山區橋涵設計中流量確定與橋位選擇分析

杜偉

（甘肅恒路交通勘察設計院有限公司，甘肅蘭州 730030）

0 引言

山區橋涵主要是指建于山區地帶的橋梁與涵洞，具有承受車輛荷載的作用，可助力山區交通服務能力的提升。因橋涵工程需跨越水流，為維持其結構穩定，應從洪峰流量及橋位兩個層面，制訂完善的工程設計規劃，確保各項參數合理，滿足其實際抗水流沖刷需求，保證橋涵工程建設質量。

1 山區橋涵設計原則

1.1 協調性

在山區橋涵工程設計環節，設計人員應注重橋孔布設及跨徑選擇的協調性。通常情況下，設計山區橋涵時，需結合山區多災的特殊情況，以及地質環境特殊的特點，合理選用橋型結構。

1.2 審美性

山區橋涵除了要能夠滿足交通運輸服務需求，還要起到一定的環境裝飾作用。設計人員在考慮橋涵設計適用性的基礎上，還要考慮橋涵設計的美觀性，從美觀度的層面深化橋涵工程的影響力。

1.3 安全性

橋涵工程按照設計規劃順利建成后，需在橋面上進行人車通行服務，若橋涵結構不安全或者設計洪峰流量不當，可能引發安全隱患，甚至縮短橋涵使用壽命。

因此，設計人員應從橋涵運營管理、橋面養護等多個方面對構造物進行安全設計。

1.4 經濟性

山區橋涵設計除了要滿足上述一般原則，還要充分考慮設計成本，不宜為了過度追求美觀度或安全性而增加造價負擔。

2 山區橋涵設計中流量確定方法

2.1 分區經驗公式法

在計算山區橋涵洪峰流量時，可以采用分區經驗公式法，對大流域與小流域流量分別展開計算。通常將流域面積超過100km2的稱為大流域，未至100km2的則為小流域。此次研究以甘肅省山區橋涵項目為例，其中大流域可參照下列公式求取流量值（Qi%）。

式（1）中：K 為計算參數；F 為流域面積（km2）；n 為暴雨遞減指數。

式（2）中：Kp為分區計算參數；QO為分區平均流量（m3/s）。

綜合分析大流域流量時，大流域計算理論可能與小流域計算理論有沖突。若采用分區經驗公式所得出的結果與小流域100km2計算值不一致，且未得到其他資料支撐，可以選取較大值為標準值。如位于甘肅省通渭縣義崗鎮跨越義崗河的橋梁，按照百年一遇洪水頻率計算，其流域面積為166.7km2，屬大流域，根據分區公式計算得Q1%=792m3/s，經驗算，該地區F′=100km2條件下的小流域值為Q1%=475m3/s，取其大值Q1%=792m3/s 為設計值，與現場調查和文獻查閱結果基本一致，計算結果可靠。

在小流域橋涵工程中，可按下述公式求算流量。

式（3）中：Ψ 為洪峰徑流系數；Sp為暴雨雨力（mm/h）；μ 與m、λ2均為計算參數。

結合交通運輸部研究經驗，也可采用下列公式確定洪峰流量。

式（4）中：C、β4、λ3均為計算參數。

2.2 推理公式確定法

除了依據設計經驗確定洪峰流量，還可采用推理公式確定法。所謂推理公式，是借助圖解分析方式，對橋涵河道環境相關參數展開推導，從而得出適合橋涵工程設計標準的相關推理公式，即：

式（5）中：τ為流域匯流時間（h）；n 為暴雨遞減指數；μ為計算參數。繪制曲線圖時，可根據流域匯流時間與洪峰流量曲線圖、洪峰流量與m=0.9(L為干流長度；J為流域平均坡度）曲線圖，觀察曲線分布規律。順利繪制曲線圖后，其中曲線圖交點縱坐標數據即為洪峰流量。

設計人員應用推理公式確定法確定流量時，還要先行了解橋涵被水沖毀的具體因素及沖毀機理，充分結合地質災害、水流沖刷、硬物撞擊、泥沙擁堵等損壞機理，推理出流量設計思路，這樣才能提升洪峰流量計算結果的可靠性，進而依據工況確認流量值[1]。

2.3 水力計算輔助法

因橋涵在運營期間受環境因素影響較大，故在工程設計中，應合理設計流量值，使橋涵建成后能夠有效抵御水流沖刷。

其間可根據水流流動速度（V）計算出流量（Q），即：

式（6）中：ω為過水斷面面積（m2）；R為水力半徑（m）；I為水面比降；n 為河床糙率。

而后計算橋面最低標高（Hmin），為橋位設計提供可靠依據。

式（7）中：Hs為設計洪水位（m）；∑△h 為河流河灣高差、水拱、壅水以及浪高等諸多影響標高因素總和（m）；△hj為橋下凈空安全值；△ho為上部結構建筑高度。

確定好最低標高后，在合理的標高設計值和合理的孔跨布設下，可有效削弱水流沖刷力。而后需要借助如下公式，計算河槽一般沖刷值。

式（8-1）～式（8-3）中：hp為一般沖刷后水深（m）；Qp為設計流量；Q2為河槽部分通過的設計流量；Qc為天然狀態下河槽部分通過的設計流量；Qt1為天然狀態下河灘部分設計流量；Bc為天然狀態河槽寬；Bcg為橋長范圍河槽寬；Bz為造床流量下河槽寬度；λ為橋墩阻水比；hcm為河槽最大水深；Ad為單寬流量集中系數；Hz為造床流量下河槽平均水深。

