宽滩河流桥孔设计流速与河槽宽度的计算.docx

1、第12卷第1期长沙交通学院学报Vol.12No.11996年3月JOURNALOFCHANGSHACOMMUNICATIONSUNIVERSITYMar.1996宽滩河流桥孔设计流速与河槽宽度的计算Z、朱炳祥金仁义J全耀传（较道部第勘测设计fit氏汉430063）«宽滩河流的桥孔设计是个很复杂的间题。根据宽潍河流上既有快路桥、公路桥（成功的、不合理的、水毁的桥）的资料，对以往采用不同柢念的平均流速作为设计流速，明确采用天然河槽的平均流速等于设计流速，并提出天然河槽平均流速用天然河槽宽度计算这一冏易方法。阐明了采用一河一桥或一河多桥的条件。.关词宽滩河流；设寸流速；河槽宽度中图分类号五

2、.3瑚宽滩河流上桥梁孔径的设计，重要的是合理确定设计流速与天然河槽的宽度。40年代,苏联学者提出在可冲河流下采用夭然河流平均流速作为设计流速，遗憾的是没有河流的具体定义及组成02：,且沿用至今。苏联1956年，1972年桥渡勘测设计烷程及美、日等国的桥梁设计指南、规程或书刊中，也没有宽滩河流的天然河槽宽度的计算方法。60年代我国桥梁工作者已注意到宽滩河流桥的计算，进行过桥孔大小的定床水工模型试验研究，对宽滩的湍、刁河洪泛区的桥梁设计探索出较成功的方法,但也未提及天然河槽宽度的计算。我国铁路桥渡勘测设计规范（17-86）桥孔设计中还明文规定：设计流速当河滩很大时，可按经验确定。这可能因人而异，采

3、用的设计流速是任意的，因而选定的桥孔大小可能不切实际C总之，宽滩河流桥孔计算至今尚没有一个合适的方法，主要是设计流速尚未解决好，而设计流速又与天然河槽宽度的合理确定密切相关。因此，设计流速与天然河槽宽度的计算就成为宽滩河流桥孔计算的主要问题。1回顾与评估宽滩河流流经地势平坦、土质松散或粘砂土地区,最显著的特点是有广阔的河漫滩。河漫滩在洪水期被淹没，在中枯水期则露出水面。根据我们调查分析,河漫滩宽度一般比河槽宽度大,有的大几倍至几十倍，甚至百倍；有的通过河漫滩的流景比通过河槽的流量大。桥梁工作者一直在探索夭然宽滩河流桥梁孔径的计算。18751880年俄罗斯H.A.列留勃斯基在修建伏尔加河上的塞兹

4、兰桥时，对桥梁孔径的拟定提出3个原则：（I）河流的天然流速超过桥下土壤不冲流速时，孔径的计算仍按河流的天然流速计算；收稿日期：1995年4月3日（ii）计算流速不应超过桥下的天然流速；（ill）桥下土壤虽然冲刷，河流上游来沙补偿。别氏假设可概括为：河流平均流速超过泥沙起动流速，因上游有泥沙输送、交换，河床变形不会加深。建桥后桥下水流断面扩大到桥下平均流速等于河床天然平均流速时，冲刷则停止，也就是以天然河床平均流速作为设计流速。在别氏假设基础上,E.B.包尔达柯夫、O.B.安德列也夫认为如果进入桥下的泥沙数量很少,设计流速可采用土壤容许不冲流速。JT.J1，李斯特万认为：天然条件下河底有泥沙输移

5、,洪水期相对稳定的过水面积上的平均流速叫动力平衡流速。总之，在设计流园Q=l%下的设计流速为：H.A.别列留勃斯基为天然河流的平均流速李斯特万则为河槽动力平衡流速”硕,；对河滩无泥沙补偿时,E.B.包尔达柯夫、O.B.安德列也夫则为泥沙容许不冲刷流速在我国桥梁勘测设计中，对河滩较小、压缩不多的河段，可采用通过设计流量河槽（包括边滩）的天然平均流速；一般变迁性、山前扩散河段，河槽往往摆动很宽，可采用最大有效河槽宽度范围内的平均流速；渠道或运河上的桥，可采用设计渠道或运河的设计流速。新中国成立后，铁路建设有很大的发展，但对宽滩河流的河槽宽度，桥下设计流速的研究不够,往往因入的经验与理解而异。综观苏

