寬灘河流橋孔設(shè)計(jì)流速與河槽寬度的計(jì)算.docx

1、第12卷第1期長(zhǎng)沙交通學(xué)院學(xué)報(bào)Vol.12No.11996年3月JOURNALOFCHANGSHACOMMUNICATIONSUNIVERSITYMar.1996寬灘河流橋孔設(shè)計(jì)流速與河槽寬度的計(jì)算Z、朱炳祥金仁義J全耀傳（較道部第勘測(cè)設(shè)計(jì)fit氏漢430063）«寬灘河流的橋孔設(shè)計(jì)是個(gè)很復(fù)雜的間題。根據(jù)寬濰河流上既有快路橋、公路橋（成功的、不合理的、水毀的橋）的資料，對(duì)以往采用不同柢念的平均流速作為設(shè)計(jì)流速，明確采用天然河槽的平均流速等于設(shè)計(jì)流速，并提出天然河槽平均流速用天然河槽寬度計(jì)算這一冏易方法。闡明了采用一河一橋或一河多橋的條件。.關(guān)詞寬灘河流；設(shè)寸流速；河槽寬度中圖分類號(hào)五

2、.3瑚寬灘河流上橋梁孔徑的設(shè)計(jì)，重要的是合理確定設(shè)計(jì)流速與天然河槽的寬度。40年代,蘇聯(lián)學(xué)者提出在可沖河流下采用夭然河流平均流速作為設(shè)計(jì)流速，遺憾的是沒有河流的具體定義及組成02：,且沿用至今。蘇聯(lián)1956年，1972年橋渡勘測(cè)設(shè)計(jì)烷程及美、日等國(guó)的橋梁設(shè)計(jì)指南、規(guī)程或書刊中，也沒有寬灘河流的天然河槽寬度的計(jì)算方法。60年代我國(guó)橋梁工作者已注意到寬灘河流橋的計(jì)算，進(jìn)行過橋孔大小的定床水工模型試驗(yàn)研究，對(duì)寬灘的湍、刁河洪泛區(qū)的橋梁設(shè)計(jì)探索出較成功的方法,但也未提及天然河槽寬度的計(jì)算。我國(guó)鐵路橋渡勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范（17-86）橋孔設(shè)計(jì)中還明文規(guī)定：設(shè)計(jì)流速當(dāng)河灘很大時(shí)，可按經(jīng)驗(yàn)確定。這可能因人而異，采

3、用的設(shè)計(jì)流速是任意的，因而選定的橋孔大小可能不切實(shí)際C總之，寬灘河流橋孔計(jì)算至今尚沒有一個(gè)合適的方法，主要是設(shè)計(jì)流速尚未解決好，而設(shè)計(jì)流速又與天然河槽寬度的合理確定密切相關(guān)。因此，設(shè)計(jì)流速與天然河槽寬度的計(jì)算就成為寬灘河流橋孔計(jì)算的主要問題。1回顧與評(píng)估寬灘河流流經(jīng)地勢(shì)平坦、土質(zhì)松散或粘砂土地區(qū),最顯著的特點(diǎn)是有廣闊的河漫灘。河漫灘在洪水期被淹沒，在中枯水期則露出水面。根據(jù)我們調(diào)查分析,河漫灘寬度一般比河槽寬度大,有的大幾倍至幾十倍，甚至百倍；有的通過河漫灘的流景比通過河槽的流量大。橋梁工作者一直在探索夭然寬灘河流橋梁孔徑的計(jì)算。18751880年俄羅斯H.A.列留勃斯基在修建伏爾加河上的塞茲

4、蘭橋時(shí)，對(duì)橋梁孔徑的擬定提出3個(gè)原則：（I）河流的天然流速超過橋下土壤不沖流速時(shí)，孔徑的計(jì)算仍按河流的天然流速計(jì)算；收稿日期：1995年4月3日（ii）計(jì)算流速不應(yīng)超過橋下的天然流速；（ill）橋下土壤雖然沖刷，河流上游來沙補(bǔ)償。別氏假設(shè)可概括為：河流平均流速超過泥沙起動(dòng)流速，因上游有泥沙輸送、交換，河床變形不會(huì)加深。建橋后橋下水流斷面擴(kuò)大到橋下平均流速等于河床天然平均流速時(shí)，沖刷則停止，也就是以天然河床平均流速作為設(shè)計(jì)流速。在別氏假設(shè)基礎(chǔ)上,E.B.包爾達(dá)柯夫、O.B.安德列也夫認(rèn)為如果進(jìn)入橋下的泥沙數(shù)量很少,設(shè)計(jì)流速可采用土壤容許不沖流速。JT.J1，李斯特萬認(rèn)為：天然條件下河底有泥沙輸移

