橋涵水文計算方法分析探討

盛 楠,程存江

（1.吉林省公路測設技術服務中心,吉林長春 130021；2.吉林省交通規劃設計院，吉林長春 130021）

0 前言

橋梁水文影響了公路建設工程中橋梁、路基設計、建設等眾多修建工作。還作為基本標準來衡量橋梁、路基是否符合相應的行業相關規則。如果公路橋涵水文計算出現差錯，將會導致橋梁設計方案出現嚴重錯誤，橋梁修筑完成以后，在遇到洪水災難和突發天氣情況時將會造成人們財產和生命的損傷。由此可見橋梁水文是公路建設工作的重要項目，所以需要科學合理地進行橋涵水文計算來確保公路橋梁安全性與適用性。

1 公路橋涵水文計算的基本要求和計算內容

公路工程橋涵的水文調查和勘測內容包括了水文、水力計算等等。水文調查和勘測應根據公路橋涵的設計要求和所在地區的區域條件，然后有針對性地采取最適合的方法收集和調查資料并做出可靠的評價，勘測的精度必須符合相關規范、規程的規定。還要對水文、計算成果和水力分析做出合理性論證。對于通航要求等級較高或者水文條件復雜的特殊公路橋梁，就應該進行水力模型和水文測驗，以保證公路橋涵水文調查、分析、比較和論證后的最終結果更加接近實際、更加合理。

2 公路橋涵水文相關資料的收集

首先需要收集公路路線范圍內水系且包含全部匯水面積的小比例地形圖，并根據要求測量各橋涵位置的流域寬度、長度、坡度、匯水面積等特征值。

其次是收集項目的防洪影響評價報告和公路橋梁所在地區的有關雨、風、流冰、氣溫等氣象資料，以及收集地區水文手冊、水文水位站資料。比如：在橋位附近是否有與已知水文站相關的其他水文站，該水文站的水文系列情況和地質報告中河床構造顆粒分析和塑、液限試驗成果表。

3 水文調查及測量

3.1 對于公路橋梁的修筑位置的調查

需建公路橋涵地區的主要河流分布、特征，以及水利規劃和河道整治方案，各河流關于主要跨河工程的分布情況、運用情況及對橋位河段流向、流量、沖淤變化情況的影響因素，考察橋位旁是否有水文站或者水位站距各橋位距離的相關數據；有無水庫、滯洪區和分洪區，與公路橋梁項目有關系的橋址及距離；橋梁選址地區地貌、地形、土壤類型、植被情況、地質等特征。形態斷面選擇在河岸穩定、洪痕分布較多、泛濫寬度較小、沖淤不大、無回流和死水、斷面比較規則順直的河段上，斷面應該與流向垂直。

3.2 在水文調查時對洪水的調查

在調查洪水的歷史情況時，應該做到以下幾點：工作人員要有耐心、詳細地訪問沿岸居民關于近幾年河流漲水情況、大小和頻繁程度，以及居民可能總結的洪水發生的時間規律和洪災來臨時的河水情況。然后，到水文站查明歷史洪水水文調查記錄，洪水痕跡，以及發生的時間(包括年月日)，洪水痕跡是在歷史洪水位處的標志。對于同一次洪水至少要在兩岸的上游和下游調查3 個或者5 個有代表性的、可靠的洪水痕跡觀察點，并且應考慮壅水、波浪的影響，以作必要的修正。應該在每個洪水位現場標記編號、測定其高程和位置。最后根據調查情況的詳細描述，做出正確、可靠的評價。繪制內容應包括：灘槽分界線、河床地面線、地質情況和植被、測時水位、糙率、歷史洪水位及發生年份、施測時間、其他特征水位等。在橋位現場確定灘槽分界線、地質情況和植被；河床比降的測量到水文斷面上游大于2 倍河寬之處，下游應大于1倍河寬；水文斷面應在橋位上下游都各測繪一個。對于那種河面不寬的橋梁可以只測繪一個斷面，在橋位斷面符合水文斷面條件時，可把橋位斷面作為水文斷面。

