杜偉

（甘肅恒路交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅蘭州 730030）

0 引言

山區(qū)橋涵主要是指建于山區(qū)地帶的橋梁與涵洞，具有承受車(chē)輛荷載的作用，可助力山區(qū)交通服務(wù)能力的提升。因橋涵工程需跨越水流，為維持其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，應(yīng)從洪峰流量及橋位兩個(gè)層面，制訂完善的工程設(shè)計(jì)規(guī)劃，確保各項(xiàng)參數(shù)合理，滿(mǎn)足其實(shí)際抗水流沖刷需求，保證橋涵工程建設(shè)質(zhì)量。

1 山區(qū)橋涵設(shè)計(jì)原則

1.1 協(xié)調(diào)性

在山區(qū)橋涵工程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)注重橋孔布設(shè)及跨徑選擇的協(xié)調(diào)性。通常情況下，設(shè)計(jì)山區(qū)橋涵時(shí)，需結(jié)合山區(qū)多災(zāi)的特殊情況，以及地質(zhì)環(huán)境特殊的特點(diǎn)，合理選用橋型結(jié)構(gòu)。

1.2 審美性

山區(qū)橋涵除了要能夠滿(mǎn)足交通運(yùn)輸服務(wù)需求，還要起到一定的環(huán)境裝飾作用。設(shè)計(jì)人員在考慮橋涵設(shè)計(jì)適用性的基礎(chǔ)上，還要考慮橋涵設(shè)計(jì)的美觀性，從美觀度的層面深化橋涵工程的影響力。

1.3 安全性

橋涵工程按照設(shè)計(jì)規(guī)劃順利建成后，需在橋面上進(jìn)行人車(chē)通行服務(wù)，若橋涵結(jié)構(gòu)不安全或者設(shè)計(jì)洪峰流量不當(dāng)，可能引發(fā)安全隱患，甚至縮短橋涵使用壽命。

因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)從橋涵運(yùn)營(yíng)管理、橋面養(yǎng)護(hù)等多個(gè)方面對(duì)構(gòu)造物進(jìn)行安全設(shè)計(jì)。

1.4 經(jīng)濟(jì)性

山區(qū)橋涵設(shè)計(jì)除了要滿(mǎn)足上述一般原則，還要充分考慮設(shè)計(jì)成本，不宜為了過(guò)度追求美觀度或安全性而增加造價(jià)負(fù)擔(dān)。

2 山區(qū)橋涵設(shè)計(jì)中流量確定方法

2.1 分區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式法

在計(jì)算山區(qū)橋涵洪峰流量時(shí)，可以采用分區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式法，對(duì)大流域與小流域流量分別展開(kāi)計(jì)算。通常將流域面積超過(guò)100km2的稱(chēng)為大流域，未至100km2的則為小流域。此次研究以甘肅省山區(qū)橋涵項(xiàng)目為例，其中大流域可參照下列公式求取流量值（Qi%）。

式（1）中：K 為計(jì)算參數(shù)；F 為流域面積（km2）；n 為暴雨遞減指數(shù)。

式（2）中：Kp為分區(qū)計(jì)算參數(shù)；QO為分區(qū)平均流量（m3/s）。

綜合分析大流域流量時(shí)，大流域計(jì)算理論可能與小流域計(jì)算理論有沖突。若采用分區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式所得出的結(jié)果與小流域100km2計(jì)算值不一致，且未得到其他資料支撐，可以選取較大值為標(biāo)準(zhǔn)值。如位于甘肅省通渭縣義崗鎮(zhèn)跨越義崗河的橋梁，按照百年一遇洪水頻率計(jì)算，其流域面積為166.7km2，屬大流域，根據(jù)分區(qū)公式計(jì)算得Q1%=792m3/s，經(jīng)驗(yàn)算，該地區(qū)F′=100km2條件下的小流域值為Q1%=475m3/s，取其大值Q1%=792m3/s 為設(shè)計(jì)值，與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和文獻(xiàn)查閱結(jié)果基本一致，計(jì)算結(jié)果可靠。

在小流域橋涵工程中，可按下述公式求算流量。

式（3）中：Ψ 為洪峰徑流系數(shù)；Sp為暴雨雨力（mm/h）；μ 與m、λ2均為計(jì)算參數(shù)。

結(jié)合交通運(yùn)輸部研究經(jīng)驗(yàn)，也可采用下列公式確定洪峰流量。

式（4）中：C、β4、λ3均為計(jì)算參數(shù)。

2.2 推理公式確定法

除了依據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)確定洪峰流量，還可采用推理公式確定法。所謂推理公式，是借助圖解分析方式，對(duì)橋涵河道環(huán)境相關(guān)參數(shù)展開(kāi)推導(dǎo)，從而得出適合橋涵工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)推理公式，即：

