葉 潘

（中咨盛裕交通設(shè)計(jì)研究有限公司，北京 100048）

0 引言

為緩解高速公路小橋涵水毀災(zāi)害的影響，需要進(jìn)行大量關(guān)于水文災(zāi)害的調(diào)查和研究工作，同時(shí)發(fā)揮橋涵水文計(jì)算的重要作用[1-2]。準(zhǔn)確實(shí)施小橋涵的水文計(jì)算最關(guān)鍵的目的是更好地防御山洪并降低其帶來的各方面損失，并積極推進(jìn)橋涵在高速公路運(yùn)行過程中的促進(jìn)作用。本文在大量豐富有效的計(jì)算模式和方法的基礎(chǔ)上，針對高速公路小橋涵水文計(jì)算方法進(jìn)行闡述和研究，以期在多種因素共同影響和作用下都能保證小橋涵的安全穩(wěn)定，維持高速公路良好的運(yùn)行狀態(tài)。

1 獲取小橋涵表面高度及橋涵洞長度

高速公路中小橋涵的比例大致占30%，是非常重要的構(gòu)成部分[3]。小橋涵需要較長的設(shè)計(jì)周期，且施工成本較高，因此小橋涵的高度、孔洞的長度及位置在設(shè)計(jì)及施工中都有較嚴(yán)格的要求。在高速公路小橋涵水文計(jì)算的過程中，獲取小橋涵表面高度及橋涵洞長度是不可缺少的步驟。水位G0的數(shù)值可以通過下式計(jì)算得出：

式中：Gmax——水位最高數(shù)值；

Δgs——小橋涵上部設(shè)施的高度。

高速公路小橋涵孔洞長度也受區(qū)域地形及自然地質(zhì)條件等其他因素的影響，在計(jì)算過程中應(yīng)根據(jù)具體情況，因地制宜，作出相對應(yīng)的計(jì)算過程。高速公路中的小橋涵有多種類型，彼此間差異較大，因此在計(jì)算時(shí)很難有完全統(tǒng)一的方法和公式，為獲取小橋涵表面高度及橋涵洞長度的數(shù)值，要綜合各類因素的影響結(jié)果，充分結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況，利用積累的經(jīng)驗(yàn)和研究成果，隨時(shí)對小橋涵水文計(jì)算的方法進(jìn)行調(diào)整。

2 確定沖刷影響

由于高速公路小橋涵工程要承受山區(qū)河流及洪水等水文地質(zhì)災(zāi)害的沖刷和沖擊，因此根據(jù)規(guī)定，小橋涵最佳的施工位置應(yīng)該選取在平順形直的河段，水流穩(wěn)定且河段偏窄，或是河槽及河灘較為明顯的地段。為了計(jì)算小橋涵水文計(jì)算方法中沖刷影響的部分，可以假定不同的沖刷過程各自獨(dú)立進(jìn)行，再將計(jì)算結(jié)果結(jié)合，可以得到最大的沖刷效果，即小橋涵能夠承受的最大的沖刷力，基本計(jì)算公式如下：

式中：P——在一般沖刷過程后小橋涵所處河段的最大水深；

k——河段總體的流量系數(shù)；

T1與T0——分別代表小橋涵所處河段可通過的最大流量數(shù)值和河段總體可承受的最大流量數(shù)值；

α——河段水流向小橋涵工程所施加的壓力系數(shù)；

h——小橋涵所在河段寬度；

R——河段的整體寬度。

此外，環(huán)境對小橋涵的沖刷過程還包括局部沖刷，在計(jì)算局部沖刷時(shí)，要著重考慮泥沙在沖刷過程中的作用，可以通過以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：hj——小橋涵基底受局部沖刷的深度；

x——河段泥沙系數(shù)；

W1——小橋涵的實(shí)際寬度；

S和S0——分別表示小橋涵所在河段的泥沙流速和河段整體的平均泥沙流速。

3 計(jì)算高速公路小橋涵在環(huán)境中的受力

高速公路的小橋涵工程地處多樣的自然環(huán)境和地質(zhì)環(huán)境中，每處河段及河槽河灘的地形也大不相同，因此獲取小橋涵在各自環(huán)境中所受的壓力也是小橋涵水文計(jì)算中的重要部分[4-5]。由于對小橋涵安全及穩(wěn)定產(chǎn)生主要影響的自然地質(zhì)災(zāi)害為洪水災(zāi)害，因此著重計(jì)算洪水災(zāi)害發(fā)生時(shí)多種因素對小橋涵的壓力影響，例如洪災(zāi)中強(qiáng)大水流對小橋涵產(chǎn)生的上托力，漂浮于洪水中的顆粒物帶來的沖擊力以及周圍滑坡產(chǎn)生的壓力等等，可根據(jù)以下公式計(jì)算：

式中：F——小橋涵受水流作用力的總和；

r——洪災(zāi)期間的水力半徑；

Δh——通過小橋涵的水流平均流速；

s——小橋涵定點(diǎn)的瞬時(shí)流速；

k——總體的河流系數(shù)。

高速公路小橋涵在環(huán)境中的受力與其影響因素呈正向相關(guān)關(guān)系，由此可以推出結(jié)論，當(dāng)小橋涵所處區(qū)域發(fā)生洪水災(zāi)害時(shí)，河段的水位產(chǎn)生劇烈的變化，通過小橋涵的水流速度急速上升，并同時(shí)攜帶大量漂浮顆粒物，對小橋涵工程產(chǎn)生巨大的作用力，因此在高速公路小橋涵水文計(jì)算工作中，要充分考慮洪災(zāi)等自然地質(zhì)災(zāi)害對小橋涵工程產(chǎn)生的強(qiáng)大作用力，從而讓水文計(jì)算的結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。

