復(fù)式河道的橋梁壅水計(jì)算

1、復(fù)式河道的橋梁壅水計(jì)算<    1 前言 所謂復(fù)式河道是指有河漫灘的河道，在洪水期，河漫灘將會(huì)被淹沒。由于主槽和灘地有不同的水深和糙率，水位流量關(guān)系將和單道有所不同。當(dāng)水流漫灘時(shí)，由于主槽水流與灘地水流的相互作用，斷面過(guò)水能力通常會(huì)降低。特別是水流剛剛漫灘時(shí)，由于斷面形狀的突變，加上灘地糙率一般與主槽不一樣，使估算過(guò)水能力變得非常困難。然而正確的估計(jì)給定水位下的流量以及已知流量如何確定水位等 問(wèn)題 對(duì)于洪水預(yù)報(bào)、防洪規(guī)劃又是必不可少的。為了系統(tǒng)地 研究 復(fù)式河道的水力學(xué)問(wèn)題，增進(jìn)合作、交流、避免重復(fù)研究，由英國(guó) 科學(xué) 與工程研究委員會(huì)資助，在英國(guó)瓦

2、靈弗水力學(xué)研究所（ Hydraulics Research Limited Wallingford, UK ）建成了洪水河道設(shè)施 (Flood Channel Facility ，簡(jiǎn)稱 FCF) 。 FCF 自 1986 年開放以來(lái)，主要進(jìn)行了三個(gè)系列的實(shí)驗(yàn)： 1987 1989 年的順直和歪斜河道實(shí)驗(yàn)： 1990 1994 年的彎曲河道實(shí)驗(yàn)； 1995 1997 的固定河岸、可動(dòng)河床實(shí)驗(yàn)。 目前 正在進(jìn)行自形成河道實(shí)驗(yàn)。到 1999 年，已有 80 篇以上的論文是基于 FCF 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的。在 1995 年國(guó)際水力學(xué)研究協(xié)會(huì)第 26 屆大會(huì)上被選定為檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模型的基準(zhǔn)資料。 1999 年， K

3、night1 對(duì)復(fù)式河道的水力學(xué)研究作了系統(tǒng) 總結(jié) 。 由于橋梁的修建減小了斷面過(guò)流面積，水流流線在橋梁的上游形成收縮，下游形成擴(kuò)散，加上橋體本身的阻力等因素，使河流的局部阻力增大，造成局部水頭損失，形成橋梁上下游的水位差（稱為橋梁壅水）。河道橋梁壅水在流量小時(shí)并不明顯，而在洪水期較為顯著。橋梁壅水抬高了橋梁上游水位，增大了淹沒面積，滯蓄了洪水，從而增大洪水災(zāi)害。如果流量過(guò)大，使洪水漫過(guò)橋梁，甚至沖毀橋梁，將造成更大的災(zāi)害。較為著名的橋梁壅水的計(jì)算方法有：美國(guó)公路局法（ USBPR ）、美國(guó)地調(diào)局法（ USGS ）、英國(guó)瓦林弗水力學(xué)研究所的拱橋法 (Arch) 、 Biery 和 Delleu

4、r 法等。這些方法一般是通過(guò)聯(lián)解動(dòng)能或動(dòng)量方程與連續(xù)性方程、得到求解橋梁公式的形式，最后用實(shí)驗(yàn)資料確定公式的參數(shù)。橋梁壅水的危害，在大流量高水位的洪水時(shí)尤為突出，而天然河道在洪水期間，一般水流漫上了河灘，過(guò)流斷面為復(fù)式斷面，而橋梁壅水的公式多是在單一河道中建立的，目前對(duì)復(fù)式斷面的橋梁壅水問(wèn)題的研究還不多見，本文在復(fù)式河道的橋梁壅水實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了一種計(jì)算方法。 2 實(shí)驗(yàn)概況                 圖 1 水槽平面示意圖 Pl

5、ane sketch of the flume     圖 2 模型橋梁尺寸 ( 單位 mm)Dimensions of the model bridges     實(shí)驗(yàn)是在英國(guó)伯明翰大學(xué)的水槽上進(jìn)行的，圖 1 為水槽平面布置示意圖。水槽長(zhǎng) 22m ，寬 1.213m ，深 4.4m 。水槽上用 PVC 材料做成了一個(gè)復(fù)雜河道，主槽寬 398mm ，河漫灘寬 407.3mm ，主槽深 50mm ，水槽底坡為 2.024 。水槽設(shè)有兩個(gè)水循環(huán)系統(tǒng)，一個(gè)循環(huán)管道用文丘里流量計(jì)測(cè)流量，另一個(gè)用電磁流量計(jì)測(cè)量。對(duì)于一個(gè)給定