5、,洪水期相對(duì)穩(wěn)定的過水面積上的平均流速叫動(dòng)力平衡流速?？傊?，在設(shè)計(jì)流園Q=l%下的設(shè)計(jì)流速為：H.A.別列留勃斯基為天然河流的平均流速李斯特萬則為河槽動(dòng)力平衡流速”碩,；對(duì)河灘無泥沙補(bǔ)償時(shí),E.B.包爾達(dá)柯夫、O.B.安德列也夫則為泥沙容許不沖刷流速在我國(guó)橋梁勘測(cè)設(shè)計(jì)中，對(duì)河灘較小、壓縮不多的河段，可采用通過設(shè)計(jì)流量河槽（包括邊灘）的天然平均流速；一般變遷性、山前擴(kuò)散河段，河槽往往擺動(dòng)很寬，可采用最大有效河槽寬度范圍內(nèi)的平均流速；渠道或運(yùn)河上的橋，可采用設(shè)計(jì)渠道或運(yùn)河的設(shè)計(jì)流速。新中國(guó)成立后，鐵路建設(shè)有很大的發(fā)展，但對(duì)寬灘河流的河槽寬度，橋下設(shè)計(jì)流速的研究不夠,往往因入的經(jīng)驗(yàn)與理解而異。綜觀蘇

6、聯(lián)、美國(guó)以及國(guó)內(nèi)一些橋梁水力學(xué)、水文學(xué),都沒有明確主槽、河槽、河床、河流的定義和組成，橋梁孔徑設(shè)計(jì)只是根據(jù)理解、經(jīng)驗(yàn)來確定設(shè)計(jì)流速與河槽寬度,因而出入很大。2寬灘河流的天然河槽寬度洪水所淹沒的河流兩岸邊界線范圍，在河道橫斷面上的寬度稱天然泛濫寬度。洪水期河床面上有推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)的部分，叫河槽；無推移質(zhì)河床包括河槽與河漫灘兩部分C運(yùn)動(dòng)的部分，叫河漫灘。目前河槽的定義有兩種：困1河床斷面組成示意圖（汗槽金邊源）一種是河槽為主槽與邊灘（一側(cè)或兩側(cè)）兩部分組成。在河道橫斷面上，河槽寬度B（為主槽與邊灘寬度之和，其相應(yīng)斷面下的平均水深為河槽平均水深乩。這種定義多為國(guó)內(nèi)鐵路、公路書刊土所采用如圖1所示。但文獻(xiàn)

7、（7、10上的河床斷面圖為圖I的特例。另一種是主槽不含邊灘（一側(cè)或兩側(cè)）部分稱河槽，即主槽等于河槽。在河道橫斷面上，河槽寬度為Be，其相應(yīng)斷面下的平均水深為河槽平均水深偵,如圖2所示。以上兩種定義，不僅名稱不一，內(nèi)容也不同，前者含有一側(cè)或兩側(cè)邊灘，后者不含邊灘，洪水期邊灘上有推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)、交換，其特點(diǎn)與主河槽相似，從河流動(dòng)力學(xué)上吞，邊灘是河槽的-部第1期朱炳祥等：寬濰河流橋孔設(shè)計(jì)流速與河糟覓度計(jì)算43分.它與主河槽組成河槽。因此，我們采用第一種定義即河槽寬度是主河槽與邊灘兩部分組成。困2河床新面坂成示意困（汗糟不金邊沸2.1天然河槽寬度玖的直觀判定可用下列幾種方式來直觀判定天然河槽的寬度：a.

