基于流速權重系數的阻水比計算方法

摘要：阻水比是跨河橋梁防洪評價中的一個重要參數，而現有規程中阻水比的定義僅考慮阻水面積，沒有考慮流速分布對阻水程度的影響，造成當河道主槽和邊灘發育時計算的斷面流速分布差異性較大。根據橋梁阻水引起的局部水頭損失近似與水體流速平方成正比的關系，將建橋前橋墩處水體流速與橋址處全斷面水體平均流速之比的平方作為流速權重系數，用以修正橋墩阻水面積，從而改進阻水比計算公式，并應用于實例驗算。計算結果表明：① 位于主槽的橋墩單位阻水面積對阻水比影響較大，而位于邊灘的橋墩單位阻水面積對阻水比影響較小，且流速差異越大，阻水影響程度相差越大；② 當主槽流速與全斷面平均流速之比達到1.17以上時，應考慮流速權重影響系數對阻水比的影響。基于流速權重系數的阻水比能夠較為真實地反映流速差異帶來的阻水影響，更接近工程實際阻水情況，為有效減少橋墩對防洪的不利影響，橋梁設計時應盡量采用大跨度結構一跨跨越河道主槽。

關 鍵 詞：跨河橋梁；阻水比；流速權重系數；防洪評價

中圖法分類號：TV143.3

文獻標志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.12.024

0 引 言

涉河橋梁防洪評價中，阻水比反映橋墩阻水程度，是一個相當重要的參數。橋梁阻水比對河道行洪的影響，間接反映橋墩阻水造成河道水位的壅高。若壅水嚴重，墩前一定范圍內水面線抬高較多，將給兩岸堤防帶來嚴重防洪壓力，甚至需要采取拓寬河道、加高兩岸堤防等措施。

中國涉河橋梁眾多，在阻水比對河道行洪影響等方面，國內學者做了大量研究。如王光羅等^［1］以軍渡黃河公路二橋為例開展研究，認為建橋后墩臺壓縮行洪斷面，將會對建橋段的防洪產生一定影響，并進行了影響分析評價。孫曉紅等^［2］采用二維水流模型計算不同來水條件下橫扇大橋的修建導致的太浦河流量、水位等變化，分析評價大橋與行洪之間的相互影響。翟家瑞^［3］分析總結了黃河上橋梁建設應把握的防洪技術問題，包括橋梁密度、橋梁跨度、主河槽寬度、橋孔跨度、河道沖刷與淤積、壅水高度和影響長度、橋梁下弦高程等。徐林春等^［4］針對不同類型的概化河道和天然河道地形，結合橋墩布置方式和邊坡系數的不同組合，研究了橋梁工程阻水比與河道水位變化之間的內在聯系。丁偉等^［5］認為橋墩在橋梁穩定的前提下，減少其寬度可以有效地降低壅水高度，橋墩軸線應盡可能順應水流流向，而橋梁軸線應盡可能與水流流向垂直，至少要將夾角控制在65°以上。朱毅峰^［6］研究表明，珠江河口地區橋梁的阻水效應與橋墩阻水比有關，阻水比越大，阻水效應越大；橋梁所在河道斷面的流速越大，阻水效應就越大；同時橋梁阻水還存在疊加效應，橋梁間距越小，疊加效應越明顯。何用等^［7］提出了河口涉水工程動力分區和防洪影響敏感水域區劃，創建了基于防洪影響控制的涉水工程方案優化目標確定方法，并提出了基于單寬流量概念的涉水工程阻水效應評估方法。何貞俊等^［8］為優化涉水橋梁工程設計方案，降低橋墩壅水對河道防洪的影響，通過建立寬水槽模型對不同橋墩型式所引起的墩前壅水高度進行了測試和分析。王玲玲等^［9］針對平原地區河道橋墩壅水問題，以阻水比為控制參數，按照產生機制和影響范圍的不同，從墩前沖高和橋前壅高兩方面考慮橋墩壅水效應。陸志華等^［10］在調查分析太湖流域主要涉水項目建設狀況的基礎上，提出了太湖流域涉水建設項目防洪影響控制性技術指標體系。李彬^［11］針對橋梁對河流的阻水影響問題，基于河流能量觀點提出了考慮河流能量與橋梁阻水比雙因素的綜合判別指標。高晨晨等^［12］基于數學模型，研究了圓端形橋墩繞流流場結構和壅水特性，分析總結了橋墩阻水比和上游來流流速對橋前壅水和墩前沖高的影響規律。黃靖軒等^［13］針對不同阻水比橋墩對彎道河流流速分布影響開展試驗研究，發現隨著阻水比的增大，橋墩附近上下游主流位置趨于集中在水槽中間。李彬等^［14］針對上下游橋墩正交投影存在交錯時，分別按考慮上下游橋墩投影疊加和不考慮投影疊加計算了橋梁的阻水比，通過二維MIKE21模型計算成果驗證了不考慮疊加影響的阻水比結果更加合理。彭程等^［15］通過大比尺（1∶15）正態物理模型試驗分析了橋墩基礎在半掩埋條件下的局部沖刷坑形態、尺度，以及沖刷過程在不同水流偏向角度、水動力條件下的動力響應。