在一般沖刷基礎上，按照下述公式（9）計算橋墩局部沖刷值，以進一步明確橋墩沖刷波及范圍，保證設計洪峰流量與抗沖刷的相關要求相符[2]。

當V≤V0時，

當V＞V0時，

式（9-1）～式（9-6）中：hb為橋墩局部沖刷深度（m）；Kξ為墩形系數；Kη1為河床顆粒影響系數；B1為橋墩計算寬度（m）；為河床泥沙平均粒徑；V為一般沖刷后墩前行進流速（m/s）；V0為河床泥沙起動流速（m/s）；V0’為墩前泥沙始沖流速（m/s）；n1為指數。

設計人員應按照上述方法確定流量，因目前在流量計算上缺乏標準公式，故需采取推理及經驗借鑒等形式，摸索流量確定規律，并注重對各橋梁流量確定結果的驗算分析。如位于甘肅省通渭縣平襄鎮四聯村跨越南家河的大橋，按照百年一遇洪水頻率計算，其流域面積為F=36.3km2、干流長度I=6km、流域平均坡度J=5‰，屬于小流域，計算設計流量為Q1%=363m3/s。根據橋址處河床斷面（見圖1），采用水力計算輔助法驗算，首先假定水位h=1793.53m，分別計算河槽和河灘的相應流量，計算結果見表1。

圖1 南家河大橋橋址處河床斷面圖

表1 河槽和河灘相應流量計算結果

由計算結果可知，計算流量與設計流量相差小于5%，故表1 中計算洪水位可確定為形態斷面的設計水位，因此橋位的設計洪水位為1793.53m。進一步計算沖刷值（見表2）。

表2 沖刷值計算結果

沖刷總深度=一般沖刷深度+墩臺局部沖刷深度=（4.65-3.45）+0.52＝1.72m。將計算結果與橋址處洪痕資料比對，發現計算結果可靠，能夠滿足橋梁設計要求。

3 山區橋涵設計中橋位選擇路徑

3.1 依托橋涵地質環境

在山區橋涵設計中，除了需要明確洪峰流量，還要選擇適合的橋位（指橋涵建設位置及其走向），否則不但容易影響美觀度，也會削弱橋涵結構的穩定性，降低整體承載力。設計人員在橋位選擇過程中，應注重對地質環境的調查分析[3]。

以義崗河橋為例，該橋梁工程所在地土層以填筑土層、黃土狀粉土層、砂礫層、粉質黏土層為主，最下部為花崗巖層，整體硬度較高。橋位確定時，設計人員依據地質情況，將跨徑設計為4～20m，樁位避開原橋基礎，并按照嵌巖樁設計，以充分發揮樁基承載能力，保證橋梁結構的穩定性。

3.2 結合流量分布特征

橋位的選擇不僅要依托地質環境勘察資料，還要根據洪峰流量設計結果進行優選。以南家河大橋（見圖2）為例，該橋位于甘肅省通渭縣平襄鎮四聯村跨河處，橋址上游80m 處堿灘溝匯入南家河，經過計算，橋址處百年一遇橋梁洪峰流量設計值為383m3/s。根據流量分布特征，擬建橋址處位于較穩定的河灣中部，計算得沖刷力相對較小，在最大限度地服從路線走向的情況下，可避免將橋梁設于上游河汊處時的沖刷病害。結構形式上選用阻水面積小的柱式墩，可最大化降低洪峰流量的影響。總之，設計人員在選擇橋位時，應加強對流量設計結果的分析，使橋位與流量保持一定的協調性[4]。

圖2 南家河橋現場建設圖

3.3 整合地勢地形資料

在確定橋位時，設計人員應在整理地質勘查資料的基礎上，對地形圖等圖文資料進行有效整合。如南家河大橋，因其位于山口位置，距上游河汊較近，橋頭兩端存在波動明顯的地形差異，為實現對橋位的科學設計，兩岸橋臺都要位于地形穩定的黃土臺地之上，并修建完善的導流設施，與河道堤防銜接，提高岸坡穩定性，最后在橋頭兩岸修建截排水溝系統，提前降低土層含水量，消除工程建設后地表水沖蝕風險。

4 結語

綜上所述，在山區橋涵工程設計環節，流量設計與橋位選擇為重要設計內容。設計人員應遵循協調性、審美性、安全性、經濟性原則，制訂可行性設計方案，并采用分區經驗公式、推理公式、水力計算輔助等方法，確定洪峰流量。為保證橋涵建設質量，還應結合橋涵地質環境、流量分布特征、地勢地形資料等，合理選擇橋位，確保擬建項目建成后保持良好的運營狀態。