式（5）中：τ為流域匯流時(shí)間（h）；n 為暴雨遞減指數(shù)；μ為計(jì)算參數(shù)。繪制曲線(xiàn)圖時(shí)，可根據(jù)流域匯流時(shí)間與洪峰流量曲線(xiàn)圖、洪峰流量與m=0.9(L為干流長(zhǎng)度；J為流域平均坡度）曲線(xiàn)圖，觀察曲線(xiàn)分布規(guī)律。順利繪制曲線(xiàn)圖后，其中曲線(xiàn)圖交點(diǎn)縱坐標(biāo)數(shù)據(jù)即為洪峰流量。

設(shè)計(jì)人員應(yīng)用推理公式確定法確定流量時(shí)，還要先行了解橋涵被水沖毀的具體因素及沖毀機(jī)理，充分結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害、水流沖刷、硬物撞擊、泥沙擁堵等損壞機(jī)理，推理出流量設(shè)計(jì)思路，這樣才能提升洪峰流量計(jì)算結(jié)果的可靠性，進(jìn)而依據(jù)工況確認(rèn)流量值[1]。

2.3 水力計(jì)算輔助法

因橋涵在運(yùn)營(yíng)期間受環(huán)境因素影響較大，故在工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)合理設(shè)計(jì)流量值，使橋涵建成后能夠有效抵御水流沖刷。

其間可根據(jù)水流流動(dòng)速度（V）計(jì)算出流量（Q），即：

式（6）中：ω為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e（m2）；R為水力半徑（m）；I為水面比降；n 為河床糙率。

而后計(jì)算橋面最低標(biāo)高（Hmin），為橋位設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。

式（7）中：Hs為設(shè)計(jì)洪水位（m）；∑△h 為河流河灣高差、水拱、壅水以及浪高等諸多影響標(biāo)高因素總和（m）；△hj為橋下凈空安全值；△ho為上部結(jié)構(gòu)建筑高度。

確定好最低標(biāo)高后，在合理的標(biāo)高設(shè)計(jì)值和合理的孔跨布設(shè)下，可有效削弱水流沖刷力。而后需要借助如下公式，計(jì)算河槽一般沖刷值。

式（8-1）～式（8-3）中：hp為一般沖刷后水深（m）；Qp為設(shè)計(jì)流量；Q2為河槽部分通過(guò)的設(shè)計(jì)流量；Qc為天然狀態(tài)下河槽部分通過(guò)的設(shè)計(jì)流量；Qt1為天然狀態(tài)下河灘部分設(shè)計(jì)流量；Bc為天然狀態(tài)河槽寬；Bcg為橋長(zhǎng)范圍河槽寬；Bz為造床流量下河槽寬度；λ為橋墩阻水比；hcm為河槽最大水深；Ad為單寬流量集中系數(shù)；Hz為造床流量下河槽平均水深。

在一般沖刷基礎(chǔ)上，按照下述公式（9）計(jì)算橋墩局部沖刷值，以進(jìn)一步明確橋墩沖刷波及范圍，保證設(shè)計(jì)洪峰流量與抗沖刷的相關(guān)要求相符[2]。

當(dāng)V≤V0時(shí)，

當(dāng)V＞V0時(shí)，

式（9-1）～式（9-6）中：hb為橋墩局部沖刷深度（m）；Kξ為墩形系數(shù)；Kη1為河床顆粒影響系數(shù)；B1為橋墩計(jì)算寬度（m）；為河床泥沙平均粒徑；V為一般沖刷后墩前行進(jìn)流速（m/s）；V0為河床泥沙起動(dòng)流速（m/s）；V0’為墩前泥沙始沖流速（m/s）；n1為指數(shù)。

設(shè)計(jì)人員應(yīng)按照上述方法確定流量，因目前在流量計(jì)算上缺乏標(biāo)準(zhǔn)公式，故需采取推理及經(jīng)驗(yàn)借鑒等形式，摸索流量確定規(guī)律，并注重對(duì)各橋梁流量確定結(jié)果的驗(yàn)算分析。如位于甘肅省通渭縣平襄鎮(zhèn)四聯(lián)村跨越南家河的大橋，按照百年一遇洪水頻率計(jì)算，其流域面積為F=36.3km2、干流長(zhǎng)度I=6km、流域平均坡度J=5‰，屬于小流域，計(jì)算設(shè)計(jì)流量為Q1%=363m3/s。根據(jù)橋址處河床斷面（見(jiàn)圖1），采用水力計(jì)算輔助法驗(yàn)算，首先假定水位h=1793.53m，分別計(jì)算河槽和河灘的相應(yīng)流量，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