但上述研究主要集中在阻水比對水位壅高、流態分布、河道沖刷影響等方面的研究，而對阻水比概念和計算方法涉及的較少。根據DB44/T 1661—2021《河道管理范圍內建設項目技術規程》（以下簡稱《規程》），阻水比是指設計洪水位下，阻水建（構）筑物在工程斷面垂直于主流方向上的投影面積與工程建設前同一過水斷面過流面積的比率，以百分數形式表示。它實際上是一個面積阻水比的概念。

對于橋梁工程，《規程》定義橋梁阻水比可按式（1）計算：

f=S/A=∑n/i=1S_i/A（1）

式中：f為某一頻率洪水條件下橋梁阻水比，S為橋墩阻水面積，A為建橋前河道過流面積，S_i為第i組橋墩的阻水面積，n為涉河橋墩總數。

對于寬而淺的河道，沒有明顯主槽和灘地的區分時河道水體流速大致相當，式（1）基本能夠反應橋梁實際阻水情況。但對于主槽和邊灘明顯發育的河道，由于主槽水體流速遠大于邊灘和河道全斷面平均流速，布置在主槽的橋墩其單位面積阻水程度遠大于邊灘橋墩，而式（1）并沒有考慮河道不同位置水體流速不同而阻水程度不同這一實際情況，此時就難以客觀反映橋墩的阻水和壅水程度。為此，本文提出基于流速權重系數的阻水比計算方法，將流速作為權重系數引入上述阻水比計算公式，以期更能反映工程實際阻水情況。

1 基于流速權重系數的橋墩阻水比

將流速權重系數引入阻水比計算公式的總體思路是：水體流速大的主槽承擔更多的泄流任務，此處若布置橋墩必將更多地阻礙水流順暢下泄，因此可考慮在主槽橋墩阻水面積上賦予更大的權重，即乘以一個大于1的流速權重系數；灘地上的水體流速受堤防、糙率、河床水深等更多條件制約，水體流速較主槽小，因此可考慮在邊灘橋墩阻水面積上賦予更小的權重，即乘以一個小于1的流速權重系數。

橋墩阻水引起的局部水頭損失ΔH與水體流速平方成正比^［16］，可近似表達如式（2）：

ΔH=ζv²₀/（2g）（2）

式中：ΔH為橋梁阻水引起的局部水頭損失，ζ為局部水頭損失系數，v₀為橋墩附近的水體流速，g為重力加速度。

因此，可考慮將橋墩處建橋前水體流速與建橋前河道全斷面水體平均流速之比的平方作為流速權重系數引入阻水比公式，則式（1）可改寫為

f_v=WS/A=∑n/i=1w_iS_i/A（3）

w_i=（v_i/v）²（4）

S_i=（a_itanγ_i+b_icosγ_i）h_i，i=1，2，…，n（5）

式中：f_v為某一頻率洪水條件下跨河橋梁基于流速權重系數的阻水比，W為流速權重系數，w_i為第i組橋墩流速權重系數，v_i為第i組橋墩處建橋前水體平均流速，v為橋址處建橋前河道全斷面水體平均流速，S_i為第i組橋墩阻水面積（包括承臺和防撞設施面積^［17］），a_i為第i組橋墩順水流方向長度，b_i為第i組橋墩垂直水流方向長度，γ_i為第i組橋墩順水流軸線與河道主洪流向之間的夾角，h_i為第i組橋墩處水深，其他變量意義同前。

