桥梁对河流阻水影响的一个综合判别指标

李彬

(中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222)



桥梁对河流阻水影响的一个综合判别指标

李彬

(中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222)

针对桥梁对河流的阻水影响问题，基于河流能量观点提出了考虑河流能量与桥梁阻水比双因素的综合判别指标η，应用其讨论了山区河流和平原区河流修建桥梁对河流的阻水影响。结果表明：综合判别指标η可以有效地区分相同桥墩布置形式桥梁对不同类型河流的阻水影响；综合判别指标η可以指导桥墩在河流中的合理布置，有效减小桥梁对河流的阻水影响，与桥梁阻水比、单宽流量等指标在指导桥墩合理布置方面起到相同效果。该研究成果在一定程度上弥补了一般桥梁阻水比指标的不足。

桥梁工程;阻水比;弗劳德数;河流能量;防洪影响

在分析桥梁对河流的阻水影响时，阻水比指标常作为控制性参数，控制桥梁工程中桥墩的布置形式及规模，降低桥梁对河流的阻水影响。文献[1]中阻水比的定义为:在设计洪水位下，建设项目阻水结构在工程断面垂直于洪水流向上的投影面积与工程建设前同一过水断面过流面积的比率(用百分数形式表示)。阻水比fB越大，表明桥梁对河流的阻水影响越大；反之，则越小。文献[1]中明确规定：“在最大壅水高度满足规定要求的前提下，跨越1、2级堤防桥梁的阻水比不宜超过7%，跨越3级及以下堤防以及无堤防河道的桥梁的阻水比不宜超过8%。”这个限制阻水比参数的规定过于笼统，对河流自身因素欠考虑。对于既定河流，桥梁对河流的阻水影响与阻水比成正比。而对于不同河流，同样阻水比的桥梁对河流的阻水影响是不同的。例如，对于山区河流和平原区河流，相同阻水比的桥梁对两类河流的阻水影响不同。因此，笔者提出了一个综合考虑河流自身能量与桥梁阻水比双因素的综合判别指标η,并且在修建桥梁的概化复式断面河流中，对其进行了验证及讨论。

1 综合判别指标的推导

图1给出了桥梁与河流的平面关系，桥梁对河流的阻水影响主要取决于以下两方面因素。

1)河流方面：流速v、水面宽度B、水深h、重力加速度g；

2)桥梁方面：桥墩迎水流方向的宽度b、桥墩顺水流方向的长度l、桥墩轴线与水流方向的夹角α、桥梁轴线法线方向与水流方向的夹角θ、河道中桥墩的数量N。

图1 桥梁与河流的平面关系示意

桥梁对河流阻水影响的各因素关系可表示为：

η=kf(v,B,h,g,b,l,α,N)，

(1)

η′=f(v,B,h,g,b,l,α,N)。

(2)

式中：η、η′为无量纲数；k为与墩型和θ等有关的系数。

根据桥梁阻水比的定义，参考文献[2]给出的桥墩阻水宽度的计算方法，桥墩阻水宽度L′=F1(b,l,α),则桥梁阻水宽度L=F2(b,l,α,N)。所以式(2)可以转化为：

η′=G(v,B,h,g,L)。

(3)

根据π定理[3-4]，选择η′,v,g3个参数为基本量，式(3)可以转化为：

(4)

因为式(4)等号两端量纲和谐，量纲为1。可以求得x1=-2，y1=1；x2=-2，y2=1；x3=-2，y3=1。由此，式(4)可以转化为：

(5)

因为h和B是河流方面的因素，L是桥梁方面的因素，所以π3=φ(π1,π2)。假设π3=π1π2，则式(3)可以转化为：

(6)

当η′≠0时，求解可得：

(7)

因为，当水流静止，即Fr=0时,或河流中无桥梁，即fB=0时，均使η′=0，式(7)满足条件。因此，式(7)是求解η′的表达式。于是，式(1)等价于：

η=kFr2fB。

(8)