6、联、美国以及国内一些桥梁水力学、水文学,都没有明确主槽、河槽、河床、河流的定义和组成，桥梁孔径设计只是根据理解、经验来确定设计流速与河槽宽度,因而出入很大。2宽滩河流的天然河槽宽度洪水所淹没的河流两岸边界线范围，在河道横断面上的宽度称天然泛滥宽度。洪水期河床面上有推移质运动的部分，叫河槽；无推移质河床包括河槽与河漫滩两部分C运动的部分，叫河漫滩。目前河槽的定义有两种：困1河床断面组成示意图（汗槽金边源）一种是河槽为主槽与边滩（一侧或两侧）两部分组成。在河道横断面上，河槽宽度B（为主槽与边滩宽度之和，其相应断面下的平均水深为河槽平均水深乩。这种定义多为国内铁路、公路书刊土所采用如图1所示。但文献

7、（7、10上的河床断面图为图I的特例。另一种是主槽不含边滩（一侧或两侧）部分称河槽，即主槽等于河槽。在河道横断面上，河槽宽度为Be，其相应断面下的平均水深为河槽平均水深侦,如图2所示。以上两种定义，不仅名称不一，内容也不同，前者含有一侧或两侧边滩，后者不含边滩，洪水期边滩上有推移质运动、交换，其特点与主河槽相似，从河流动力学上吞，边滩是河槽的-部第1期朱炳祥等：宽潍河流桥孔设计流速与河糟觅度计算43分.它与主河槽组成河槽。因此，我们采用第一种定义即河槽宽度是主河槽与边滩两部分组成。困2河床新面坂成示意困（汗糟不金边沸2.1天然河槽宽度玖的直观判定可用下列几种方式来直观判定天然河槽的宽度：a.

8、形态勘估:河道横断面上滩唇至潍唇之间横向距离；b. 从河流泥沙运动上：洪水期河床面有推移质运动与交换的部分的横向宽度；c. 以水位划分：中水位以上洪水位开始淹没河漫潍即平齐滩唇时的横向宽度。天然河道处于运动、发展变化中.河槽横断面的形状、大小随时间而变化、发展.因此河槽（含边滩）宽度也是变化的。在历史长河中.河道演变有一个稳定的宽度.所以确定河槽宽度不仅应从当年或几年所测的河道横断面资料.而且应尽可能搜集历史的河道演变的横断面变化资料（可从钻探、遥感或卫星资料获得）以及上、下游河段河道演变的横向宽度变化规律，进行分析研究，确定一个较合理的河槽宽度。这对正确确定设计流速有着重要的作用。2.2天然

9、河槽宽度入的经验估算本次搜集的既有铁路桥及公路桥，大部分为顺直型、蜿蜓型河段上的桥梁.少数为分汲型河段上的桥梁。我们用河相关系分析冲积河流的水力要素关系，断面河相关系为：=E（1）式中瓦盘为相应与河漫滩齐平滩唇时河槽宽度（m）与平均水深（m）。该式也为河槽宽度与稳定性指标关系。据统计分析M=2.5属蜿蜒型河段。我们点绘了B/Bc与（其中分别为设计水位下河床宽度、天然河槽宽度、全断面平均水深）相关图，如图3所示，可见有一定规律性，其经验式为：（2）图上有2条带状：当得K=0.80.”=0.82.故乩=1.25（/§/%）-°眨侦23468102030406080100Zb/h

10、图3B/玲/S/H”关未图当B/Be>9,查得K=0.67,”=1.24,故%=l.49(/He)i24.B(b)(b)其检骚见图4,夭然河槽宽度Be与经验计算的河槽宽度有良好的吻合。式(3)、(4)适用于顺直型、蜿蜒型河段，分淫型河段只供参考。3设计流速3.1天然河槽平均流速河道在天然状态时设计水位下通过河槽(含一侧或两侧边滩)的流量(Q.)与其过水断面积(W<)的比值，称为天然河槽平均流速业，可用下列公式计算：谢才(Che'zy)公式：U=C屈T(5)谢才-匣宁(Manning)公式：”=+咫(6)式中：C为谢才系数,C=-H;*:«为曼宁糙率系数；X为河槽平