從式（1）及（3）～（5）可以看出：① 若建橋前某橋墩處水體流速與河道全斷面平均流速比值的平方越大，該橋墩單位面積阻水效應就越大，如位于主槽處的橋墩，同理位于邊灘處的橋墩單位面積阻水效應就越小；② 阻水面積與橋墩寬度、長度以及橋墩順水流軸線與河道主洪流向之間的夾角密切相關；③ 當W或w_i取1時，即為《規程》定義的阻水比。基于流速權重系數的橋墩阻水比計算流程如圖1所示。

2 實例分析

2.1 基本情況

清遠市清新至廣州花都高速公路白坭河特大橋全長2 166.4 m，橋面寬41.50 m，分左右兩幅，橋梁軸線與河道交角 89°，主橋上部結構采用連續鋼構，其余上部結構采用預應力混凝土小箱梁。大橋防洪標準為300 a一遇，兩岸堤防設計防洪標準為20 a一遇，堤頂高程7.80 m（1985高程基準，下同），現狀已達標。根據水文資料，在洪水頻率P=0.33%下，斷面流量為1 357.00 m³/s，相應水位7.36 m；在洪水頻率P=1%下，斷面流量為1 150.00 m³/s，相應水位6.80 m；在洪水頻率P=5%下，斷面流量為840.00 m³/s，相應水位6.09 m；在洪水頻率P=10%下，斷面流量為564.00 m³/s，相應水位5.32 m。

橋址位于河道彎道段，左岸為凹岸，右岸為凸岸。河道灘槽發育，主槽靠近左岸，寬約61 m，高程-3.60～0.80 m；左岸灘地寬約31 m，高程4.20～5.50 m；右岸灘地寬約93 m，高程1.50～4.60 m。涉河段橋梁初步方案為：采用（45+50+115+40）m跨徑組合，在河道內布置3組橋墩，其中，主槽布置2號橋墩，單幅橋墩縱橋向寬3.50 m，橫橋向長25.50 m，承臺縱橋向寬9.70 m，橫橋向長15.20 m，厚4.00 m，一半厚度出露河床面；左岸灘地布置1號橋墩，采用雙柱墩，墩直徑2.00 m；右岸灘地布置3號橋墩，結構同主槽2號橋墩，承臺全部埋入河床面以下。現計算大橋基于流速權重系數的阻水比。將河床橋墩布置剖面進行概化，如圖2所示，橋墩平面布置見圖3。

2.2 計算過程

根據河道水文、地質、地形、氣象以及防洪標準，采用MIKE軟件數值模擬結果，獲得20，10 a一遇不同頻率洪水條件下每組橋墩處建橋前的水體流速、橋墩順水流方向軸線與主洪夾角。選取橋址處與河道主洪流向正交的阻水比計算斷面，計算不同頻率洪水下河道全斷面水體平均流速。根據式（1）和式（5），計算不同頻率洪水下擬建大橋阻水比（考慮防撞設施阻水面積）。再根據式（3）～（5），計算基于流速權重系數的阻水比。兩種方法計算結果列于表1。

從表1可知：式（3）計算的阻水比結果比式（1）普遍高2.79～3.22個百分點，這是由于2號橋墩位于主槽，水體流速較邊灘大，對水流阻礙程度較大，這顯然更符合工程實際情況。

2.3 橋墩布置優化

由于阻水比較大，需要優化橋墩布置，具體方案是將位于主槽的2號橋墩移到灘地，新方案具體為：大橋采用（55+100+55+40）m跨徑組合，在河道內布置3組橋墩，其中，左岸灘地1號橋墩向主槽方向平移10.00 m，設置承臺并埋入河床面以下，單幅橋墩縱橋向寬2.50 m，橫橋向長25.50 m；2號橋墩平移至右岸灘地，承臺埋入河床面以下，結構同1號橋墩；3號橋墩位置不變，采用雙柱墩，柱墩直徑2.00 m，如圖4所示，其阻水比計算成果也列于表1中。

從表1同樣可看出，新方案中：① 在20，10 a一遇頻率洪水下，新方案與原方案相比，阻水面積有所減少。② 新方案根據式（1）計算的阻水比為1.95%～2.32%，式（3）計算的阻水比僅為0.57%～0.80%。③ 式（3）比式（1）減少了1.38～1.52個百分點，減阻效果十分顯著。