6、流量，通常把流量按一定分配規(guī)則分為一大一小兩部分，大的一部分用文丘里流量計(jì)所在管道進(jìn)行粗調(diào)，剩余部分用電磁流量計(jì)所在管道精調(diào)。實(shí)驗(yàn)前，先用進(jìn)水管放水進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)，然后開啟兩套循環(huán)系統(tǒng)，使水流開始流動(dòng)，最后調(diào)整尾門使水流在水槽中為均勻流。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，如發(fā)現(xiàn)循環(huán)系統(tǒng)水量過(guò)多，可通過(guò)尾水池的排水管放出一定水，使尾水閘出流不為淹沒出流。水槽實(shí)驗(yàn)一直是研究水力學(xué)的基本手段。由于天然河道斷面形狀的不規(guī)則性以及量測(cè)的困難性，所以不適合研究水力學(xué)的基本 規(guī)律 。水槽的邊壁一般是均勻光滑的，使得水槽中糙率的調(diào)整比較困難。用三角形的鐵絲網(wǎng)架在水槽上，并通過(guò)調(diào)整鐵絲網(wǎng)架的間距 來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的糙率值是一種 經(jīng)濟(jì) 實(shí)用的

7、方法。很明顯，糙率由水位和鐵絲網(wǎng)間距 決定，必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)率定這種函數(shù)關(guān)系。橋梁的形狀如圖 2 所示，有半圓拱橋，雙孔半圓拱橋和橢圓拱橋，橋梁放置在編號(hào)為 59 的斷面上，此斷面距主槽進(jìn)口 7m 。共有三種不同的糙率組合情況，分別為 第一種情況：光滑邊界 第二種情況：主槽光滑、邊灘上 1 =500mm 第三種情況：主槽 2 =2000mm ，邊灘 1=500mm 對(duì)于每一種糙率情況，進(jìn)行了幾個(gè)流量、測(cè)量出橋梁上下游的水位差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表 1 中。               

8、;        式中下標(biāo) 3 表示橋梁下游斷面， CD 為橋梁阻力系數(shù)， J3 為橋梁下游堵塞率 ,dh 為壅水高度， h3 為下游水深， Fr3 為下游弗汝德數(shù)。 最后用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了橋梁壅水高度和下游弗汝德數(shù)和下游堵塞率的關(guān)系，從而可由下游水力要素 計(jì)算 橋梁壅水。 應(yīng)用 拱橋法計(jì)算的壅水和實(shí)測(cè)壅水的對(duì)比如表 1 所示。由表 1 可以看出，拱橋法往往過(guò)高估計(jì)橋梁壅水。 表 1 拱橋法驗(yàn)證表 Validate table of arch method      

9、           糙率 情況     流量 (m3/s)     單孔拱橋     雙孔拱橋     橢圓拱橋             實(shí)測(cè)     計(jì)算  

10、;   實(shí)測(cè)     計(jì)算     實(shí)測(cè)     計(jì)算                   0.021     29.7     27     34.0

11、60;   32     30.1     27           0.024     38.6     43     42.3     51     37.8    

12、 43     1     0.027     44.8     64     50.3     71     45.6     64           0.030  

13、   50.2     74     57.3     74     51.7     74           0.035     59.8     79    

14、60;69.5     79     62.9     79                   0.018     16.6     25     19.9   

15、60; 29     16.3     25           0.021     17.8     31     21.8     35     17.8     31

16、60;         0.024     17.5     37     22.9     41     17.8     37     2     0.030    

17、 19.6     45     26.2     57     19.8     45           0.035     21.8     62     31.2 

18、0;   73     23.7     62           0.040     22.2     71     38.6     81     32.1    &

19、#160;73           0.045     23.9     80     50.9     93     44.4     85           0.050 &#

20、160;   27.6     82     71.5     108     69.2     102                   0.015     

21、;6.9     15     7.9     17     6.7     15           0.018     7.9     19     9.6   &#

22、160; 20     8.0     19           0.021     9.4     24     13.1     29     11.0     24 

23、0;   3     0.024     10.4     29     13.3     33     11.7     29           0.027    &

24、#160;11.4     33     16.0     38     14.5     34           0.030     13.1     38     20.4  

25、;   44     18.6     40           0.035     15.9     43     32.6     55     31.4    &#

26、160;52             4 邊灘等價(jià)河寬 橋梁壅水是以通過(guò)橋洞時(shí)，由于上游的流線收縮以及下游的流線擴(kuò)散都會(huì)引起水頭損失，這些損失加上橋梁的摩擦損失就是總的水頭損失。摩擦損失用水流速度，或 Fr 反映，收縮和擴(kuò)散損失用阻塞率來(lái)反映。然而由于復(fù)式河道的水流結(jié)構(gòu)與單一河道并不一樣，主槽流速比灘地大，從而使流線密集于主槽，有利于水流通過(guò)橋梁，所以傳統(tǒng) 方法 不適用于復(fù)式河道，會(huì)過(guò)高地估計(jì)壅水高度。由于傳統(tǒng)方法如拱橋法、美國(guó)公路局法 (USBPR) 等以得到廣泛應(yīng)用，并以很多商業(yè) 軟件 （如 Isis ）所使用，如果能對(duì)這些方法加以修正， 自然 是很 經(jīng)濟(jì) 的解決方案。         假定存著某一河寬，使得復(fù)式河道水流在同流量，同水位下的矩形河道水流通過(guò)橋梁時(shí)將引起的同樣的壅水高度，這樣的河寬定義為等價(jià)河寬。等價(jià)河寬與主槽