天然河道上桥涵等建筑物壅水计算的一种简化方法分解.doc

天然河道上桥涵等建筑物壅水计算的一种简化方法 　　摘要:采用一种概化方法，对天然河道上桥涵的过流能力和壅水计算进行了探讨。概化计算的原则是，在河道过流流量不变的情况下，同一断面的过水面积和水力半径相同，根据已量算出的过水面积，首先按水力学公式，概化计算出桥涵上游侧的平均水面宽度B，以及桥涵概化的堰顶总净宽b，以确定流量系数m 值，再按堰流计算上下游水位差和壅高。 　　关键词:桥涵; 堰流; 概化; 流量系数 　　中图分类号:TV132 + . 1 文献标识码:B 文章编号:1008-0112(2011)08-0012-03 　　根据水力学原理，当天然河道内水流经过桥墩、涵孔、闸墩等建筑物时，过水断面在平面上收缩，改变了水流的形态，产生了局部水头损失，同时由于过水断面缩小，流速加大，部分动能转化成势能，便形成水面跌落。这些部位的水流符合堰流流态，可按堰流进行桥涵的过流能力和上游水位壅高等水力计算。 　　建在天然河道上的跨河桥涵，一般过流断面为不规则形状，特别是桥涵底部，多为天然河床。因此需要对断面进行概化处理，按水力学要求换算成矩形的断面尺寸，满足宽顶堰流的计算条件。 　　淹没式堰流的基本计算式: 　　式中Q 为过堰流量，m3 /s; b 为堰顶总净宽，m; σs为淹没系数，可以查用有关的水力学表格，也可采用《水闸设计规范》(SL265 － 2001) 中推荐公式计算; hs为下游水深; H0为包括行近流速水头的堰前水头，m，即;m 为流量系数，按桥涵底部与原河床相同、即无底坎宽顶堰考虑，取决于桥上游侧翼墙和桥墩形状、桥孔宽和上游河道宽的比值。m值的计算，可按包括侧收缩系数σc的方法确定，由桥涵概化的堰顶总净宽b 和桥上游的平均　　　　　水面宽度B 的比值来确定; σc为侧收缩系数，如果已包含在流量系数m 值内，则不考虑(σc = 1) ; 如果按水力学方法单独计算σc，则流量系数m = 0. 385。 　　以下对水力计算的有关问题进行初步分析和探讨。 　　1 桥涵上游侧河道的平均水面宽度B 　　根据水力学原理，堰上游平均水面宽度B 及堰顶总净宽b，均应是深度等宽的矩形断面。因此，桥涵上游处的河道断面，以及桥涵水力计算所采用的堰型，均需要概化成矩形断面。 　　对河道断面的概化，应在河道过流流量不变的情况下，按恒定流考虑。对同一断面，如果能够满足过水面积和水力半径相同的条件，则过流能力是相同的。据此，即可将天然河道概化成矩形河道。 　　按本方法概化的天然河道，应符合一定的适用条件，即桥涵所处的上下游河段应基本顺直，河床应为大致“U”形断面。 　　量算出桥涵上游侧河道相应流量水位下的过水面积ω1和湿周x1，即可计算出水力半径。 　　以上是水力半径的一般计算式，对于分汊型或游荡型的河段，以及河漫滩宽阔的河段，并不适用。 　　概化后的矩形河道的过水断面，存在以下水力学关系式: 2h + B = x (2) xR = ω (3) hB = ω　 (4) 　　以上方程式中h 为概化后矩形河道的水深; B 为概化后矩形河道的水面宽; ω为概化后矩形河道的过水面积，ω = ω1; x 为概化后矩形河道的湿周; R 为概化后矩形河道的水力半径，R = R1。 　　(2) 式～ (4) 式联立求解，可得到概化河道的水面宽和水深: 　　2 堰顶总净宽b、流量系数m 及桥涵过流能力 　　桥涵本身占用或缩减一定的河道过水面积。 　　与河道概化方法相同，可量算出桥涵的过水面积ω2，由于是无坎宽顶堰形式，堰顶水深可采用上游侧概化的矩形河道的水深h，则桥涵概化的堰顶总净宽。 　　根据计算出的值，以及上游进口翼墙的形式，查水力学有关表格，可得出概化后平底宽顶堰的流量系数m。 　　再根据堰流基本公式(1) ，就可以计算出桥涵的过流能力。 　　计算时应注意，桥涵过流能力必须满足《公路桥涵通用规范》(JGTD60 － 2004) 中对桥涵净空的规定，在此不予具体阐述。 　　3 桥涵上游水位壅高计算 　　由堰流基本公式，可以反求出桥涵概化后堰上游的堰前水头: 　　为简化计算，对下游水深hs可按概化后矩形河道的水深h 考虑。 　　通过多次试算，求得不同频率的堰前水深值。 　　上下游水深的差值，即为桥涵上游的水位壅高值△h: △h = H0 － hs (8) 　　4 实例 　　东莞市东引运河下游某位置，计划修建1 座跨河桥梁，设计采用上承式钢筋砼板拱结构，主拱单孔，桥梁全长为55m，桥净跨径为43m。桥梁设计纵断面和河道横断面见图1。该位置河道洪水流量计算成果见表1，不同频率设计洪水流量在100 ～ 180m3 /s 之间。 图1 东引运河上拟建桥梁设计示意(单位:高程m;长度mm) 　　1) 上游侧河道概化水面宽计算 　　根据实测的河道横断面，用洪水流量所