高速公路小桥涵水文计算方法研究

叶 潘

（中咨盛裕交通设计研究有限公司，北京 100048）

0 引言

为缓解高速公路小桥涵水毁灾害的影响，需要进行大量关于水文灾害的调查和研究工作，同时发挥桥涵水文计算的重要作用[1-2]。准确实施小桥涵的水文计算最关键的目的是更好地防御山洪并降低其带来的各方面损失，并积极推进桥涵在高速公路运行过程中的促进作用。本文在大量丰富有效的计算模式和方法的基础上，针对高速公路小桥涵水文计算方法进行阐述和研究，以期在多种因素共同影响和作用下都能保证小桥涵的安全稳定，维持高速公路良好的运行状态。

1 获取小桥涵表面高度及桥涵洞长度

高速公路中小桥涵的比例大致占30%，是非常重要的构成部分[3]。小桥涵需要较长的设计周期，且施工成本较高，因此小桥涵的高度、孔洞的长度及位置在设计及施工中都有较严格的要求。在高速公路小桥涵水文计算的过程中，获取小桥涵表面高度及桥涵洞长度是不可缺少的步骤。水位G0的数值可以通过下式计算得出：

式中：Gmax——水位最高数值；

Δgs——小桥涵上部设施的高度。

高速公路小桥涵孔洞长度也受区域地形及自然地质条件等其他因素的影响，在计算过程中应根据具体情况，因地制宜，作出相对应的计算过程。高速公路中的小桥涵有多种类型，彼此间差异较大，因此在计算时很难有完全统一的方法和公式，为获取小桥涵表面高度及桥涵洞长度的数值，要综合各类因素的影响结果，充分结合区域实际情况，利用积累的经验和研究成果，随时对小桥涵水文计算的方法进行调整。

2 确定冲刷影响

由于高速公路小桥涵工程要承受山区河流及洪水等水文地质灾害的冲刷和冲击，因此根据规定，小桥涵最佳的施工位置应该选取在平顺形直的河段，水流稳定且河段偏窄，或是河槽及河滩较为明显的地段。为了计算小桥涵水文计算方法中冲刷影响的部分，可以假定不同的冲刷过程各自独立进行，再将计算结果结合，可以得到最大的冲刷效果，即小桥涵能够承受的最大的冲刷力，基本计算公式如下：

式中：P——在一般冲刷过程后小桥涵所处河段的最大水深；

k——河段总体的流量系数；

T1与T0——分别代表小桥涵所处河段可通过的最大流量数值和河段总体可承受的最大流量数值；

α——河段水流向小桥涵工程所施加的压力系数；

h——小桥涵所在河段宽度；

R——河段的整体宽度。

此外，环境对小桥涵的冲刷过程还包括局部冲刷，在计算局部冲刷时，要着重考虑泥沙在冲刷过程中的作用，可以通过以下公式进行计算：

式中：hj——小桥涵基底受局部冲刷的深度；

x——河段泥沙系数；

W1——小桥涵的实际宽度；

S和S0——分别表示小桥涵所在河段的泥沙流速和河段整体的平均泥沙流速。

3 计算高速公路小桥涵在环境中的受力

高速公路的小桥涵工程地处多样的自然环境和地质环境中，每处河段及河槽河滩的地形也大不相同，因此获取小桥涵在各自环境中所受的压力也是小桥涵水文计算中的重要部分[4-5]。由于对小桥涵安全及稳定产生主要影响的自然地质灾害为洪水灾害，因此着重计算洪水灾害发生时多种因素对小桥涵的压力影响，例如洪灾中强大水流对小桥涵产生的上托力，漂浮于洪水中的颗粒物带来的冲击力以及周围滑坡产生的压力等等，可根据以下公式计算：

式中：F——小桥涵受水流作用力的总和；

r——洪灾期间的水力半径；

Δh——通过小桥涵的水流平均流速；

s——小桥涵定点的瞬时流速；

k——总体的河流系数。

高速公路小桥涵在环境中的受力与其影响因素呈正向相关关系，由此可以推出结论，当小桥涵所处区域发生洪水灾害时，河段的水位产生剧烈的变化，通过小桥涵的水流速度急速上升，并同时携带大量漂浮颗粒物，对小桥涵工程产生巨大的作用力，因此在高速公路小桥涵水文计算工作中，要充分考虑洪灾等自然地质灾害对小桥涵工程产生的强大作用力，从而让水文计算的结果更加准确可靠。

