摘要：桥梁建成后，桥孔对水流压缩，桥址上游水流流速变缓、桥下流速增大，上游水位壅高的同时，桥位河段的水沙运动及河床演变变得非常复杂。本文旨对现行主流经验公式法的优缺点进行研究，实现壅水计算的规范、准确。
关键词：桥梁壅水；经验公式
1、研究背景
桥梁构筑物目前是人类克服自然水体阻隔、扩大人类活动范围的最经济、最有效的方法。但桥梁建设后，桥孔对水流压缩，上游水位壅高。同时由于桥孔约束水流，桥下流速增大，使原来水流与河床泥沙相对运动平衡状态遭受破坏，桥位河段的水沙运动及河床演变变得非常复杂，导致桥址断面发生一般冲刷和桥墩桥台附近的局部冲刷，影响两岸防洪安全及桥梁自身的设防安全。因此，需加强涉河桥梁壅水计算方法的理论研究，制定更为规范的计算方法。
2、桥梁壅水经验公式法介绍
现行的经验公式法主要分为能量公式、动量公式和试验公式三类。能量公式是根据能量转化原理或能量守恒定律建立起来的壅水计算公式，是守恒缓变非均匀水流的伯努利方程的应用。最初的壅水公式就是能量公式推导出的，其中最具有代表性的是道不松（D’Aubuioson）公式。动量公式是依据动量守恒原理建立起来的，其中具有代表性的是拉笛申科夫公式（1959年）。试验公式是建立在物理模型试验的基础上得到的经验公式，其中最著名的是Yarnell公式，该式在美国工程界和HEC-2，HEC-RAS及MIKE11等行业软件中获得广泛应用。
3、经验公式法优缺点对比分析
桥梁的壅水计算按照解决问题的途径和求解方法可分为经验公式法、数值模拟法和物理模型试验法。
国内外，常用的经验公式主要如下：
1、D’Aubuioson公式
∆Z=ηVm2-V2
式中，∆Z—桥前最大壅水高度，m；η—与河段特征及河滩路堤阻挡流量和设计流量的比值有关的系数；Vm2—桥下平均流速，m/s，为设计流量被全河过水断面除得之商。
公式形式简单，参数容易选择，考虑因素较多，适用于各类河流，阻力系数的η值的取值标准和桥下平均流速计算方法过于粗略，参数取值的随意性和不确定性大，会造成壅水计算结果的不稳定。
2、实用水力学公式
∆Z=αV22gBξ∑b2-hh+∆Z2
式中α—动能校正系数，一般取α=1.1；V—建桥前断面平均流速，m/s；B—无桥墩时水面宽，m；ξ—过水面积收缩系数，取值0.85~0.95；h—建桥前断面平均水深，m；∆Z—最大壅水高度，m；∑b—建桥后过水断面总宽（河宽减去桥墩总宽），m。公式中水位壅高值采用迭代法计算。
适用于平原宽浅河道，但未考虑河床冲刷因素和建桥后天然河道过水断面减小的影响，对于断面平均流速大的峡谷式河槽，存在明显不合理现象。
3、Henderson公式
∆Z=1+ηV222g-V122g
式中，η—与桥墩形状有关的Henderson系数，矩形桥墩取0.35，圆形墩取0.18；V2，V1—分别为桥位断面和桥位上断面的平均流速，m/s。
可用于跨渠道桥梁和跨河流桥梁的壅水计算，尤其对大糙率的天然河流有较好的适应性，但参数选取过于粗略，未考虑桥下冲刷的影响。
4、Yarnell公式
∆Z=2KYKY+10ω-0.6a+15a4V322g
式中：KY为桥墩形状系数；ω=V322gh3为流速水头与收缩断面的下游水深比。V3是桥墩下游断面的流速，a为阻水比。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
原则上仅适用于a>0.1的情况，低阻水比情形结果偏大。
5、无坎宽顶堰流公式
水流流经小桥孔，由于受桥台、桥墩的侧向约束，使过水断面减小，形成宽顶堰溢流。一般情况下，桥孔下坎高为零，桥孔的过水可视为无底坎的宽顶堰溢流，因此可利用无坎宽顶堰的原理进行桥梁的泄流能力和壅水高度的计算。
