论河流与桥渡的相互影响

1、论河流与桥渡的相互影响土木建筑工程学院关键词 洪水大小 河型 河床演变 壅水主流迁移摘要笔者通过阐述河流和桥渡的相互影响关系，介绍了河流对桥渡影响的三个房 方面，并引用一些实例。之后关于将渡对河流的影响展开了论述，详细介绍了有 关桥渡结构对河流影响的研究和观点。最后，就如何在实际设计施工中注意二者 的相互影响发表了自己的看法。1 .河流对桥渡的影响1.1指定频率的洪水的大小对桥渡的影响首先，洪水具有随机性，我们只能根据各个年份的洪水的发展变化规律来预 测洪水的发生和大小。经过相关的计算和分析，确定了设计洪水的大小后，就可 以根据设计洪水的大小和发生情况来决定桥渡的建设要求。设计洪水是指为防洪

2、等工程设计而拟定的、符合指定防洪设计标准的、当地可能出现的洪水。即防洪 规划和防洪工程预计设防的最大洪水。设计洪水的内容包括设计洪峰、不同时段 的设计洪量、设计洪水过程线、设计洪水的地区组成和分期设计洪水等。可根据 工程特点和设计要求计算其全部或部分内容。防洪设计标准指防洪工程抗御洪水能力的规定限度。防洪水工建筑物设计时，选用过于大的洪水作为设 计依据，虽然安全，但不经济；若选择的洪水偏小，投资虽然减少，但不 安全或达不到预期的防洪要求。因此，需权衡安全和经济两个方面，为工 程的防洪能力规定一个恰当的限度，即防洪设计标准。符合此标准的洪水1 / 8即为设计洪水。防洪设计标准一般用洪水出现的概率

3、或重现期表示。个别 工程和有些地区的防洪规划，也有以防御某次大洪水作为防洪设计标准的。 通常分为正常运用设计标准（简称设计标准）和非常运用设计标准（简称 校核标准）两种。当洪水超过正常运用设计标准时，工程的正常运用将遭 到破坏；当洪水超过非常运用设计标准时，工程的安全将受到威胁。不同 规模和不同重要性的工程分别采用不同的防洪设计标准。中华人民共和国 于1978年颁布了水利水电枢纽工程等级划分及设计标准（山区、丘陵 区部分）（SDJ12-78）（试行），对于特别重要的工程，在上述文件中规定 以可能最大洪水作为校核标准。比如利用暴雨计算设计洪水：暴雨：12小时降雨量达到30毫米或者24小时降雨量达

4、到50毫米时称为暴雨。每小时以内的降 雨量达到20毫米也称为暴雨。设计暴雨的计算公式：设计点雨量计算公式：Htp=KpHt式中：Ktp设计点雨量；Kp皮尔逊曲线值；Ht最大雨量均值；t欲求时间；）设计面雨量计算公式：Ht W=atHt（式中：Ht面设计面雨量；at暴雨线性系数；Ht设计历时点雨量；at、bt暴 雨线性拟合系数；）暴雨系数计算公式：at=（式中：at、bt线性拟合参数；F流域面积；）多年平均径流量计算公式：Wp=1000yF（式中：Wp多年平均径流量；y多年平均径流深；F流域面积；）设计频率年径流深计算公式：yp=yKp（式中：y多年平均径流深；Kp频率模比系数；）多年平均年径流

5、系数计算公式：a=y/x =W/1000Fx（式中：a多年平均年径流系数；y年径流深；x多年平均降雨量；）其次，河流在年内会有一定的变化幅度，即枯季和汛期。了解枯季和汛期的 发展变化规律是进行桥渡设计必不可少的一个环节，因为枯季和汛期的洪水情况 会有很大的差别，忽略任何一种情况都会造成很大的影响。比如珠江流域，2002 年汛期（49月），珠江流域总降水量与常年相比偏多13成，其中流域东部、 西部降雨比较少，中部、海南岛及沿海地区降水比较多。降水主要集中在68 月份，约占汛期降水的75%。影响或登陆珠江流域的热带风暴共4个，比2001 年明显偏少（9个），比多年平均个数略少（5个），风暴强度及影

6、响范围比较 小。最后，不同的年份，洪峰的大小也不一样。这就要根据往年的资料对该处的 河流的洪水情况进行整体的分析，资料的年份越多，可参考性也就越大。1.2河流的河型对桥渡的影响河型是指综合反映河流形态和运动特征的河流类型。早期主要根据形态，将 其分为顺直、蜿蜒和分汊3种类型。后又逐渐考虑其运动特征，目前有关河型的 分类有10余种。不同的河型反映了冲积河流自动调整作用。在一定的流域来水 来沙条件下，就某一河段而言，因上游来沙量的变化，使该河段的泥沙量与水流 输沙力不相适应，纵向输沙平衡遭到破坏，必然引起河床的纵向变形；同样，输 沙平衡在横向上遭到破坏，会引起河床横断面的变化，河流发生平面的移动。