圖1 南家河大橋橋址處河床斷面圖

表1 河槽和河灘相應(yīng)流量計(jì)算結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果可知，計(jì)算流量與設(shè)計(jì)流量相差小于5%，故表1 中計(jì)算洪水位可確定為形態(tài)斷面的設(shè)計(jì)水位，因此橋位的設(shè)計(jì)洪水位為1793.53m。進(jìn)一步計(jì)算沖刷值（見(jiàn)表2）。

表2 沖刷值計(jì)算結(jié)果

沖刷總深度=一般沖刷深度+墩臺(tái)局部沖刷深度=（4.65-3.45）+0.52＝1.72m。將計(jì)算結(jié)果與橋址處洪痕資料比對(duì)，發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果可靠，能夠滿(mǎn)足橋梁設(shè)計(jì)要求。

3 山區(qū)橋涵設(shè)計(jì)中橋位選擇路徑

3.1 依托橋涵地質(zhì)環(huán)境

在山區(qū)橋涵設(shè)計(jì)中，除了需要明確洪峰流量，還要選擇適合的橋位（指橋涵建設(shè)位置及其走向），否則不但容易影響美觀度，也會(huì)削弱橋涵結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，降低整體承載力。設(shè)計(jì)人員在橋位選擇過(guò)程中，應(yīng)注重對(duì)地質(zhì)環(huán)境的調(diào)查分析[3]。

以義崗河橋?yàn)槔?，該橋梁工程所在地土層以填筑土層、黃土狀粉土層、砂礫層、粉質(zhì)黏土層為主，最下部為花崗巖層，整體硬度較高。橋位確定時(shí)，設(shè)計(jì)人員依據(jù)地質(zhì)情況，將跨徑設(shè)計(jì)為4～20m，樁位避開(kāi)原橋基礎(chǔ)，并按照嵌巖樁設(shè)計(jì)，以充分發(fā)揮樁基承載能力，保證橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.2 結(jié)合流量分布特征

橋位的選擇不僅要依托地質(zhì)環(huán)境勘察資料，還要根據(jù)洪峰流量設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)選。以南家河大橋（見(jiàn)圖2）為例，該橋位于甘肅省通渭縣平襄鎮(zhèn)四聯(lián)村跨河處，橋址上游80m 處堿灘溝匯入南家河，經(jīng)過(guò)計(jì)算，橋址處百年一遇橋梁洪峰流量設(shè)計(jì)值為383m3/s。根據(jù)流量分布特征，擬建橋址處位于較穩(wěn)定的河灣中部，計(jì)算得沖刷力相對(duì)較小，在最大限度地服從路線(xiàn)走向的情況下，可避免將橋梁設(shè)于上游河汊處時(shí)的沖刷病害。結(jié)構(gòu)形式上選用阻水面積小的柱式墩，可最大化降低洪峰流量的影響。總之，設(shè)計(jì)人員在選擇橋位時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)流量設(shè)計(jì)結(jié)果的分析，使橋位與流量保持一定的協(xié)調(diào)性[4]。

圖2 南家河橋現(xiàn)場(chǎng)建設(shè)圖

3.3 整合地勢(shì)地形資料

在確定橋位時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)在整理地質(zhì)勘查資料的基礎(chǔ)上，對(duì)地形圖等圖文資料進(jìn)行有效整合。如南家河大橋，因其位于山口位置，距上游河汊較近，橋頭兩端存在波動(dòng)明顯的地形差異，為實(shí)現(xiàn)對(duì)橋位的科學(xué)設(shè)計(jì)，兩岸橋臺(tái)都要位于地形穩(wěn)定的黃土臺(tái)地之上，并修建完善的導(dǎo)流設(shè)施，與河道堤防銜接，提高岸坡穩(wěn)定性，最后在橋頭兩岸修建截排水溝系統(tǒng)，提前降低土層含水量，消除工程建設(shè)后地表水沖蝕風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在山區(qū)橋涵工程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，流量設(shè)計(jì)與橋位選擇為重要設(shè)計(jì)內(nèi)容。設(shè)計(jì)人員應(yīng)遵循協(xié)調(diào)性、審美性、安全性、經(jīng)濟(jì)性原則，制訂可行性設(shè)計(jì)方案，并采用分區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式、推理公式、水力計(jì)算輔助等方法，確定洪峰流量。為保證橋涵建設(shè)質(zhì)量，還應(yīng)結(jié)合橋涵地質(zhì)環(huán)境、流量分布特征、地勢(shì)地形資料等，合理選擇橋位，確保擬建項(xiàng)目建成后保持良好的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。