4 計(jì)算區(qū)域洪水流量

在計(jì)算區(qū)域洪水流量前，可根據(jù)當(dāng)前的洪水流量記錄資料對區(qū)域的洪水流量歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行推算，作為區(qū)域洪水流量計(jì)算中的一個重要參考。歷史洪水流量的推算應(yīng)首先實(shí)地考察歷史洪災(zāi)留下的痕跡以及小橋涵所處河段的地形等因素，再通過如下公式對歷史洪水流量進(jìn)行計(jì)算：

式中：A——需要計(jì)算的歷史洪水流量；

n——小橋涵所在河段歷史流速平均系數(shù)；

r——河段水力半徑；

M——小橋涵所在河段的比降值。

由此可以計(jì)算出小橋涵所在河段區(qū)域歷史上的洪水流量，為當(dāng)前小橋涵水文計(jì)算提供參考依據(jù)。其中，[r]作為河段水力半徑，是計(jì)算歷史洪水流量過程中非常重要的參數(shù)。水力半徑通過數(shù)值來表現(xiàn)橋涵工程的過水量，即工程對水流產(chǎn)生的影響。r的數(shù)值越大，小橋涵能承受的過水水流量越大，過水能力越強(qiáng)，因此在計(jì)算過程中，水力半徑的數(shù)值是衡量小橋涵承載能力的一個重要指標(biāo)。

歷史洪水流量的數(shù)值與發(fā)生頻率間有非常緊密的關(guān)系，根據(jù)目前已有資料總結(jié)出兩者間的關(guān)系趨勢及走向，具體如圖1所示。

圖1 2018-2020洪水流量與頻率的關(guān)系走向

從圖1中曲線可知，由于我國洪災(zāi)防治措施的進(jìn)步，洪量大的洪災(zāi)發(fā)生頻率逐漸降低，發(fā)生頻率高的洪災(zāi)流量也呈下降趨勢，洪水流量與頻率間大致呈反向關(guān)系。在獲取了歷史洪水流量參數(shù)后，再根據(jù)區(qū)域河流面積及河段平均比降值等其他影響因素，按下列公式計(jì)算小橋涵所在區(qū)域的洪水流量：

式中：FA——小橋涵所在區(qū)域的平均洪峰流量；

I——河道系數(shù)；

Jd——計(jì)算區(qū)域一天內(nèi)最大的降雨值；

Z——小橋涵所在區(qū)域的流域面積；

M0——河段整體的比降平均值。

根據(jù)上述公式，可以對高速公路小橋涵水文計(jì)算中的洪水流量部分進(jìn)行計(jì)算，作為整體水文計(jì)算的重要參考。

5 應(yīng)用測試

5.1 準(zhǔn)備工作

為了檢測高速公路小橋涵水文計(jì)算方法的反饋效果，利用上述計(jì)算方式和過程，選定某區(qū)域A內(nèi)幾個特定的小橋涵工程地點(diǎn)，進(jìn)行水文計(jì)算，并對計(jì)算方法的測試結(jié)果進(jìn)行收集、歸納和總結(jié)。首先在選定區(qū)域內(nèi)選擇5個小橋涵工程定位點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)其過去一年內(nèi)4個季度分別的降雨量，作為小橋涵水文計(jì)算測試工作中的重要參數(shù)，具體如表1所示。

表1 選定區(qū)域內(nèi)四季度降雨量統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)可知，此選定區(qū)域內(nèi)暴雨季節(jié)穩(wěn)定在第二季度與第三季度之間，在進(jìn)行高速公路小橋涵水文計(jì)算時(shí)要將降雨量納入考量，其中設(shè)定z為小橋涵水文計(jì)算測試中的差量參數(shù)，以此來衡量計(jì)算結(jié)果的誤差大小，z越趨近于0，代表小橋涵水文計(jì)算的誤差越小，準(zhǔn)確性越高。

5.2 高速公路小橋涵水文計(jì)算方法測試反饋結(jié)果

對小橋涵水文計(jì)算方法的測試階段將區(qū)域A作為選定區(qū)域，對區(qū)域內(nèi)的兩處小橋涵定點(diǎn)進(jìn)行水文計(jì)算方法測試，并將傳統(tǒng)計(jì)算方法的測試記錄作為對照組進(jìn)行對比，抽取其中10組測試數(shù)據(jù)，表2為此階段測試結(jié)果。

表2 區(qū)域A5處小橋涵水文計(jì)算測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

由表2對比數(shù)據(jù)結(jié)果可知，實(shí)驗(yàn)組1和實(shí)驗(yàn)組2差量參數(shù)的平均值分別為0.71和0.49；對照組1和對照組2差量參數(shù)的平均值為1.86和1.66，觀察這些數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，本文研究的方法相比傳統(tǒng)方法，差量參數(shù)分別減少了1.15和1.17。

6 結(jié)束語

此次研究在明確高速公路小橋涵水文計(jì)算的重要性及過程中存在的難度和問題后，針對性地提出了小橋涵水文計(jì)算的方法和步驟，為今后改善水文計(jì)算工作提供了新的發(fā)展。但根據(jù)文中闡述的方法過程可以發(fā)現(xiàn)，水文計(jì)算方法中自然環(huán)境的不確定因素較多，很難得到精確的數(shù)據(jù)，會對整體的水文計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響。今后可以增強(qiáng)對高速公路小橋涵所在地區(qū)自然環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控，盡量多獲取環(huán)境中影響因素的數(shù)據(jù)，將高速公路小橋涵水文計(jì)算的結(jié)果誤差控制在合理范圍內(nèi)，成為未來小橋涵工程建設(shè)的重要依據(jù)。