導(dǎo)語(yǔ)：河道橋梁壅水管理論文一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

1前言

所謂復(fù)式河道是指有河漫灘的河道，在洪水期，河漫灘將會(huì)被淹沒(méi)。由于主槽和灘地有不同的水深和糙率，水位流量關(guān)系將和單道有所不同。當(dāng)水流漫灘時(shí)，由于主槽水流與灘地水流的相互作用，斷面過(guò)水能力通常會(huì)降低。特別是水流剛剛漫灘時(shí)，由于斷面形狀的突變，加上灘地糙率一般與主槽不一樣，使估算過(guò)水能力變得非常困難。然而正確的估計(jì)給定水位下的流量以及已知流量如何確定水位等問(wèn)題對(duì)于洪水預(yù)報(bào)、防洪規(guī)劃又是必不可少的。為了系統(tǒng)地研究復(fù)式河道的水力學(xué)問(wèn)題，增進(jìn)合作、交流、避免重復(fù)研究，由英國(guó)科學(xué)與工程研究委員會(huì)資助，在英國(guó)瓦靈弗水力學(xué)研究所（HydraulicsResearchLimitedWallingford,UK）建成了洪水河道設(shè)施(FloodChannelFacility，簡(jiǎn)稱FCF)。FCF自1986年開(kāi)放以來(lái)，主要進(jìn)行了三個(gè)系列的實(shí)驗(yàn)：1987～1989年的順直和歪斜河道實(shí)驗(yàn)：1990～1994年的彎曲河道實(shí)驗(yàn)；1995～1997的固定河岸、可動(dòng)河床實(shí)驗(yàn)。目前正在進(jìn)行自形成河道實(shí)驗(yàn)。到1999年，已有80篇以上的論文是基于FCF實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的。在1995年國(guó)際水力學(xué)研究協(xié)會(huì)第26屆大會(huì)上被選定為檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模型的基準(zhǔn)資料。1999年，Knight[1]對(duì)復(fù)式河道的水力學(xué)研究作了系統(tǒng)總結(jié)。

由于橋梁的修建減小了斷面過(guò)流面積，水流流線在橋梁的上游形成收縮，下游形成擴(kuò)散，加上橋體本身的阻力等因素，使河流的局部阻力增大，造成局部水頭損失，形成橋梁上下游的水位差（稱為橋梁壅水）。河道橋梁壅水在流量小時(shí)并不明顯，而在洪水期較為顯著。橋梁壅水抬高了橋梁上游水位，增大了淹沒(méi)面積，滯蓄了洪水，從而增大洪水災(zāi)害。如果流量過(guò)大，使洪水漫過(guò)橋梁，甚至沖毀橋梁，將造成更大的災(zāi)害。較為著名的橋梁壅水的計(jì)算方法有：美國(guó)公路局法（USBPR）、美國(guó)地調(diào)局法（USGS）、英國(guó)瓦林弗水力學(xué)研究所的拱橋法(Arch)、Biery和Delleur法等。這些方法一般是通過(guò)聯(lián)解動(dòng)能或動(dòng)量方程與連續(xù)性方程、得到求解橋梁公式的形式，最后用實(shí)驗(yàn)資料確定公式的參數(shù)。橋梁壅水的危害，在大流量高水位的洪水時(shí)尤為突出，而天然河道在洪水期間，一般水流漫上了河灘，過(guò)流斷面為復(fù)式斷面，而橋梁壅水的公式多是在單一河道中建立的，目前對(duì)復(fù)式斷面的橋梁壅水問(wèn)題的研究還不多見(jiàn)，本文在復(fù)式河道的橋梁壅水實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了一種計(jì)算方法。

2實(shí)驗(yàn)概況

圖1水槽平面示意圖

Planesketchoftheflume

圖2模型橋梁尺寸(單位mm)