7、纵、 横向变形的结果，表现出不同的河床类型。天然出现的各种河型，不论是顺直的、 弯曲的、还是网状（分汊）的，均反映河流所在流域的性质，均是内外营力共同 作用的结果，均代表流域的水文状况和地理环境间的平衡。而河型的转化是在一 个长河段、长时期内才能完成的复杂的内部调整过程，最终表现为流域的水文状 况和地理环境间平衡的破坏。河流的河型分为好多种，每一种对桥渡都有不同的影响。大概可以分为顺直 型、弯曲型和游荡型。顺直型是指平面形态较顺直的单一性河道，弯曲系数一般 V1.2。长度一般不大，多出现于分布有抗冲性很强的物质，或受构造控制的地 段。其主流流路仍是弯曲的，两岸出现犬牙交错的边滩，在纵向上表现为

8、深槽与 浅滩互相交替，即在主流的弯顶处出现深槽，两个深槽间的过渡段出现浅滩。在 演变特征上，沙质河床中边滩会逐渐向下游移动，故导致河床发生周期性展宽。 卵石河流的边滩较为稳定。顺直型河道中存在着明显的泥沙分选现象，粗颗粒都 聚集在浅滩上，深槽的组成物质一般较细。在浅滩段还存在着垂直方向上的泥沙 分选，即最粗的颗粒聚集在表层，向深处逐渐变细，这是因在水流的剪切作用下， 床面各层物质间存在向上的离散力之故。关于顺直型河道成因的一种解释是杨志 达提出的最小能耗率理论。河流为达到当地条件下许可的能耗最小值，可选择增 加河宽或减小比降的方式来进行调整。若河岸抗冲性很强，不易发生侧蚀，不仅 展宽难以发生，

9、且通过侧蚀向弯曲发展以增加河长、减缓比降也不可能，此时通 过直接下切来减小比降即成为唯一可能的选择，故出现顺直而窄深的河床形态。 弯曲型河型又称曲流型、自由曲流或蜿曲。发育于松散冲积物中的平面形态较弯 曲的河道。利奥波德(L. B. Leopold)认为其弯曲系数(即河床长度与河谷长 度的比值)应1.5，河弯对称。中国长江的下荆江段、渭河、南运河、汉江下 游等均为著名的蜿蜒型河道。蜿蜓型河道横断面窄深，床沙质来量少，河床边界 物质的抗冲性适中，洪峰变差系数及流量变幅均小。河道中存在水面横比降和横 向环流，由此产生泥沙的横向输移作用，使凹岸遭受侵蚀、凸岸边滩不断淤长， 整个河弯不断向侧方和下游方

10、向蠕移，弯曲系数不断增大。以致发生裁弯取直， 原有弯道被废弃为牛轭湖，从而完成河湾发育的一个周期。此后继续按此循环。19世纪末期以来，关于弯曲河型成因的假说已有数十种，可概括为4类，即分 别从能量消耗及能量分配应满足的规律、顺直水流的不稳定性、边界条件的不均 匀性对水流直线运动的破坏，以及河床和河岸相对可动性的对比等观点来解释曲 流的成因。一般认为，弯曲型河道较稳定，航道整治工程中往往按弯道的要求来 确定整治线。游荡型河型是指平面上水流散乱呈辫状，心滩密布，变动不定的河 道。以中国河南省境内的黄河下游段及永定河下游等河段为典型。河道的弯曲系 数仅略1，整体形态较顺直。横断面十分宽浅，水流散乱，

11、主槽摆动幅度和摆 动速度均很大，河势变化剧烈。游荡型河流大都处于强烈淤积状态，故河床不断 抬高。与同流量的其它河流相比，其比降较大，来水来沙状况常表现为流量变幅 大，洪峰暴涨暴落，含沙量大，流域来沙较粗及床沙质来量较大。由于滩槽高差 较小，河床边界物质抗冲性弱，河床对水流的约束性很差。这些都利于游荡型河 道的形成。中国学者钱宁曾对游荡河流形成的来水、来沙及边界条件进行了定量 表达，建立了游荡指标，用以判别游荡性与非游荡性河流。游荡型河流的挟沙能 力具有多来多排的特点，即上游来水中泥沙含量较大时，沿程各河段的挟沙能力将会因自动调整而增大。在各河型中，游荡河型最不稳定，这不仅因纵向冲淤幅 度大，且

