天然河道上桥涵等建筑物壅水计算的一种简化方法

1、天然河道上桥涵等建筑物壅水计算的一种简化方法摘要:采用一种概化方法，对天然河道上桥涵的过流能力和壅水计算进行了探讨。概化计算的原则是，在河道过流流量不变的情况下，同一断面的过水面积和水力半径相同，根据已量算出的过水面积，首先按水力学公式，概化计算出桥涵上游侧的平均水面宽度B，以及桥涵概化的堰顶总净宽b，以确定流量系数m 值，再按堰流计算上下游水位差和壅高。关键词:桥涵; 堰流; 概化; 流量系数中图分类号:TV132 + . 1 文献标识码:B 文章编号:1008-0112(2011)08-0012-03根据水力学原理，当天然河道内水流经过桥墩、涵孔、闸墩等建筑物时，过水断面在平面上收缩，改变

2、了水流的形态，产生了局部水头损失，同时由于过水断面缩小，流速加大，部分动能转化成势能，便形成水面跌落。这些部位的水流符合堰流流态，可按堰流进行桥涵的过流能力和上游水位壅高等水力计算。建在天然河道上的跨河桥涵，一般过流断面为不规则形状，特别是桥涵底部，多为天然河床。因此需要对断面进行概化处理，按水力学要求换算成矩形的断面尺寸，满足宽顶堰流的计算条件。淹没式堰流的基本计算式:式中Q 为过堰流量，m3 /s; b 为堰顶总净宽，m; s为淹没系数，可以查用有关的水力学表格，也可采用水闸设计规范(SL265 2001) 中推荐公式计算; hs为下游水深; H0为包括行近流速水头的堰前水头，m，即;m

3、为流量系数，按桥涵底部与原河床相同、即无底坎宽顶堰考虑，取决于桥上游侧翼墙和桥墩形状、桥孔宽和上游河道宽的比值。m值的计算，可按包括侧收缩系数c的方法确定，由桥涵概化的堰顶总净宽b 和桥上游的平均水面宽度B 的比值来确定; c为侧收缩系数，如果已包含在流量系数m 值内，则不考虑(c = 1) ; 如果按水力学方法单独计算c，则流量系数m = 0. 385。以下对水力计算的有关问题进行初步分析和探讨。1 桥涵上游侧河道的平均水面宽度B根据水力学原理，堰上游平均水面宽度B 及堰顶总净宽b，均应是深度等宽的矩形断面。因此，桥涵上游处的河道断面，以及桥涵水力计算所采用的堰型，均需要概化成矩形断面。对河

4、道断面的概化，应在河道过流流量不变的情况下，按恒定流考虑。对同一断面，如果能够满足过水面积和水力半径相同的条件，则过流能力是相同的。据此，即可将天然河道概化成矩形河道。按本方法概化的天然河道，应符合一定的适用条件，即桥涵所处的上下游河段应基本顺直，河床应为大致“U”形断面。量算出桥涵上游侧河道相应流量水位下的过水面积1和湿周x1，即可计算出水力半径。以上是水力半径的一般计算式，对于分汊型或游荡型的河段，以及河漫滩宽阔的河段，并不适用。概化后的矩形河道的过水断面，存在以下水力学关系式:2h + B = x (2)xR = (3)hB = (4)以上方程式中h 为概化后矩形河道的水深; B 为概化

5、后矩形河道的水面宽; 为概化后矩形河道的过水面积， = 1; x 为概化后矩形河道的湿周; R 为概化后矩形河道的水力半径，R = R1。(2) 式 (4) 式联立求解，可得到概化河道的水面宽和水深:2 堰顶总净宽b、流量系数m 及桥涵过流能力桥涵本身占用或缩减一定的河道过水面积。与河道概化方法相同，可量算出桥涵的过水面积2，由于是无坎宽顶堰形式，堰顶水深可采用上游侧概化的矩形河道的水深h，则桥涵概化的堰顶总净宽。根据计算出的值，以及上游进口翼墙的形式，查水力学有关表格，可得出概化后平底宽顶堰的流量系数m。再根据堰流基本公式(1) ，就可以计算出桥涵的过流能力。计算时应注意，桥涵过流能力必须满