Dimensionsofthemodelbridges

實(shí)驗(yàn)是在英國(guó)伯明翰大學(xué)的水槽上進(jìn)行的，圖1為水槽平面布置示意圖。水槽長(zhǎng)22m，寬1.213m，深4.4m。水槽上用PVC材料做成了一個(gè)復(fù)雜河道，主槽寬398mm，河漫灘寬407.3mm，主槽深50mm，水槽底坡為2.024‰。水槽設(shè)有兩個(gè)水循環(huán)系統(tǒng)，一個(gè)循環(huán)管道用文丘里流量計(jì)測(cè)流量，另一個(gè)用電磁流量計(jì)測(cè)量。對(duì)于一個(gè)給定流量，通常把流量按一定分配規(guī)則分為一大一小兩部分，大的一部分用文丘里流量計(jì)所在管道進(jìn)行粗調(diào)，剩余部分用電磁流量計(jì)所在管道精調(diào)。實(shí)驗(yàn)前，先用進(jìn)水管放水進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)，然后開(kāi)啟兩套循環(huán)系統(tǒng)，使水流開(kāi)始流動(dòng)，最后調(diào)整尾門使水流在水槽中為均勻流。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，如發(fā)現(xiàn)循環(huán)系統(tǒng)水量過(guò)多，可通過(guò)尾水池的排水管放出一定水，使尾水閘出流不為淹沒(méi)出流。水槽實(shí)驗(yàn)一直是研究水力學(xué)的基本手段。由于天然河道斷面形狀的不規(guī)則性以及量測(cè)的困難性，所以不適合研究水力學(xué)的基本規(guī)律。水槽的邊壁一般是均勻光滑的，使得水槽中糙率的調(diào)整比較困難。用三角形的鐵絲網(wǎng)架在水槽上，并通過(guò)調(diào)整鐵絲網(wǎng)架的間距λ來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的糙率值是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法。很明顯，糙率由水位和鐵絲網(wǎng)間距λ決定，必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)率定這種函數(shù)關(guān)系。橋梁的形狀如圖2所示，有半圓拱橋，雙孔半圓拱橋和橢圓拱橋，橋梁放置在編號(hào)為59＃的斷面上，此斷面距主槽進(jìn)口7m。共有三種不同的糙率組合情況，分別為

第一種情況：光滑邊界

第二種情況：主槽光滑、邊灘上λ1=500mm

第三種情況：主槽λ2=2000mm，邊灘λ1=500mm

對(duì)于每一種糙率情況，進(jìn)行了幾個(gè)流量、測(cè)量出橋梁上下游的水位差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表1中。

3拱橋法的驗(yàn)證

拱橋法(ArchMethod)由英國(guó)瓦靈弗水力學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室1985年提出[2]。拱橋法建立在動(dòng)量守恒定理和水流連續(xù)性方程基礎(chǔ)之上，導(dǎo)出如下關(guān)系式

式中下標(biāo)3表示橋梁下游斷面，CD為橋梁阻力系數(shù)，J3為橋梁下游堵塞率,dh為壅水高度，h3為下游水深，F(xiàn)r3為下游弗汝德數(shù)。

最后用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了橋梁壅水高度和下游弗汝德數(shù)和下游堵塞率的關(guān)系，從而可由下游水力要素計(jì)算橋梁壅水。應(yīng)用拱橋法計(jì)算的壅水和實(shí)測(cè)壅水的對(duì)比如表1所示。由表1可以看出，拱橋法往往過(guò)高估計(jì)橋梁壅水。

表1拱橋法驗(yàn)證表Validatetableofarchmethod

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糙率

情況

流量

(m3/s)

單孔拱橋

雙孔拱橋

橢圓拱橋

--------------------------------------------------------------------------------

實(shí)測(cè)

計(jì)算

實(shí)測(cè)

計(jì)算

實(shí)測(cè)