11、均水深，mN为桥址处所在n河段洪水坡，无洪水资料时可用桥址所在河段的河底纵坡，计算时以小数计C天然河槽过水断面积w一般按矩形河槽计算，即Wc=qHc。天然单式河槽的桥下设计流速采用=叫。对宽滩河流桥下设计流速，有不同的计算方法，目前大致有：采用桥下设第1期朱炳祥等：宽滩河流桥孔设计流速与河槽宽度计算45计流速q大于天然河槽平均流速；有的采用桥下设计流速小于天然河槽平均流速；有的按经验确定C我们认为，采用宽滩河流桥下设计流速大于天然河槽平均流速s将使桥孔偏小，压缩河槽与河漫滩过甚，易发生水害，已为既有铁路桥、公路桥所证实；采用桥下设计流速小于天然河槽平均流速，似有些道理，但未建桥前是个未知数且小

12、于多少？只好试算，必然增加设计工作量；按经验确定，因人而异，大小悬殊。因此，我们采用宽滩河流桥下设计流速等于天然河槽平均流速H的观点。当天然河槽宽度确定后，天然河槽平均流速也就确定了桥下设计流速也就同时确定了。当河漫滩宽广、河漫滩上通过流域校大甚至很大时可采用一河多桥（如河滩分洪桥、洪泛区系列分洪桥等）。F面举例说明合理的河槽宽度对设计流速大小的影响。小河口大桥桥址地处微勇，砂质河床，河底平坦，河槽两侧有不规范堤防。两侧肓广阔平坦的河漫滩，桥址横断面如图5所示。该桥1984年1958年及1975年已做过水文调查及计算，1984年水文计算做了复算，1987年做了补充定测。围5小河口大桥横场面示意

13、图1984年、1987年计算设计流量成果相同，但两年的河槽宽度不同，因而设计流速也不同。1984年水文计算采用河槽宽度不含两侧边滩部分，主槽宽度等于河槽宽度（巨=55m）,以天然主河槽平均流速七二2.26m/s作为设计流速;1987年水文计算采用河槽宽度含两侧边滩部分，同时考虑地质钻探（上部为粘土、下部为石英云母片岩），河槽演变至今，河床日趋稳定，历史演变在覆盖层下形成一老河道，横向宽度稳定（约183m）,综合考虑后采用河槽宽度B（=183m,以天然河槽平均流速叫=1.55m/s作为设计流速。1984年的设计流速比1987年的设计流速大46%,其差别是河槽宽度大小不同引起的。从该桥确定河槽宽度

14、及设计流速可看出：河道演变的历史变化资料对确定河槽宽度有直接关系，也就影响到设计流速的大小，当然影响桥孔孔径的确定。3.2设计流速的检验我们收集了中南、华东地区及华北、东北地区100余座铁路、公路桥梁资料，这些桥梁的桥址处于顺宜、蜿蜒型河段占大多数，少数处于分汶型河段，都经过设计、接近或超设计洪水的考验（扶路桥分别经约1%、1%、1%;公路桥经约2%、1%及一般洪水分别为4%、5%、10%、20%的设计流量和设计水位的考骚）。对水害调查、实测、原设计、修夏设计等资料分析得出；a. 桥下设计流速%等于天然河槽平均流速共，河滩流景Q/占设计流量Q。的4%26%,河漫滩宽度B/与河槽宽度的比值较小（

15、平均为/瓦6）时,可采用一河一桥。如图6所示，铁路、公路桥经上述相应洪水考验，桥梁墩台没有冲歪、冲倒桥头路基、路基没有冲决，没有或基本没有水害，证明这类桥孔大小较合适或基本合适。设计流速%接近等于天然河槽平均流速久，河漫滩流量Q,占设计流信Q,的13%63%,河漫滩宽度与河槽宽度乱之比校大（平均Bz/Bc=20）,湍、刁河洪泛区采用系列分洪桥，沙河桥采用多座分洪桥，经洪水考验，桥梁墩台也没有冲歪或冲倒仅有桥头路基或个别路基点略有冲蚀但不影响行车。新兴大桥，采用河滩分洪桥，见图6。符号；vf/vr1-01.0-1.02QJQ%42613631.026-43一河一版一间.桥.洪泛区分洪侨蛆供水号脸

