水利工程論文-復(fù)式河道的橋梁壅水計(jì)算摘要：本文應(yīng)用復(fù)式河道的橋梁壅水實(shí)驗(yàn)資料對拱橋法進(jìn)行了驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)拱橋法計(jì)算值往往過高。提出了可用于復(fù)式河道的邊灘等價(jià)河寬的概念和計(jì)算方法,并與實(shí)測資料進(jìn)行了對比。關(guān)鍵詞：復(fù)式河道橋梁壅水1前言所謂復(fù)式河道是指有河漫灘的河道，在洪水期，河漫灘將會被淹沒。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，斷面過水能力通常會降低。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題對于洪水預(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)問題，增進(jìn)合作、交流、避免重復(fù)研究，由英國科學(xué)與工程研究委員會資助，在英國瓦靈弗水力學(xué)研究所（HydraulicsResearchLimitedWallingford,UK）建成了洪水河道設(shè)施(FloodChannelFacility，簡稱FCF)。FCF自1986年開放以來，主要進(jìn)行了三個系列的實(shí)驗(yàn)：19871989年的順直和歪斜河道實(shí)驗(yàn)：19901994年的彎曲河道實(shí)驗(yàn)；19951997的固定河岸、可動河床實(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年國際水力學(xué)研究協(xié)會第26屆大會上被選定為檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模型的基準(zhǔn)資料。1999年，Knight1對復(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，增大了淹沒面積，滯蓄了洪水，從而增大洪水災(zāi)害。如果流量過大，使洪水漫過橋梁，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：美國公路局法（USBPR）、美國地調(diào)局法（USGS）、英國瓦林弗水力學(xué)研究所的拱橋法(Arch)、Biery和Delleur法等。這些方法一般是通過聯(lián)解動能或動量方程與連續(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，目前對復(fù)式斷面的橋梁壅水問題的研究還不多見，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22m，寬1.213m，深4.4m。水槽上用PVC材料做成了一個復(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)有兩個水循環(huán)系統(tǒng)，一個循環(huán)管道用文丘里流量計(jì)測流量，另一個用電磁流量計(jì)測量。對于一個給定流量，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)，然后開啟兩套循環(huán)系統(tǒng)，使水流開始流動，最后調(diào)整尾門使水流在水槽中為均勻流。實(shí)驗(yàn)過程中，如發(fā)現(xiàn)循環(huán)系統(tǒng)水量過多，可通過尾水池的排水管放出一定水，使尾水閘出流不為淹沒出流。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，并通過調(diào)整鐵絲網(wǎng)架的間距來實(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)間距決定，必須通過實(shí)驗(yàn)來率定這種函數(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1=500mm第三種情況：主槽2=2000mm，邊灘1=500mm對于每一種糙率情況，進(jìn)行了幾個流量、測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)測壅水的對比如表1所示。由表1可以看出，拱橋法往往過高估計(jì)橋梁壅水。表1拱橋法驗(yàn)證表Validatetableofarchmethod糙率情況流量(m3/s)單孔拱橋雙孔拱橋橢圓拱橋?qū)崪y計(jì)算實(shí)測計(jì)算實(shí)測計(jì)算0.02129.72734.03230.1270.02438.64342.35137.84310.02744.86450.37145.6640.03050.27457.37451.7740.03559.87969.57962.9790.01816.62519.92916.3250.02117.83121.83517.8310.02417.53722.94117.83720.03019.64526.25719.8450.03521.86231.27323.7620.04022.27138.68132.1730.04523.98050.99344.4850.05027.68271.510869.21020.0156.9157.9176.7150.0187.9199.6208.0190.0219.42413.12911.02430.02410.42913.33311.7290.02711.43316.03814.5340.03013.13820.44418.6400.03515.94332.65531.4524邊灘等價(jià)河寬橋梁壅水是以通過橋洞時(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，有利于水流通過橋梁，所以傳統(tǒng)方法不適用于復(fù)式河道，會過高地估計(jì)壅水高度。由于傳統(tǒng)方法如拱橋法、美國公路局法(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PeterAkers3提出的協(xié)同法。PeterAkers提出的協(xié)同法因其簡單、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，被選為英國環(huán)境圖3等價(jià)河寬法驗(yàn)證圖局推薦方法。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)灘地相對水深分成四個區(qū)，每個區(qū)的流量采用不同的校正公式，并提出了一個判定分區(qū)的程序。Validateofequivalencewidthmethod通過計(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),Bev=bfVfhf/Vchc如果Bea用來表示邊灘等價(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)測值較為吻合，而且方法簡單、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，目前對復(fù)式斷面的橋梁壅水問題的研究還不多見。應(yīng)用實(shí)驗(yàn)資料對拱橋法進(jìn)行了驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)拱橋法往往過高估計(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)1KnightD.W.,1999,FlowMechanismsandSedimentTransportinCompoundChannels,InternationalJournalofSedimentResearch,Vol14,No2,pp217-236.2