4 正確計算形態斷面

4.1 選擇科學合理的形態斷面

在基本流速保持不變的河段上，一般來說河道要求順直、河床相對穩定、確保水流通暢、河灘比較小，以及河灘和河槽的洪水的流向相同，并且不存在河汊、河灣等阻塞水流暢通的問題。形態和橋位斷面之間即不能出現支流匯入現象也不能有壅水或分流問題，還有就是在盡可能接近調查的歷史洪水位的同時距離橋位也不能太遠。洪水水流的方向也一定得和形態斷面垂直，形態斷面的形狀在最大程度上要符合洪水出現時候的實際狀況。

4.2 計算水文斷面的流速、流量及平均流速

利用謝才一滿寧公式可以計算水文斷面的流速、流量，以及平均流速，公式中所用到的字符，分別代表的含義及作用：n 表示粗糙系數；v 表示斷面平均流速，其單位為m/s，對于復式斷面，必須單獨計算河灘斷面和河槽的平均流速；i 表示洪水比降；R 表示水力半徑，其單位為m。其公式為：

5 計算設計流量和洪水水位

5.1 設計流量計算的主要方法

應當根據《公路橋位勘察設計規范》中的相關規定推算橋涵設計流量，根據掌握的關于設計流量方面資料，使用正確、有效的方法計算公路橋涵設計流量。現今，普遍利用經驗公式或者采取間接方法計算公路橋涵設計流量。但有時，針對大、中河流并且實測流量資料較為充足，一般采取數理統計法，也稱水文統計法。還有就是在掌握了較為充足的實測暴雨資料，也可以利用暴雨資料分析成因來計算設計流量。計算公路橋涵設計流量的計算方法可以選擇性地使用。

5.2 計算設計水位的基本方法

在計算設計水位時，如果在橋位周邊沒有水文站對歷年的水位進行實測，一般采取形態法推算法，通過對橋位處的設計流量進行計算，從而推算出公路橋涵的設計水位。但是如果在橋位的周邊，有水文站對水位進行實測，并且保存了實測水位資料的話，一般采取頻率的方法對設計水位進行計算，這種方法的計算原理與方法與流量頻率計算的基本原理及方法相同。

6 計算大中橋孔徑

6.1 布置橋孔的基本原則

（1）首先，要確保設計的橋洞能夠讓洪水和洪水中所夾雜的泥沙，甚至是垃圾都可以順利宣泄，避免對河床造成損傷，對橋梁造成不利的變形。并且橋洞的設計要符合安全通航的相關規定、漂浮物，以及流冰能夠從橋洞順利通過。

（2）其次，橋洞的設計要符合天然河流斷面的流量分配，在沖刷之前兩側河灘的橋下過水面積的比值與兩側河灘流量的比值基本接近。

（3）再次，是設計人員應該充分考慮橋位河段的天然特征、注意水流變化和河床變形對于橋梁造成的影響、相關水工建筑物產生的影響等等。

（4）然后，是橋洞的設計要盡量與當地的農田水利設施有機結合，兼顧當地的發展規劃。一定要避免建橋之后，橋前壅水對兩岸農田、河堤、民居構成危害的現象出現。特別要注意的是一些平原地區，一定要將橋前壅水的允許高度作為對橋梁長度進行控制的條件之一。

（5）最后，是對于跨徑小于6O m 的橋孔需要根據《公路工程技術標準》的相關要求，選擇標準跨徑。還要關注地質狀況、充分考慮施工的實際條件，以及經濟效益。嚴禁在橋梁設計時將墩臺的基礎設計在溶洞、斷層等地質不良的位置。應當綜合考慮橋梁的美學性要求，在選擇橋梁跨徑時，盡可能實現跨徑與橋高之間的美觀性及協調性。多方面衡量各種因素，采取經濟可行、科學合理的橋孔布置方案。