4 计算区域洪水流量

在计算区域洪水流量前，可根据当前的洪水流量记录资料对区域的洪水流量历史数据进行推算，作为区域洪水流量计算中的一个重要参考。历史洪水流量的推算应首先实地考察历史洪灾留下的痕迹以及小桥涵所处河段的地形等因素，再通过如下公式对历史洪水流量进行计算：

式中：A——需要计算的历史洪水流量；

n——小桥涵所在河段历史流速平均系数；

r——河段水力半径；

M——小桥涵所在河段的比降值。

由此可以计算出小桥涵所在河段区域历史上的洪水流量，为当前小桥涵水文计算提供参考依据。其中，[r]作为河段水力半径，是计算历史洪水流量过程中非常重要的参数。水力半径通过数值来表现桥涵工程的过水量，即工程对水流产生的影响。r的数值越大，小桥涵能承受的过水水流量越大，过水能力越强，因此在计算过程中，水力半径的数值是衡量小桥涵承载能力的一个重要指标。

历史洪水流量的数值与发生频率间有非常紧密的关系，根据目前已有资料总结出两者间的关系趋势及走向，具体如图1所示。

图1 2018-2020洪水流量与频率的关系走向

从图1中曲线可知，由于我国洪灾防治措施的进步，洪量大的洪灾发生频率逐渐降低，发生频率高的洪灾流量也呈下降趋势，洪水流量与频率间大致呈反向关系。在获取了历史洪水流量参数后，再根据区域河流面积及河段平均比降值等其他影响因素，按下列公式计算小桥涵所在区域的洪水流量：

式中：FA——小桥涵所在区域的平均洪峰流量；

I——河道系数；

Jd——计算区域一天内最大的降雨值；

Z——小桥涵所在区域的流域面积；

M0——河段整体的比降平均值。

根据上述公式，可以对高速公路小桥涵水文计算中的洪水流量部分进行计算，作为整体水文计算的重要参考。

5 应用测试

5.1 准备工作

为了检测高速公路小桥涵水文计算方法的反馈效果，利用上述计算方式和过程，选定某区域A内几个特定的小桥涵工程地点，进行水文计算，并对计算方法的测试结果进行收集、归纳和总结。首先在选定区域内选择5个小桥涵工程定位点，统计其过去一年内4个季度分别的降雨量，作为小桥涵水文计算测试工作中的重要参数，具体如表1所示。

表1 选定区域内四季度降雨量统计表

根据表1中数据可知，此选定区域内暴雨季节稳定在第二季度与第三季度之间，在进行高速公路小桥涵水文计算时要将降雨量纳入考量，其中设定z为小桥涵水文计算测试中的差量参数，以此来衡量计算结果的误差大小，z越趋近于0，代表小桥涵水文计算的误差越小，准确性越高。

5.2 高速公路小桥涵水文计算方法测试反馈结果

对小桥涵水文计算方法的测试阶段将区域A作为选定区域，对区域内的两处小桥涵定点进行水文计算方法测试，并将传统计算方法的测试记录作为对照组进行对比，抽取其中10组测试数据，表2为此阶段测试结果。

表2 区域A5处小桥涵水文计算测试结果统计表

由表2对比数据结果可知，实验组1和实验组2差量参数的平均值分别为0.71和0.49；对照组1和对照组2差量参数的平均值为1.86和1.66，观察这些数据可以发现，本文研究的方法相比传统方法，差量参数分别减少了1.15和1.17。

6 结束语

此次研究在明确高速公路小桥涵水文计算的重要性及过程中存在的难度和问题后，针对性地提出了小桥涵水文计算的方法和步骤，为今后改善水文计算工作提供了新的发展。但根据文中阐述的方法过程可以发现，水文计算方法中自然环境的不确定因素较多，很难得到精确的数据，会对整体的水文计算结果产生影响。今后可以增强对高速公路小桥涵所在地区自然环境的实时监控，尽量多获取环境中影响因素的数据，将高速公路小桥涵水文计算的结果误差控制在合理范围内，成为未来小桥涵工程建设的重要依据。