高速公路大桥的水文计算分析

摘要：揭阳至河源高速公路是广东省公路网二横线的组成部分。桥梁是公路跨越河流的主要形式,公路工程中桥梁工程占了较大的比重,而水文调查、计算工作在桥梁设计中是极其重要的因素。水文计算是公路桥梁设计中的一项重要内容，包括设计洪水流量及洪水位计算、桥孔设计计算及冲刷计算等。本文以实际工程项目为基础，对跨越某大河桥梁做水文计算分析。概述了公路桥梁中水文计算的计算思路和方法，指出了分析计算中应注意的问题，可供相关人员参考。

关键词：桥梁设计；水文计算；设计洪水流量；冲刷计算

中图分类号：U442.5+9文献标识码：A文章编号：

一、研究背景

水文调查、计算工作在桥梁设计中是极其重要的因素。水文计算的工作精度集中体现了桥梁的安全性、适用性与经济合理性。水文计算的主要内容包括:桥位选择、流量计算、桥梁孔径和墩台基础底埋置深度的确定等。

揭阳至河源高速公路是广东省公路网二横线的组成部分。通过与拟建的广河高速公路相接，将形成广州与粤东地区的直接连接，形成粤东地区通往省会城市广州的快捷通道。义容河大桥所跨越的义容河，为东江一级支流，是紫金县西部的主要河流。

二、流量计算

目前，对于大、中河流，具有足够的实测流量资料时，主要采用数理统计法（水文统计法），而缺乏实测资料时，则多采用间接方法或经验公式计算，若具有足够的实测暴雨资料时，也可以利用暴雨资料，通过成因分析，进行计算。如《公路工程水文勘测设计规范（JTGC30-2002）》[1]（下面简称“规范”）中利用历史洪水位推算设计流量，《公路涵洞设计细则（JTG/T D65-04-2007）》中暴雨推理法、径流形成法、形态调查法、直接类比法等计算设计流量。

义容河汇水面积很大，为325 km2，不能采用用以上规范来计算该河设计流量。因此本桥位处计算该河流量采用《广东省暴雨径流计算差算图表使用手册》中推理公式法（1988年修订）[2]。

1、基本资料

集水区域工程特征:汇水面积F=325km2,干流长度L=22.135km,河床坡降J=0.00596,集水区域特征参数θ=L/J1/3=122.06,洪水频率P=1%。

本工程集水区域位于《广东省暴雨径流查算图表》分区的东江中下游分区，采用东江中下游设计雨型。暴雨低区αt～t～F关系图。广东省分区产流参数，取“粤东沿海，珠江三角洲区”。大陆地区推理公式（1988年修订）汇流参数m～θ关系，取“大陆山区”曲线。

2、设计暴雨计算

（1）、设计点暴雨量计算

Ⅰ、根据年最大1小时、6小时、24小时、72小时点暴雨统计参数（均值、Cv）等值线图，查得集水区域中心点的各历时暴雨参数平均Ht、Cvt。

Ⅱ、根据使用手册表2中Cs=3.5Cv皮尔逊Ⅲ型曲线Kp值查出各历时暴雨P=1%的Ktp值。按公式Htp=平均Ht×Ktp计算P=1%各历时点暴雨量Htp。

（2）、设计面暴雨量计算

Ⅰ、按汇水面积查暴雨高区点面换算系数αt~历时t~汇水面积F关系图，得各历时的点面换算系数αt。按公式Htp面=Htp×αt计算P=1%各历时面暴雨量Htp面。

Ⅱ、据以上求得的设计面暴雨量和本工程集水面积，初估汇流时间τ在1～6小时时段范围内，计算np、sp得：1-np(1～6)=lg(H6P面/H1P面）/lg6=0.550，Sp=H1P面=126.84mm。

3、设计洪峰流量的推求

(1)、产流系数：查使用手册附表4得平均后损率f=4mm/hr,f3天=2.7mm/hr。

(2)、根据地形及θ值查附图5推理公式法汇流参数m～θ关系图上的大陆地区高丘区m～θ关系线得：m=1.5。

(3)、设计洪峰流量Qm的确定

Ⅰ、Qm～t关系曲线

假设四个时段t=1.5、2.0、2.5、3.0小时，按公式Htp面=SPt1-np(1～6)计算P=1%的t时段面雨量Htp面，以Htp面扣除相应历时损失量f×t，得时段净雨量htp面=Htp面-f×t，并计算净雨强度htp面/t。计算相应于t的最大流量Qm=0.278（htp面/t）F。根据t与相应的Qm在普通方格纸上面点绘Qm~t关系曲线。