12、横向摆动强烈，以至迁徙改道。因游荡型河道多为地上河，防洪方面压 力很大，并造成沿河地区的内涝和盐渍化。河型的不同对于桥渡的影响主要是由于不同河型的演变规律不同，这个原因 导致它们对桥渡的影响分别不同。1.3河床演变的幅度和速度对桥渡的影响自然界的河流无时不刻都处在发展变化过程之中，在河道修建各类工程之 后，收到建筑物的干扰，河床变化将人为加剧。由于山区河流的发展演变过程时 分缓慢，因此，通常说的河流演变，一般是指近代冲击性平原河流的河床演变。图一图二河流是水流与河床相互作用的产物。水流与河床，二者相互制约，互为因果。 水流作用于河床，使河床发生变化；河床反作用于水流，响水流的特性。由因生 果，

13、倒果为因，循环往复，变化无穷，这就是河床演变。图一为河床的横向变形， 图二为河床的纵向变形。图一图二水流与河床之间相互作用的纽带-泥沙运动。泥沙有时因水流运动强度减 弱而为河床的组成部分，有时又因水流运动强度的增强而成为水流的组成部分。 换句话说，河床的淤积抬高或冲刷降低，是通过泥沙运动来达到和体现的。因此， 研究河床演变的核心问题，归根结底，还是关于泥沙运动的基本规律问题。在实际中，通过多种指标之间的对比分析与研究可以在某种程度上减少结果 的不确定性，这也是目前地学界进行研究所采用的方法。同时，将环境替代指标 所反映的古环境演变信息与考古资料相结合，进行相互印证，也避免了单一指标 在反映古环

14、境演变方面的不确定性和片面性。只有科学地研究河床的基本演变规 律才能更好地进行桥渡设计。2.桥渡对河流的影响2.1束窄过流断面，上游产生壅水，甚至洪水漫滩、改道壅水指因水流受阻而产生的水位升高现象。如在河流中建造闸、坝或桥墩， 或有冰凌阻塞时，均能引起壅水。又如两河流汇合相通，一河盛涨时，则在另一 河中也会引起壅水。在桥渡设计中，冲刷计算、孔径计算、导治建筑物布置以及 综合方案的比较等都是以桥梁水力计算为工作基础的，而桥梁水力计算，除天然 水流与自然河床外，总是以桥墩壅水计算作为主要内容，这是因为由于桥孔约束 水流，使桥下流速增大，从而靠近泛滥边界一段河滩路堤上游水面壅高，下游水 面降低，横跨

15、路堤形成较大的水面高差，在洪水期间将会威胁路堤的安全，而且 桥墩上游水面的壅高也对河岸路堤的修筑高度和桥梁的桥下净空等要求等都有 关键的影响，因此桥墩壅水计算有着非常大的实际意义。2.2阻挡水流，产生河床纵向变形墩台阻挡水流，使局部水流集中，动力增大，引起河床局部冲刷，即纵向变 形。边滩不断展宽、加高、增长，形成雏形河漫滩。雏形河漫滩在平水期和枯水 期有植物生长，洪水期有悬移质泥沙沉积，逐渐成为河漫滩。河漫滩近岸区或江 心洲沿岸区，洪水漫溢后，水深突然减小，加之河岸和洲岸的阻力，流速减小， 泥沙沉积下来，形成与岸平行出露水面的堤状堆积体，称为河岸沙堤。由于凹岸 的后退通常不是连续进行的，河道在

16、发育过程中会在凸岸形成一组微高的孤状带 形堆积体，称为滨河床沙坝。沙坝与沙坝之间成为狭长的局部洼地。这一系列滨 河沙堤与坝间洼地组合而成的扇状沉积体，称为河漫滩鬃岗地形或迂回扇。弯道 河床的自然裁弯形成废弃河道。废弃河道的上、下口门被淤死，成为牛轭湖。在 平原河流下游，洪水期大量悬浮物质随河水溢出，并很快沉积，形成高出附近地 面、沿河床两侧堆积成向外微倾斜的长堤，称为天然堤。此外，沙质河床在水流 的作用下，表面形成不同类型的微起伏地形：沙纹、沙波等。2.3河道主流迁移墩台强迫水流改变方向，导致河道主流迁移，主河槽左右摆动，严重 影响河流的稳定性，造成不良的后果。3.如何根据河流和桥渡的相互作用关系做好桥渡设计三个方面水力学河流动力学洪水要素（流量、水位）计设计 计算水力要素河流稳定性计算（流量、水位）（流速、壅水）（桥墩、台冲刷）如上图所示，桥渡设计的基本思路大概如此，即利用工程水文学、水力学和 河流动力学的相关知识，根据该河流的水文资料和水力因素来确定孔径和桥位等 桥渡设计过程中的主要因素，但是与此同时，也要考虑建设后桥渡对河流的影响， 即考虑河流的稳定性，使规划建设后的桥渡不对原来的水文环境太大的不良影 响。所以，只有综合考虑河流和桥渡之间的相互关系