計(jì)算

--------------------------------------------------------------------------------

0.021

29.7

27

34.0

32

30.1

27

0.024

38.6

43

42.3

51

37.8

43

1

0.027

44.8

64

50.3

71

45.6

64

0.030

50.2

74

57.3

74

51.7

74

0.035

59.8

79

69.5

79

62.9

79

--------------------------------------------------------------------------------

0.018

16.6

25

19.9

29

16.3

25

0.021

17.8

31

21.8

35

17.8

31

0.024

17.5

37

22.9

41

17.8

37

2

0.030

19.6

45

26.2

57

19.8

45

0.035

21.8

62

31.2

73

23.7

62

0.040

22.2

71

38.6

81

32.1

73

0.045

23.9

80

50.9

93

44.4

85

0.050

27.6

82

71.5

108

69.2

102

--------------------------------------------------------------------------------

0.015

6.9

15

7.9

17

6.7

15

0.018

7.9

19

9.6

20

8.0

19

0.021

9.4

24

13.1

29

11.0

24

3

0.024

10.4

29

13.3

33

11.7

29

0.027

11.4

33

16.0

38

14.5

34

0.030

13.1

38

20.4

44

18.6

40

0.035

15.9

43

32.6

55

31.4

52

--------------------------------------------------------------------------------

4邊灘等價(jià)河寬

橋梁壅水是以通過(guò)橋洞時(shí)，由于上游的流線收縮以及下游的流線擴(kuò)散都會(huì)引起水頭損失，這些損失加上橋梁的摩擦損失就是總的水頭損失。摩擦損失用水流速度，或Fr反映，收縮和擴(kuò)散損失用阻塞率來(lái)反映。然而由于復(fù)式河道的水流結(jié)構(gòu)與單一河道并不一樣，主槽流速比灘地大，從而使流線密集于主槽，有利于水流通過(guò)橋梁，所以傳統(tǒng)方法不適用于復(fù)式河道，會(huì)過(guò)高地估計(jì)壅水高度。由于傳統(tǒng)方法如拱橋法、美國(guó)公路局法(USBPR)等以得到廣泛應(yīng)用，并以很多商業(yè)軟件（如Isis）所使用，如果能對(duì)這些方法加以修正，自然是很經(jīng)濟(jì)的解決方案。

假定存著某一河寬，使得復(fù)式河道水流在同流量，同水位下的矩形河道水流通過(guò)橋梁時(shí)將引起的同樣的壅水高度，這樣的河寬定義為等價(jià)河寬。等價(jià)河寬與主槽河寬之差定義為邊灘等價(jià)河寬，邊灘等價(jià)河寬反映了漫灘水流對(duì)主槽水流的影響效果，受灘槽各自的水深、流速、分區(qū)寬度等因素的影響。所以在研究等價(jià)河寬時(shí)，必須首先計(jì)算復(fù)式河道的水流要素。水流計(jì)算可采用PeterAkers[3]提出的協(xié)同法。PeterAkers提出的協(xié)同法因其簡(jiǎn)單、實(shí)用、精度高而成為目前最好的計(jì)算復(fù)式河道水流的一維方法，被選為英國(guó)環(huán)境局推薦方法。協(xié)同方法是建立在傳統(tǒng)的分區(qū)法基礎(chǔ)之上，根據(jù)灘地相對(duì)水深分成四個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)的流量采用不同的校正公式，并提出了一個(gè)判定分區(qū)的程序。

圖3等價(jià)河寬法驗(yàn)證圖

Validateofequivalencewidthmethod

通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)在光滑情況（糙率情況1）下，由于糙率為0.01，流速過(guò)大，等價(jià)河寬并不存在。而在其他情況下等價(jià)河寬與等流速河寬大至成比例。邊灘等流速河寬是指：把邊灘流量除以主槽的流速和水深所得的河寬(Bev),計(jì)算式為

Bev=bfVfhf/Vchc

如果Bea用來(lái)表示邊灘等價(jià)河寬，則Bea可表示為

Bea=KBev

根據(jù)目前的資料情況，K可取0.5。圖3是用等價(jià)河寬計(jì)算的壅水高驗(yàn)證圖。從圖中可以看出等價(jià)河寬法與實(shí)測(cè)值較為吻合，而且方法簡(jiǎn)單、實(shí)用，可用于復(fù)式河道的橋梁壅水計(jì)算。

5小結(jié)

橋梁壅水的危害，在大流量高水位的洪水時(shí)尤為突出，而天然河道在洪水期間，一般水流漫上了河灘，過(guò)流斷面為復(fù)式斷面，而橋梁壅水的公式多是在單一河道中建立的，目前對(duì)復(fù)式斷面的橋梁壅水問(wèn)題的研究還不多見(jiàn)。應(yīng)用實(shí)驗(yàn)資料對(duì)拱橋法進(jìn)行了驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)拱橋法往往過(guò)高估計(jì)橋梁壅水。提出了計(jì)算復(fù)式河道橋梁壅水的邊灘等價(jià)河寬的概念和計(jì)算方法，計(jì)算出的橋梁壅水與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好。

參考文獻(xiàn)

[1]KnightD.W.,1999,FlowMechanismsandSedimentTransportinCompoundChannels,InternationalJournalofSedimentResearch,Vol14,No2,pp217-236.

[2]BrownP.M.1985,AffluxatBritishbridges.Interimreport,NoSR60,HydraulicsResearch,Wallingfor.

[3]AckersP.,1993,Flowformulaeforstraighttwo-stagechannel,JournalofHydraulicReseach,IAHR,Vol.31,No.4,pp509-531.