李江海

（呂梁市橫泉水庫建設(shè)管理局，山西 呂梁市 033000）

1 問題的提出

根據(jù)《中華人民共和國防洪法》等有關(guān)規(guī)定，跨河道修建橋梁等建筑物時，應(yīng)就洪水對建設(shè)項(xiàng)目可能產(chǎn)生的影響和建設(shè)項(xiàng)目對防洪可能產(chǎn)生的影響作出評價，編制防洪評價報(bào)告，提出防御措施。按照《河道管理規(guī)范內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目防洪評價報(bào)告編制導(dǎo)則（試行）》，防洪評價報(bào)告包括六大內(nèi)容，其中作為防洪評價報(bào)告重要組成部分的防洪評價計(jì)算，主要包括水文分析計(jì)算、壅水分析計(jì)算、沖刷和淤積分析計(jì)算、河勢影響分析計(jì)算等內(nèi)容。根據(jù)目前山西省編制的防洪評價報(bào)告來看，大部分防洪評價計(jì)算都有較成熟和統(tǒng)一的計(jì)算方法，但橋梁的壅水分析計(jì)算方法種類繁多，計(jì)算結(jié)果差距較大，因此有必要提出較為合理的壅水計(jì)算方法。常用的壅水計(jì)算公式主要有水面曲線公式、無底坎寬頂堰公式和公路橋涵設(shè)計(jì)手冊《橋位設(shè)計(jì)》中的兩個壅水計(jì)算公式，下面著重分析上述四種方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用條件。

2 壅水計(jì)算作用

通過對河道內(nèi)修建橋梁前后的水面曲線分析，計(jì)算出建橋后最大壅水高度、壅水位置和壅水長度，由此不僅可以復(fù)核橋梁的建設(shè)高度和兩岸堤防的高度是否滿足行洪要求，還可分析得出建橋后對防汛搶險(xiǎn)和橋址河段上下游其他河道及建筑物的影響程度，在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的防治和補(bǔ)救措施，作出防洪綜合評價。

3 壅水計(jì)算方法比較

為計(jì)算建橋后河道的壅水情況，首先需計(jì)算建橋前的天然河道水面曲線，以便與建橋后的水面曲線進(jìn)行比較，確定壅水高度。關(guān)于建橋前的天然河道水面曲線計(jì)算，在各類防洪評價報(bào)告中方法較為統(tǒng)一，即

式中：Z1，Z2——上下游斷面的水位，m；

v1，v2——上下游斷面的流速，m/s；

α1，α2——上下游斷面的動能修正系數(shù)；

hf，hj——沿程水頭損失和局部水頭損失，m。

一般河道均為緩流，水面曲線應(yīng)從下游向上游通過試算推求。為了分析建橋后的壅水情況，天然河道水面曲線計(jì)算分段時，除按公式應(yīng)用要求確定計(jì)算斷面外，還必須將橋址處和初估最大壅水高度位置作為計(jì)算斷面。對于建橋后橋梁的壅水計(jì)算，常用的公式有以下四種：

3.1 水面曲線公式

計(jì)算公式仍采用式（1），通過對建橋前后水位的比較可得出壅水高度，但需考慮因橋梁阻水產(chǎn)生的局部水頭損失。在實(shí)際計(jì)算中，采用該方法的優(yōu)點(diǎn)是：該公式作為水力學(xué)水面曲線計(jì)算中的基本公式，在各行業(yè)中得到普遍應(yīng)用，特別是在河道規(guī)劃等計(jì)算精度要求不高的工程中，計(jì)算過程較為簡便。缺點(diǎn)是：局部水頭損失較難確定，如橋墩長寬比不等于4時，局部水頭損失系數(shù)無明確取值，另外河槽內(nèi)新建橋墩對原過水面積的減小、橋下回流區(qū)域產(chǎn)生的無效過水面積與濕周、橋墩方向與水流方向夾角不同等因素也會影響局部水頭損失系數(shù)的取值，但這些因素在該公式中得不到直接體現(xiàn)，雖然上述部分參數(shù)可參照《橋梁水力學(xué)》等資料中的有關(guān)公式確定，但計(jì)算過程較為繁瑣。對于比較順直的河道采用明渠均勻流公式，而絕大多數(shù)天然河道由于形狀不規(guī)則，且調(diào)蓄作用不明顯，一般采用下列恒定流水面曲線公式進(jìn)行計(jì)算：

3.2 無底坎寬頂堰公式

無底坎寬頂堰公式計(jì)算公式為：

式中：Q——過橋流量，m3/s；

σ——淹沒系數(shù)；

m——流量系數(shù)；

b——橋凈長度，m；

H0——上游流速水頭，m。

根據(jù)上游流速水頭和上游斷面即可計(jì)算出上游水深，得出壅水高度。該方法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡單，缺點(diǎn)是必須滿足使用條件，即橋?qū)捙c上游水深的比值必須在0.67～2.5之間；壅水位置在3～5倍的上游水深之間，但具體位置難以確定，一般僅用于矩形斷面，而不規(guī)則的天然河床斷面計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜。所以式（2）多用于影響不大且過水?dāng)嗝鏋榫匦蔚男蚝账?jì)算。

3.3《橋位設(shè)計(jì)》公式之一

3.4《橋位設(shè)計(jì)》公式之二

式中：Δz——橋前最大壅水高度，m；

η——系數(shù)；

4 結(jié)語

式中：Δz——橋前最大壅水高度，m；

K——壅水系數(shù)；

通過對以上四種壅水計(jì)算公式的分析可知：在推求整個河道水面曲線計(jì)算中，對最高壅水位與橋墩的準(zhǔn)確距離等要求不是很高，所以部分因素可以忽略，此時采用水面曲線計(jì)算公式較為簡單，但對于防洪評價中的橋梁壅水計(jì)算，精度要求相對較高，若采用該公式進(jìn)行計(jì)算，不僅計(jì)算過程復(fù)雜，而且要求的計(jì)算參數(shù)較多，一般難以滿足，故防洪評價計(jì)算中要慎用；對于矩形過水?dāng)嗝娴男蚝刹捎檬剑?）；對于資料比較齊全的工程可采用式（3）；對于資料不全、精度要求不是很高的工程可采用式（4）。上述橋梁壅水計(jì)算公式主要適用于緩坡河道，陡坡河道一般不會出現(xiàn)很長的壅水，主要應(yīng)考慮橋墩的水流沖擊高度。由于橋梁實(shí)際水流非常復(fù)雜，目前壅水計(jì)算中有的公式是對許多影響水流的因素進(jìn)行了簡化甚至予以忽略，大多屬于理論與經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的公式，使得計(jì)算結(jié)果或多或少與實(shí)際情況有所不同，因此，對于所在河段有重要防洪任務(wù)或?qū)觿莘€(wěn)定可能產(chǎn)生較大影響的橋梁，在采用上述公式進(jìn)行防洪評價壅水分析時還應(yīng)通過數(shù)學(xué)模型計(jì)算或物理模型試驗(yàn)復(fù)核計(jì)算結(jié)果。