式中：η为综合判别指标，%；fB为桥梁阻水比，%，只取百分号前的数值代入公式进行计算；Fr为弗劳德数；k为与墩型和θ等有关的系数。

桥梁阻水比fB可参照文献[1]和文献[2]的有关规定和计算方法求得。弗劳德数Fr的计算公式为[3]：

(9)

因为系数k与墩型和θ等有关，所以可以构造系数k的表达式为：

(10)

式中：k为综合判别指数系数;SL为河道中所有桥墩以各自桥墩阻水宽度L′为直径的圆的面积和，m2;Sq为河道中所有桥墩的横截面积和，m2；k3为文献[2]中的墩型系数；θ为桥梁轴线法线方向与水流方向的夹角,0°≤θ≤25°[2]，对于θ>25°的情况暂不讨论，计算单墩时，θ=0°。图2给出了几种桥墩的横截面图,计算单墩时，将单墩的SL和Sq代入式(10)即可。

图2 几种桥墩的横截面示意图

因为Fr表示过水断面单位重量液体平均动能与平均势能之比的二倍开平方[3]，所以指标η是考虑河流自身能量、能够反映桥梁对河流阻水影响的一个综合判别指标。此时，可将式(8)中的Fr2替换为Fr2/2来求解η，本文暂不改动。

2 综合判别指标的验证及讨论

2.1 概化河道构造

构造复式断面河道，河道水流方向为垂直纸面向里，纸面左侧为河道左岸，纸面右侧为河道右岸。概化河道的横断面形式如图3所示，主要参数见表1，其中边坡mⅠ的坡度为1.5，边坡mⅡ的坡度为2.0，边坡mⅢ的坡度为1.5。

图3 概化河道的横断面图

桥墩布置位置水面宽度B/m底宽b/m水深h/m左滩地28．0023．503．00主槽40．0030．006．50右滩地32．0024．505．00

2.2 桥梁的构造

构造桥梁的桥墩为圆型，桥梁轴线与水流方向垂直。工况1和工况2的桥墩形式相同，桥梁跨度L为25 m，桥墩直径为1.50 m，二者的主要区别是桥梁穿越不同河流。工况3、工况4和工况5的桥墩形式相同，桥梁跨度L为50 m，桥墩直径为3.00 m，三者的主要区别是桥墩的位置不同。其中，工况3，左滩地、主槽有桥墩，右滩地无桥墩；工况4，左滩地无桥墩，主槽、右滩地有桥墩；工况5，左、右滩地有桥墩，主槽无桥墩。构造桥墩时，忽略了混凝土、配筋等因素对桥墩尺寸的影响。不同工况的桥墩布置形式如图3所示，其参数见表2。

表2 构造桥梁的主要参数

2.3 河流类型构造

概化河道通过不同的河道比降s和糙率n反映该河道为山区河道或平原区河道。山区河道的比降s多大于平原区河道的，一般情况下平原区河道水面的比降s较小，多在(1～10)×10-4以下[5]；一般情况下山区河道的河床糙率n大于平原区河道的，糙率n可以根据河流渠槽类型及状况并参考文献[3]中有关数据进行确定。通过s和n取不同数值分别构造出山区河流和平原区河流的模型，具体指标见表3。其中工况2为山区河流，其余工况为平原区河流。

表3 水力要素及综合判别指标η统计

2.4 验证及讨论

因为桥墩是圆型，且桥梁轴线与水流方向垂直，即θ=0°，所以k=1.0。式(8)可简化为：

η=Fr2fB。

(11)

根据文献[3]中明渠均匀流计算方法及式(11)得到表3中的数据。由表3得到如下结果:

1)分析工况1和工况2可知：相同桥墩布置形式的桥梁，山区河流与平原区河流的fB相同，无法根据fB单一指标判别桥梁对不同类型河流的阻水影响，需要借助其他指标综合分析，如水位壅高值等；山区河流的η值明显大于平原区河流的η值，且桥梁对河流的阻水影响越大相应的η值也越大，可以根据η值区分相同桥墩布置形式的桥梁对不同类型河流的阻水影响。

