可动河床实验。 目前 正在进行自形成河道实验。到 1999 年，已有 80 篇以上的论文是基于 FCF 实验数据的。在 1995 年国际水力学研究协会第 26 届大会上被选定为检验数学模型的基准资料。 1999 年， K

3、night1 对复式河道的水力学研究作了系统 总结 。 由于桥梁的修建减小了断面过流面积，水流流线在桥梁的上游形成收缩，下游形成扩散，加上桥体本身的阻力等因素，使河流的局部阻力增大，造成局部水头损失，形成桥梁上下游的水位差（称为桥梁壅水）。河道桥梁壅水在流量小时并不明显，而在洪水期较为显著。桥梁壅水抬高了桥梁上游水位，增大了淹没面积，滞蓄了洪水，从而增大洪水灾害。如果流量过大，使洪水漫过桥梁，甚至冲毁桥梁，将造成更大的灾害。较为著名的桥梁壅水的计算方法有：美国公路局法（ USBPR ）、美国地调局法（ USGS ）、英国瓦林弗水力学研究所的拱桥法 (Arch) 、 Biery 和 Delleu

4、r 法等。这些方法一般是通过联解动能或动量方程与连续性方程、得到求解桥梁公式的形式，最后用实验资料确定公式的参数。桥梁壅水的危害，在大流量高水位的洪水时尤为突出，而天然河道在洪水期间，一般水流漫上了河滩，过流断面为复式断面，而桥梁壅水的公式多是在单一河道中建立的，目前对复式断面的桥梁壅水问题的研究还不多见，本文在复式河道的桥梁壅水实验的基础上提出了一种计算方法。 2 实验概况                 图 1 水槽平面示意图 Pl

5、ane sketch of the flume     图 2 模型桥梁尺寸 ( 单位 mm)Dimensions of the model bridges     实验是在英国伯明翰大学的水槽上进行的，图 1 为水槽平面布置示意图。水槽长 22m ，宽 1.213m ，深 4.4m 。水槽上用 PVC 材料做成了一个复杂河道，主槽宽 398mm ，河漫滩宽 407.3mm ，主槽深 50mm ，水槽底坡为 2.024 。水槽设有两个水循环系统，一个循环管道用文丘里流量计测流量，另一个用电磁流量计测量。对于一个给定

6、流量，通常把流量按一定分配规则分为一大一小两部分，大的一部分用文丘里流量计所在管道进行粗调，剩余部分用电磁流量计所在管道精调。实验前，先用进水管放水进入循环系统，然后开启两套循环系统，使水流开始流动，最后调整尾门使水流在水槽中为均匀流。实验过程中，如发现循环系统水量过多，可通过尾水池的排水管放出一定水，使尾水闸出流不为淹没出流。水槽实验一直是研究水力学的基本手段。由于天然河道断面形状的不规则性以及量测的困难性，所以不适合研究水力学的基本 规律 。水槽的边壁一般是均匀光滑的，使得水槽中糙率的调整比较困难。用三角形的铁丝网架在水槽上，并通过调整铁丝网架的间距 来实现不同的糙率值是一种 经济 实用的

7、方法。很明显，糙率由水位和铁丝网间距 决定，必须通过实验来率定这种函数关系。桥梁的形状如图 2 所示，有半圆拱桥，双孔半圆拱桥和椭圆拱桥，桥梁放置在编号为 59 的断面上，此断面距主槽进口 7m 。共有三种不同的糙率组合情况，分别为 第一种情况：光滑边界 第二种情况：主槽光滑、边滩上 1 =500mm 第三种情况：主槽 2 =2000mm ，边滩 1=500mm 对于每一种糙率情况，进行了几个流量、测量出桥梁上下游的水位差。实验结果列于表 1 中。               

8、;        式中下标 3 表示桥梁下游断面， CD 为桥梁阻力系数， J3 为桥梁下游堵塞率 ,dh 为壅水高度， h3 为下游水深， Fr3 为下游弗汝德数。 最后用实验数据建立了桥梁壅水高度和下游弗汝德数和下游堵塞率的关系，从而可由下游水力要素 计算 桥梁壅水。 应用 拱桥法计算的壅水和实测壅水的对比如表 1 所示。由表 1 可以看出，拱桥法往往过高估计桥梁壅水。 表 1 拱桥法验证表 Validate table of arch method      

9、           糙率 情况     流量 (m3/s)     单孔拱桥     双孔拱桥     椭圆拱桥             实测     计算  

10、;   实测     计算     实测     计算                   0.021     29.7     27     34.0

11、60;   32     30.1     27           0.024     38.6     43     42.3     51     37.8    

12、 43     1     0.027     44.8     64     50.3     71     45.6     64           0.030  

13、   50.2     74     57.3     74     51.7     74           0.035     59.8     79    

14、60;69.5     79     62.9     79                   0.018     16.6     25     19.9   

15、60; 29     16.3     25           0.021     17.8     31     21.8     35     17.8     31

16、60;         0.024     17.5     37     22.9     41     17.8     37     2     0.030    

17、 19.6     45     26.2     57     19.8     45           0.035     21.8     62     31.2 

18、0;   73     23.7     62           0.040     22.2     71     38.6     81     32.1    &

19、#160;73           0.045     23.9     80     50.9     93     44.4     85           0.050 &#

20、160;   27.6     82     71.5     108     69.2     102                   0.015     

21、;6.9     15     7.9     17     6.7     15           0.018     7.9     19     9.6   &#

22、160; 20     8.0     19           0.021     9.4     24     13.1     29     11.0     24 

23、0;   3     0.024     10.4     29     13.3     33     11.7     29           0.027    &

24、#160;11.4     33     16.0     38     14.5     34           0.030     13.1     38     20.4  

25、;   44     18.6     40           0.035     15.9     43     32.6     55     31.4    &#

26、160;52             4 边滩等价河宽 桥梁壅水是以通过桥洞时，由于上游的流线收缩以及下游的流线扩散都会引起水头损失，这些损失加上桥梁的摩擦损失就是总的水头损失。摩擦损失用水流速度，或 Fr 反映，收缩和扩散损失用阻塞率来反映。然而由于复式河道的水流结构与单一河道并不一样，主槽流速比滩地大，从而使流线密集于主槽，有利于水流通过桥梁，所以传统 方法 不适用于复式河道，会过高地估计壅水高度。由于传统方法如拱桥法、美国公路局法 (USBPR) 等以得到广泛应用，并以很多商业 软件 （如 Isis ）所使用，如果能对这些方法加以修正， 自然 是很 经济 的解决方案。         假定存着某一河宽，使得复式河道水流在同流量，同水位下的矩形河道水流通过桥梁时将引起的同样的壅水高度，这样的河宽定义为等价河宽。等价河宽与主槽