6.2 確定橋孔的長度

在橋孔布置時，可以根據河床的地形對峽谷河段進行橋孔布置，要做到盡可能地不要壓縮河道，不需要計算橋孔的最小凈長度。但是針對較為分漢、開闊、順直、微彎、彎曲的河段及河灘、槽分開的一些不穩定河段，就需要根據公式計算橋孔的最小凈長度，可以使用的公式公式中所用字符分別代表的含義，從左到右、從上到下依次是：Lj 為橋孔的最小凈長度，m;K為系數；Qp為設計流量 m3/s；Q為河槽的流量，m3/s；n3為指數；Bc為河槽的寬度,m。橋孔的設計除了應當符合以上要求之外，在實際布設橋孔過程中，還需要充分結合沖刷深度、橋位的地形、橋前的壅水等，針對各種橋長進行技術經濟對比后、多方面思考后，才能確定橋孔的長度。

6.3 計算橋面的標高

必須全面地考慮設計洪水水位、由于橋梁建設而導致的水位升高、最高的通航水位、通航船只的凈高變化及橋梁等構筑物得高度等各種因素的影響，才能確定橋面的最低高度。不然就很可能在橋梁修筑完成以后，橋梁的有效使用性、安全性，以及使用年限都將受到影響。

7 某涵洞抗水毀水文計算實例分析

7.1 工程概況

某涵洞為單孔2 m ×2 m 鋼筋混凝土蓋板涵,與線路交角為90°填土高度為0.62 m,涵長28.55 m,進出洞口均采用一字式。錐坡堆砌高度為40 cm,涵底鋪砌厚度均采用40 cm。

7.2 設計流量計算

在公路測設實際工作中,涵洞的設計流量計算除了形態調查法、直接類比法、暴雨推理法、經驗公式法等,還有徑流形成法。本文根據涵洞水文地質情況主要采用形態調查法、暴雨推理法這兩種方法進行設計流量計算。

7.2.1 形態調查法

從1:50000 的地形圖上,量得涵洞以上流域面積 A=15 km2，i=58.3‰,確定設計洪水頻率p=1/100。根據當地水文手冊及分析經計算得到:設計流量為6.045 m3/s。

7.2.2 推理法

從1∶50 000 的地形圖上,量得涵洞以上流域面積A=15 km2,i=58.3‰,確定設計洪水頻率p=1/100。根據水文手冊設計可得到,暴雨參數為65 mm/h,分析經計算得到設計流量為5.865 m3/s。

7.2.3 小結

根據《公路橋涵設計通用規范》及相關修正后的洪水重現期，該橋的設計洪水頻率應為1/120。為安全計，采用150 a,200 a 及300 a 一遇重現期計算洪水流量。采用歷史洪水位法、推理公式法、地區經驗公式法、綜合參數法及流域面積比擬法等不同的方法推算洪水流量。由于其計算參數的不同,最后算出的結果也存在差異。該實際工程中的涵洞由于流域面積比較小,經驗資料缺乏,故采用歷史洪水位法和推理公式法兩種方法對其洪水流量進行計算。

8 結語

公路橋涵水文流量計算方法是多種多樣的，到底該選用哪一種方法、哪一個公式來計算，是由公路全部施工系統的具體情況所決定的。計算方法的選定需要考慮的因素很多，如：不同的地質條件、不同區域、不同地段、水流情況等等，針對這些差異，選用的計算方法勢必也會不同。對此，應通過調查研究，盡量采用適合的計算方法和相關參數，得到比較可靠的計算結果。計算時應采用多種方法反復計算，相互比較、核對。在實際使用時，還需要反復多次試算，實地考察形態斷面、地物地貌及地質情況來判斷各水文計算參數及計算結果的合理性。才能保證最大限度地為公路橋涵修筑工程提供參考和幫助。

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