Ⅱ、Qm～τ关系曲线

假定洪峰流量Qm=7990、7960、7930、7900，根据公式τ=0.278θ/（mQm1/4）计算相应的汇流历时τ，点绘Qm～τ关系曲线。

由Qm～t关系曲线、Qm～τ关系曲线交点的纵、横坐标即为所求的Qm、τ：Qm=7950m3/s，τ=2.40hr。经检查τ值确实在1～6小时时段范围内，估算的np、sp’正确。由此可以得到设计流量为Qs=7950m3/s。

三、P=1/100计算水位计算

当没有桥位处实测的断面或桥位附近实测的水文资料时，而水面比降均一，河道顺直，河床断面较规整的稳定均匀流河段，河底纵坡均一，可按水力学公式绘制延长水位――流量关系曲线，求得p=1/100计算水位，即根据“规范”式5.3.1-1~5.3.1-3中规定。1/100计算水位计算公式如下：

已知河床断面、河槽糙率、河滩糙率。设定一个河床水位，则河床的水力半径R=A/L即可求得，其中A为河槽或河滩过水面积，L为河槽或河滩的湿周。由此就可计算出该水位下的河床流量。本文采用试算法，可知设计流量7950m3/s时，设计水位为37.00m。

四、桥孔最小净长度计算

公路规范中的桥孔长度是指在一定的水力，泥沙及河床条件下，通过设计洪水流量时桥下过水断面（与流向垂直的横断面）必须具有的桥孔最小净长度。应当注意以下两点，这里算出的是桥孔最小净长度，实际桥孔长度（桥台前墙之间设计水位的水面宽度）为将算出的最小桥孔长度再加所有桥墩的宽度；算出的最小桥孔净长度是指水流与桥轴正交时的长度，如果是斜桥，则应换算为斜桥轴线方向的长度。

根据“规范”第6.2.1节桥孔设计的规定，本桥桥孔最小净长度可按河床布孔，不宜压缩河槽。在开阔、顺直微弯、分汊、弯曲河段及滩、槽可分的不稳定河段计算其最小净长度。桥孔最小净长度计算公式如下：

计算得义容河大桥桥孔最小净长度为73.925m。

五、桥下一般冲刷后的最大水深计算

洪水受桥孔压缩，上游形成壅水；水流自最大壅水断面，急剧从上游及两侧河滩集中流入桥孔，形成收缩断面；然后逐渐扩散，恢复天然状态。这段水流带走床面泥沙，引起该段床面冲刷，称为一般冲刷或压缩冲刷。桥位计算时，应计算桥下收缩断面的最大冲刷。

本桥河槽一般冲刷按“规范”式7.3.1~7.3.3计算；河滩一般冲刷按7.3.5~7.3.6计算。桥下一般冲刷后的最大水深计算公式如下：

河槽部分：=

河滩部分：

计算得义容河大桥桥下一般冲刷后的最大水深为10.471m，冲刷高度为1.051m。

六、桥墩局部冲刷深度计算

水流急剧流入桥孔，在桥台前缘、桥墩两侧等部位形成绕流，使水流与建筑物壁面出现边界层分离，不断的形成漩涡，并向下游传播和发展，卷走床面泥沙，在桥台前缘、桥墩上游端及两侧附近形成冲刷坑，称为局部冲刷。

本桥河床局部冲刷按“规范”式7.4.1-1~7.4.1-6计算，即“65-2式”公式计算。桥墩局部冲刷深度计算公式如下：

当

当

计算得义容河大桥桥墩局部冲刷深度为4.134m。

七、壅水高度计算

根据《公路桥涵设计手册：桥位设计（第二版）》 [3]式13-4-1~13-4-4可计算出桥前最大壅水高度Δz，计算公式如下：

桥下壅水高度Δz’是指桥下断面处的壅水高度，可根据洪水情势和土质易冲程度参照取值。计算得义容河大桥桥前最大壅水高度为0.562m，壅水高度为0.281m。

八、结论

桥涵水文计算的重要性、复杂性、不确定性决定了其在桥梁设计工作中的特殊地位。公路桥梁水文计算包括设计洪水流量的计算、桥孔设计计算、洪水冲刷计算等，目前多是采用经验公式，其中需要确定若干经验系数。在设计工作中应该严格按照规范要求,详细可靠地收集水文资料,结合桥梁的实际情况,进行认真的分析整理,反复核实,去伪存真,选用适当的方法和相应的参数,力求得到比较合理的计算结果,确定桥梁的抗洪能力,这也是水文计算工作的关键。

参考文献：

[1] 中华人民共和国交通部标准.公路工程水文勘测设计规范（JTGC30-2002）[S].北京：人民交通出版社.2002.

[2] 广东省水文总站.广东省暴雨径流查算图表使用手册.1991.

[3] 高冬光.公路桥涵设计手册:桥位设计(第二版).北京:人民交通出版社.2011.