∆Z=Q22gμ2A2-V122g
式中Q2—设计流量，m3/s；μ—流量系数，与桥墩头尾形状有关；A—桥下过水总面积，m2；V1—桥前行进流速，m/s。
应用于大中型跨河桥梁壅水计算往往存在较大误差，不适用于阻水比小于10%的桥梁。
6、陆浩公式
该公式系1998年的铁道部课题成果，为铁道部科学研究院陆浩、曹瑞章、王玉杰，根据我国模型试验和40余座桥梁调查资料，经多年不断完善和检验而指定的，目前已被列入最新《公路工程水文设计指南》推荐试用的公式。
∆Z=KNKVVq2-V0q22g
式中KN—定床壅水系数，与建桥前后桥下断面流速变化有关，KN=2Vq∕V0q-1；KV—建桥后桥下水流流态有关的系数，KV=0.5Vqg-0.1；Vq—建桥后设计水位下桥下断面的实际流速，m/s，Vq=KpQs∕ωj； V0q—天然状态时设计水位下桥下断面范围内的平均流速，m/s，V0q=Qs/ωG。其中Qs—设计流量，m3/s；ωG—有限过水面积，m2；Kp反映桥下流速随河床冲刷断面增大减小的系数，Kp=1/1+A（p-1），对于岩石河床Kp=1.0（A—河床粒径系数，A=0.5×d50-0.25； d50—中值粒径，mm；p—冲刷系数）；ωj—冲刷前桥下净过水面积，m2。
7、曹瑞章公式
2000年，铁科院曹瑞章根据实桥及模型试验资料进行分析研究之后，对上式进行简化，提出如下简化计算式。
∆Z=K2gVm2-V0m2
式中K—壅水系数，K=2VmV0m-10.5； Vm—桥下平均流速，Vm=KPQPAj；
V0m—天然状态下平均流速，V0m=Q0m∕A0m；QP—设计流量；Aj—桥下净过水面积，m2；Q0m—天然状态下通过的设计流量，A0m—桥下过水面积；其他符号意义同前。
考虑了建桥前后过水面积变化及河床冲刷对壅水的影响，通过了模型试验和天然壅水资料的验证；对平均流速小的宽浅河道及平均流速大的峡谷式河道均有较好的适应性。对桥墩形状的因素考虑不够，冲刷系数的选择有一定的任意性。特别是河床质组成复杂时，中值粒径的确定难度大。
4、结论
依据目前国内桥梁壅水计算的普遍应用现状，《浙江省涉河桥梁水利技术规定》及《公路桥位勘测设计规范JTJ 062-91》中的陆浩公式为国内涉河桥梁壅水计算的主要理论依据，故一般桥梁工程涉河壅水计算可采用该公式作为经验公式的计算方法。
此外，数值模拟方法是随着计算机技术的迅速发展而产生的一种新的水动力学方程求解方法。其核心是随着计算机技术的发展，过去无法求解的N-S数学物理偏微分方程得到了具有足够精度的近似解值。通过有限差分方程或有限元方程，把方程定义的连续河流空间变成有限个网格或单元，使复杂的数学物理方程离散化，进而进行数值计算得到其数学解。在工程地形等相关资料详实、工程重要程度较高的情况，建议采用数值模拟方法结合经验公式法进行涉河桥梁壅水计算，进一步确保计算结果的可靠性。
参考文献：
[1]浙江省水利厅 浙江省涉河桥梁水利技术规定（试行） （2007.12）
[2]李龙辉 刘宝 跨河桥梁壅水计算的简化公式法 《东北水利水电》 （2008年 第12期）
[3]交通部 公路桥位勘测设计规范 JTJ 062-91（1991.12）
论文作者:黄科琪,薛晓鹏,吴丝莹,夏珊珊
论文发表刊物:《基层建设》2018年第30期
论文发表时间:2018/11/16
标签：公式论文; 流速论文; 断面论文; 桥梁论文; 桥下论文; 桥墩论文; 系数论文; 《基层建设》2018年第30期论文;