3 討 論

現在需要考慮的是：當主槽流速與邊灘流速相差多大，或各橋墩處流速相差多大時，才有必要考慮流速權重系數的影響。這首先需要制定一個控制標準，即兩種阻水比計算結果的差別多大作為分界線。根據《規程》，跨越1級和2級堤防橋梁的阻水比不宜超過7%，跨越3級和以下堤防以及無堤防河道橋梁的阻水比不宜超過8%，二者相差1%。因此，可考慮按兩種方法計算結果相差1%來控制，現將本案例兩種方法阻水比計算結果列于表2。

從表2可以看出：主槽與斷面平均流速之比越大，二者之差增長越快，若按前述要求1%控制，即當主槽與斷面平均流速之比達到1.17時，兩種方法計算結果相差約1%，此時應考慮流速權重影響系數對阻水比的影響。

調研眾多工程案例資料，發現在主槽與邊灘發育的河道，主槽水體流速達到河道全斷面水體平均流速的1.17倍以上較為普遍。因此，對于主槽布置橋墩的橋梁，阻水比計算應考慮流速權重系數的影響。位于主槽的橋墩一般為主墩，橫水流方向尺寸比較大，阻水效應對流速敏感性較大。因此，應盡量避免把橋墩布置于河道主槽，而是采取一跨跨過主槽。

4 結 語

本文首次提出了基于流速權重系數的阻水比概念，將水體流速權重系數引入阻水比計算公式，思路清晰，計算亦不繁瑣。與《規程》定義相比，此方法計算工作量增加不多，卻能較為客觀地反映流速差異帶來阻水影響程度的不同，更接近工程實際阻水情況。

對于寬淺河道，河道中間與兩側水體流速差異不大，用《規程》提供計算阻水比基本可反映工程實際阻水情況。而對于主槽和邊灘發育的河道，主槽和河道全斷面水體平均流速一般相差較大，在計算橋墩阻水比時需要考慮不同位置橋墩處水體流速差異對阻水效應的影響，即主槽處橋墩單位阻水面積對阻水比的影響較大，而邊灘處橋墩單位阻水面積對阻水比影響較小，且主槽與邊灘水體流速差異越大，阻水影響越大。此時為有效減少橋墩對防洪的不利影響，橋梁設計時宜采用大跨度結構一跨跨越河道主槽。

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（編輯：胡旭東）

Calculation method of water-blocking ratio based on weight coefficient of flow velocity

YE Hexin¹，HUANG Jinlin²，ZHANG Jianwei³

（1.Guangdong Technology Center of Water Resources and Hydropower，Guangzhou 510635，China; 2.Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower，Guangzhou 510635，China； 3.School of Water Conservancy，North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450046，China）

Abstract： The water-blocking ratio is an important parameter in the flood control evaluation of river-crossing bridges.However，the definition of the water-blocking ratio in the existing codes only considers the water resistance area，but ignore influence of the velocity distribution on the water-blocking ratio，resulting in a large difference in the section velocity distribution calculated when main channels and the side beaches of rivers are developed.According to the square relationship between the local head loss caused by bridge water-blocking and the water flow velocity，we use the square of a ratio of water flow velocity at piers before bridge construction to the average flow velocity of the whole section at the bridge site as a weight coefficient to the flow velocity.Then this weight coefficient is used to correct the water-blocking area of piers，so as to improve the calculation formula of water-blocking ratio and it is applied to an example to verify the rationality.The calculation results show that：① The unit water-blocking areas of piers located in the main channel had a great influence on the water-blocking ratio，while the unit water-blocking areas of the piers located in the side beach had little influence，and the greater the difference in flow velocity，the greater the differences in the degree of water blocking effects；② When the ratio of main channel flow velocity to the average flow velocity of the whole section reached more than 1.17，the influence of the weight coefficient of flow velocity on the water-blocking ratio should be considered.The water-blocking ratio based on the flow velocity weight coefficient can more truly reflect the water-blocking effect caused by the difference of flow velocity，which is closer to the actual water-blocking situations of projects.In order to effectively reduce adverse impacts of piers on flood control，long-span structures are suggested to cross the main channels of rivers.

Key words： river-crossing bridge；water-blocking ratio；flow rate weight coefficient；flood control evaluation