橋梁防洪評價壅水計算方法淺析

李江海

（呂梁市橫泉水庫建設管理局，山西 呂梁市 033000）

1 問題的提出

根據《中華人民共和國防洪法》等有關規(guī)定，跨河道修建橋梁等建筑物時，應就洪水對建設項目可能產生的影響和建設項目對防洪可能產生的影響作出評價，編制防洪評價報告，提出防御措施。按照《河道管理規(guī)范內建設項目防洪評價報告編制導則（試行）》，防洪評價報告包括六大內容，其中作為防洪評價報告重要組成部分的防洪評價計算，主要包括水文分析計算、壅水分析計算、沖刷和淤積分析計算、河勢影響分析計算等內容。根據目前山西省編制的防洪評價報告來看，大部分防洪評價計算都有較成熟和統(tǒng)一的計算方法，但橋梁的壅水分析計算方法種類繁多，計算結果差距較大，因此有必要提出較為合理的壅水計算方法。常用的壅水計算公式主要有水面曲線公式、無底坎寬頂堰公式和公路橋涵設計手冊《橋位設計》中的兩個壅水計算公式，下面著重分析上述四種方法的優(yōu)缺點和適用條件。

2 壅水計算作用

通過對河道內修建橋梁前后的水面曲線分析，計算出建橋后最大壅水高度、壅水位置和壅水長度，由此不僅可以復核橋梁的建設高度和兩岸堤防的高度是否滿足行洪要求，還可分析得出建橋后對防汛搶險和橋址河段上下游其他河道及建筑物的影響程度，在此基礎上提出相應的防治和補救措施，作出防洪綜合評價。

3 壅水計算方法比較

為計算建橋后河道的壅水情況，首先需計算建橋前的天然河道水面曲線，以便與建橋后的水面曲線進行比較，確定壅水高度。關于建橋前的天然河道水面曲線計算，在各類防洪評價報告中方法較為統(tǒng)一，即

式中：Z1，Z2——上下游斷面的水位，m；

v1，v2——上下游斷面的流速，m/s；

α1，α2——上下游斷面的動能修正系數(shù)；

hf，hj——沿程水頭損失和局部水頭損失，m。

一般河道均為緩流，水面曲線應從下游向上游通過試算推求。為了分析建橋后的壅水情況，天然河道水面曲線計算分段時，除按公式應用要求確定計算斷面外，還必須將橋址處和初估最大壅水高度位置作為計算斷面。對于建橋后橋梁的壅水計算，常用的公式有以下四種：

3.1 水面曲線公式

計算公式仍采用式（1），通過對建橋前后水位的比較可得出壅水高度，但需考慮因橋梁阻水產生的局部水頭損失。在實際計算中，采用該方法的優(yōu)點是：該公式作為水力學水面曲線計算中的基本公式，在各行業(yè)中得到普遍應用，特別是在河道規(guī)劃等計算精度要求不高的工程中，計算過程較為簡便。缺點是：局部水頭損失較難確定，如橋墩長寬比不等于4時，局部水頭損失系數(shù)無明確取值，另外河槽內新建橋墩對原過水面積的減小、橋下回流區(qū)域產生的無效過水面積與濕周、橋墩方向與水流方向夾角不同等因素也會影響局部水頭損失系數(shù)的取值，但這些因素在該公式中得不到直接體現(xiàn)，雖然上述部分參數(shù)可參照《橋梁水力學》等資料中的有關公式確定，但計算過程較為繁瑣。對于比較順直的河道采用明渠均勻流公式，而絕大多數(shù)天然河道由于形狀不規(guī)則，且調蓄作用不明顯，一般采用下列恒定流水面曲線公式進行計算：

3.2 無底坎寬頂堰公式

無底坎寬頂堰公式計算公式為：

式中：Q——過橋流量，m3/s；

σ——淹沒系數(shù)；

m——流量系數(shù)；

b——橋凈長度，m；

H0——上游流速水頭，m。

根據上游流速水頭和上游斷面即可計算出上游水深，得出壅水高度。該方法的優(yōu)點是計算簡單，缺點是必須滿足使用條件，即橋寬與上游水深的比值必須在0.67～2.5之間；壅水位置在3～5倍的上游水深之間，但具體位置難以確定，一般僅用于矩形斷面，而不規(guī)則的天然河床斷面計算相當復雜。所以式（2）多用于影響不大且過水斷面為矩形的小橋涵壅水計算。

3.3《橋位設計》公式之一

3.4《橋位設計》公式之二

式中：Δz——橋前最大壅水高度，m；

η——系數(shù)；

4 結語

式中：Δz——橋前最大壅水高度，m；

K——壅水系數(shù)；

通過對以上四種壅水計算公式的分析可知：在推求整個河道水面曲線計算中，對最高壅水位與橋墩的準確距離等要求不是很高，所以部分因素可以忽略，此時采用水面曲線計算公式較為簡單，但對于防洪評價中的橋梁壅水計算，精度要求相對較高，若采用該公式進行計算，不僅計算過程復雜，而且要求的計算參數(shù)較多，一般難以滿足，故防洪評價計算中要慎用；對于矩形過水斷面的小橋涵可采用式（2）；對于資料比較齊全的工程可采用式（3）；對于資料不全、精度要求不是很高的工程可采用式（4）。上述橋梁壅水計算公式主要適用于緩坡河道，陡坡河道一般不會出現(xiàn)很長的壅水，主要應考慮橋墩的水流沖擊高度。由于橋梁實際水流非常復雜，目前壅水計算中有的公式是對許多影響水流的因素進行了簡化甚至予以忽略，大多屬于理論與經驗相結合的公式，使得計算結果或多或少與實際情況有所不同，因此，對于所在河段有重要防洪任務或對河勢穩(wěn)定可能產生較大影響的橋梁，在采用上述公式進行防洪評價壅水分析時還應通過數(shù)學模型計算或物理模型試驗復核計算結果。