2)分析工况1、工况3、工况4和工况5可知：河道不同区域的行洪能力不同，换言之，河道不同区域对河道全断面行洪能力的贡献或权重不同。因此，相同规模的桥墩对河道不同区域的阻水影响不同。对于同一条河流，fB和η均可以指导桥梁合理选择桥墩位置及桥墩规模。在分析桥梁对河流的阻水影响时，应充分考虑主槽、滩地的区别，或根据河道形态分析河道的主、次要行洪通道[6-9]，分别计算相应区域的fB和η及河道全断面的fB和η，综合分析、评价桥梁对河流的阻水影响。桥墩布置一般需遵循以下原则：桥墩尽量位于河道单宽过流量较少的区域，使河道全断面的fB和η指标尽可能小。

3)综上分析，综合判别指标η不仅可以有效地区分相同桥墩布置形式的桥梁对不同类型河流的阻水影响，还可以指导桥梁在不同类型河流上合理选择桥墩位置及桥墩规模。

3 结语

文中提出的综合判别指标η可以有效地区分相同桥墩布置形式的桥梁对不同类型河流的阻水影响，在一定程度上弥补了桥梁阻水比fB指标的不足；对于同一条河流，综合判别指标η可以区分河道不同区域修建桥墩时对河流的阻水影响，指导桥梁合理选择桥墩位置及桥墩规模，与桥梁阻水比fB、单宽流量q等指标在此方面的作用有相同的效果；在进行桥梁对河流的阻水影响分析时，需对桥址处河道分区域计算fB和η，结合河道全断面的fB和η进行分析。同时，还需分析桥梁对河流阻水影响的其他控制性指标，以便综合分析、评价桥梁对河流的阻水影响。

鉴于本次分析的桥梁是桥梁轴线与水流方向垂直的单线桥梁，且桥墩的墩型较为简单。因此，系数k有待于进一步研究，并且可以通过对系数k的研究使综合判别指标η在双线、多线桥梁对河流的阻水影响和规划河流及流域桥梁建设密度方面得到应用。

[1]广东省水利水电科学研究院.河道管理范围内建设项目技术规程：DB44/T 1661—2015[S].广州:广东省质量技术监督局,2015.

[2]铁道部第三勘察设计院.铁路工程设计技术手册：桥渡水文[M].北京:中国铁道出版社,1999.

[3]吴持恭.水力学[M].3版.北京:高等教育出版社,2003.

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[5]谢鉴衡.河床演变及整治[M].2版.北京:中国水利水电出版社,2002.

[6]王剑楠,李彬,郑国栋,等.内河挖入式港池洪水演进数值模拟[J].人民黄河,2015,37(8):43-47.

[7]李彬,郑国栋,庄佳,等.侵占滩涂对“葫芦”河段的行洪影响[J].水利水电技术,2015,46(12):118-123.

[8]何用,何贞俊,徐峰俊,等.珠江河口大型涉水工程方案优化研究：以港珠澳大桥工程为例[J].泥沙研究,2015(3):69-73.

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(责任编辑：杜明侠)

A Comprehensive Discriminant Index of Water-blocking Influence from Bridge to River

LI Bin

(China Water Resources Beifang Investigation, Design and Research Co. Ltd., Tianjin 300222, China)

According to water-blocking impact of the bridge to the river, a comprehensive discriminant indexηconsidering river energy and bridge water-blocking ratio is put forward based on river energy point, and the impact of building the bridge on the mountain andplain rivers on river water-blocking is discussed. The results show that the comprehensive discriminant indexηcan effectively distinguish the water-blocking impact of the bridge with same pier layout on the different types of rivers. The comprehensive discriminant indexηcan guide the rational arrangement of piers in rivers,effectively reduce the impact of the bridge on the river’s water blocking, and play the same effect with bridge water blocking ratio, single-wide flow rate and other indicators in a reasonable arrangement of guide piers. Research results can make up for the lack of the indicator of bridge water-blocking ratio to a certain extent.

bridge engineering; water-blocking ratio; Froude number; river energy; the impact of flood control

2016-05-27

李彬(1985—)，男，黑龙江富锦人，工程师，硕士，从事河流模拟、河流环境、水利规划设计等方面的研究。E-mail：libin33333@126.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.02.013

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1002-5634(2017)02-0068-04