6、足公路桥涵通用规范(JGTD60 2004) 中对桥涵净空的规定，在此不予具体阐述。3 桥涵上游水位壅高计算由堰流基本公式，可以反求出桥涵概化后堰上游的堰前水头:为简化计算，对下游水深hs可按概化后矩形河道的水深h 考虑。通过多次试算，求得不同频率的堰前水深值。上下游水深的差值，即为桥涵上游的水位壅高值h:h = H0 hs (8)4 实例东莞市东引运河下游某位置，计划修建1 座跨河桥梁，设计采用上承式钢筋砼板拱结构，主拱单孔，桥梁全长为55m，桥净跨径为43m。桥梁设计纵断面和河道横断面见图1。该位置河道洪水流量计算成果见表1，不同频率设计洪水流量在100 180m3 /s 之间。图1 东引

7、运河上拟建桥梁设计示意(单位:高程m;长度mm)1) 上游侧河道概化水面宽计算根据实测的河道横断面，用洪水流量所相应的洪水位，可以量算出拟建桥梁上游侧河道的湿周和过水断面面积，从而求出该流量下的水力半径。将此过水面积和水力半径，当做概化河道的过水面积和水力半径，就可用(5) 式和(6) 式，分别求出概化河道的水深和水面宽。计算主要成果参数如表1。表1 拟建桥涵上游侧河道概化主要参数2) 桥梁概化堰顶宽计算将拟建跨河桥梁的设计剖面与河道断面和洪水位结合起来，可以看出桥梁下部结构占用一定的过水面积。以表1 所列的洪水位，量算桥梁本身占用的过水面积，再从表1 所列的过水面积中扣除，余下的面积，可以认

8、为是桥梁概化为宽顶堰流后，堰身的过水面积。以此来计算概化的堰顶总净宽b。桥身占用的过水面积，根据桥身在水面下轮廓尺寸求得。3) 概化宽顶堰流量系数计算根据本桥设计特点，桥墩立柱和拱跨立于水中，桥身和上下游河道没有连接段翼墙，因此可以认为概化后宽顶堰与河道为直角型翼墙连接，根据值，查有关的水力计算手册，可得出本桥概化后的平底宽顶堰的流量系数m，计算成果见表2、表3。表2 拟建桥梁概化堰顶总净宽计算表3 桥梁概化宽顶堰流量系数注: 表中流量系数已包含侧收缩系数的计算。4) 桥梁上游水位壅高计算及对防洪的影响采用(7) 式计算桥梁概化后堰上游的堰前水头。为简化计算，下游水深hs按概化后矩形河道的水深

9、h 考虑(见表1 或表2) ，堰前水深H = H0。通过试算，求得堰前水深值。采用(8) 式计算桥上游的水位壅高值h，见表4。从表4 水位壅高值可以看出，拟建桥梁的建设，对东引运河水位影响很小。遭遇50a一遇(P = 2%) 洪水时，桥上游水位壅高1. 1cm; 遭遇5a一遇(P = 20%) 洪水时，桥上游水位壅高仅为4mm。表4 桥梁对上游水位壅高值计算5 结语本文根据桥涵水力学基本原理，提出了一种符合堰流流态的壅水计算方法。在过水面积和水力半径均相同的情况下，概化计算桥涵上游侧的平均水面宽度，以及桥涵概化的堰顶总净宽，以确定流量系数并计算上下游水位差和建筑物壅水高度。通过实例的具体运用，验证了这种方法的适用性和简便性，也证明这种思路是正确的。本方法在使用时，应符合一定的条件，即桥涵所处的上下游河段应基本顺直，河床稳定并大致为“U”形断面。对于分汊型或游荡型的河段，以及河漫滩宽阔的河段，并不适用。相应于河工模型试验