16、.桥孔合道或拓本合适Q，大.无分洪祥、发生永害16】82.0P圉6vjp关*、困当桥下设计流速巧,等于天然河槽平均流速H,河漫滩流量Qf占设计流量的26%43%,河漫滩宽度B/与河槽宽度-的比值为619时，也可考虑采用一河一桥，但压缩河漫滩过甚，河漫滩流量Q/较大，引起不同程度的水害。宜用一河多桥。b. 桥下设计流速巧;大于天然河槽平均流速q（有的巧.=1.46%）,河漫滩流量Q/占设计流量Qp的27%75%,河漫滩宽度8/与河槽宽度&平均比值为1130,因压缩河漫滩大，桥孔不足，又无河滩分洪桥或跨河滩桥,经一般洪水考验，有的桥墩台被冲毁或冲歪，有的梁掉入河中，有的路基、桥头路基被冲决

17、口,导致桥址上游农田、村舍、工矿、学校等被淹，有的人工堤防被淹、被冲决,中断行车或缓车行驶，见图7OQf/Q%Qf/Q%Q/Q%简况02-14627-75Q.，大，河压大.新孔小.洪水冲.毁雄豪.障倒所台、瘫上田、料金.堤防我洪.中If行车1.01.82.0圉7pJplP关余图（码）第1期朱炳祥等：宽滩河流桥孔设计流速与河棺宽度计算47当桥下设计流速等于天然河槽平均流速业时，宽滩河流布设合适或基本合适桥孔的冲刷系数：对一河多桥、洪泛区系列分洪桥、河漫滩分洪桥、跨河漫滩桥，冲刷系数取1.6；对一河一桥取1.5C从上述设计流速检验分析看，采用一河一桥或一河多桥、跨河滩桥、河漫滩分洪桥，要考虑两个因

18、素：一是河漫滩流量Q.占设计流量Q,的大小，二是河漫滩宽度为与河槽宽度瓦之比的大小。4结语宽滩河流桥孔计算是个复杂的问题c按河道演变的特点，可分顺直型、蜿蜒型、分溟型和游荡型四类河段。本文搜集的资料多为顺真型、蜿蜒型河段，少数为分汉型河段。宽滩河流的桥孔设计，河槽宽度Bc及设计流速叫的合理确定是关键。我们采用天然状态下的河槽（含一侧或两侧边滩）的平均流速为桥下设计流速对顺直型、蜿蜒型宽滩河流的河槽宽度Be可从直观判定与经验估算两方面综合确定°根据搜集的既有铁路桥、公路桥资料的分析，采用桥F设计流速孙等于天然河槽平均流速巳时，宽滩河流采用一河-桥或一河多桥，可从两个方面考虑：a. 通过

19、河漫滩的流量Q/占设计流量Q,的20%及其以内，且河漫滩宽度Q/与河槽宽度乙之比为6及其以内时，宜采用一河一桥；b. 当通过河漫滩流量Q,占设计流量Qp大于20%,旦河漫滩宽度3/与河槽宽度耳之比大于6时，应采用一河多桥，如采用河滩分洪桥、跨河滩桥、洪泛区系列分洪桥等。从河流动力学及河道演变原理，对分汶型尤其对游荡型河段上的稳定河槽进行研究，是宽滩河流桥孔计算的又一个重要课题。参考文妹1 OB安德列也夫著；钱钟裁译侨位设计.北京：人民交通出版社，1955UC罗样布尔格著；吕永欣、戴竞译宽阔河滩的侨位设计北京：人民交通出版社,19553帙道部第三设计院.桥酒水文计算（麻牙版）.北京：人民段道出版

20、社，1964EB包尔达柯夫著；铁道部专家工'作组、唐山铁道学院桥梁教研组合译大河桥渡.北京：人民铁道出版社，19564 EB包尔达柯夫、OB安德列也夫著跨河桥渡.北京：人民交通出版社,1959UC罗杪布尔格、BC法利诺夫、MJI波利亚科夫合著；陆浩、曹瑞章合译桥渡.北京：人民交通出版社，19805 铁道部第三勘测设计院桥渡水文.北京：中国铁道出版社，1993JN布拉德利著；郑华谦译.轿梁河道水力学.北京：人民交通出版社，19806 武汉水利电力学院河流泥沙工程学教研室.河海泥沙工程学（上册）.北京：水利出版社，1981中华人民共和国交通部.公路桥位勘测设计说程（JTJO62-82）.北京：人民交通出版社，1982长沙文通学院学报第12卷CALCULATIONOFDESIGNVELOCITYANDCHANNELWIDTHFORTHEBRIDGEOPENINGOVERTHEFLOODLANDRIVERZhuBingxiangJinRenyiWangYaochuan(FourthSurveyandDwrignInstituteofMOR)ABSTRACTThecalculationforthe