8、形態(tài)勘估:河道橫斷面上灘唇至濰唇之間橫向距離；b. 從河流泥沙運(yùn)動(dòng)上：洪水期河床面有推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)與交換的部分的橫向?qū)挾?；c. 以水位劃分：中水位以上洪水位開始淹沒河漫濰即平齊灘唇時(shí)的橫向?qū)挾?。天然河道處于運(yùn)動(dòng)、發(fā)展變化中.河槽橫斷面的形狀、大小隨時(shí)間而變化、發(fā)展.因此河槽（含邊灘）寬度也是變化的。在歷史長(zhǎng)河中.河道演變有一個(gè)穩(wěn)定的寬度.所以確定河槽寬度不僅應(yīng)從當(dāng)年或幾年所測(cè)的河道橫斷面資料.而且應(yīng)盡可能搜集歷史的河道演變的橫斷面變化資料（可從鉆探、遙感或衛(wèi)星資料獲得）以及上、下游河段河道演變的橫向?qū)挾茸兓?guī)律，進(jìn)行分析研究，確定一個(gè)較合理的河槽寬度。這對(duì)正確確定設(shè)計(jì)流速有著重要的作用。2.2天然

9、河槽寬度入的經(jīng)驗(yàn)估算本次搜集的既有鐵路橋及公路橋，大部分為順直型、蜿蜓型河段上的橋梁.少數(shù)為分汲型河段上的橋梁。我們用河相關(guān)系分析沖積河流的水力要素關(guān)系，斷面河相關(guān)系為：=E（1）式中瓦盤為相應(yīng)與河漫灘齊平灘唇時(shí)河槽寬度（m）與平均水深（m）。該式也為河槽寬度與穩(wěn)定性指標(biāo)關(guān)系。據(jù)統(tǒng)計(jì)分析M=2.5屬蜿蜒型河段。我們點(diǎn)繪了B/Bc與（其中分別為設(shè)計(jì)水位下河床寬度、天然河槽寬度、全斷面平均水深）相關(guān)圖，如圖3所示，可見有一定規(guī)律性，其經(jīng)驗(yàn)式為：（2）圖上有2條帶狀：當(dāng)?shù)肒=0.80.”=0.82.故乩=1.25（/§/%）-°眨偵23468102030406080100Zb/h

10、圖3B/玲/S/H”關(guān)未圖當(dāng)B/Be>9,查得K=0.67,”=1.24,故%=l.49(/He)i24.B(b)(b)其檢騷見圖4,夭然河槽寬度Be與經(jīng)驗(yàn)計(jì)算的河槽寬度有良好的吻合。式(3)、(4)適用于順直型、蜿蜒型河段，分淫型河段只供參考。3設(shè)計(jì)流速3.1天然河槽平均流速河道在天然狀態(tài)時(shí)設(shè)計(jì)水位下通過河槽(含一側(cè)或兩側(cè)邊灘)的流量(Q.)與其過水?dāng)嗝娣e(W<)的比值，稱為天然河槽平均流速業(yè)，可用下列公式計(jì)算：謝才(Che'zy)公式：U=C屈T(5)謝才-匣寧(Manning)公式：”=+咫(6)式中：C為謝才系數(shù),C=-H;*:«為曼寧糙率系數(shù)；X為河槽平

11、均水深，mN為橋址處所在n河段洪水坡，無洪水資料時(shí)可用橋址所在河段的河底縱坡，計(jì)算時(shí)以小數(shù)計(jì)C天然河槽過水?dāng)嗝娣ew一般按矩形河槽計(jì)算，即Wc=qHc。天然單式河槽的橋下設(shè)計(jì)流速采用=叫。對(duì)寬灘河流橋下設(shè)計(jì)流速，有不同的計(jì)算方法，目前大致有：采用橋下設(shè)第1期朱炳祥等：寬灘河流橋孔設(shè)計(jì)流速與河槽寬度計(jì)算45計(jì)流速q大于天然河槽平均流速；有的采用橋下設(shè)計(jì)流速小于天然河槽平均流速；有的按經(jīng)驗(yàn)確定C我們認(rèn)為，采用寬灘河流橋下設(shè)計(jì)流速大于天然河槽平均流速s將使橋孔偏小，壓縮河槽與河漫灘過甚，易發(fā)生水害，已為既有鐵路橋、公路橋所證實(shí)；采用橋下設(shè)計(jì)流速小于天然河槽平均流速，似有些道理，但未建橋前是個(gè)未知數(shù)且小

12、于多少？只好試算，必然增加設(shè)計(jì)工作量；按經(jīng)驗(yàn)確定，因人而異，大小懸殊。因此，我們采用寬灘河流橋下設(shè)計(jì)流速等于天然河槽平均流速H的觀點(diǎn)。當(dāng)天然河槽寬度確定后，天然河槽平均流速也就確定了橋下設(shè)計(jì)流速也就同時(shí)確定了。當(dāng)河漫灘寬廣、河漫灘上通過流域校大甚至很大時(shí)可采用一河多橋（如河灘分洪橋、洪泛區(qū)系列分洪橋等）。F面舉例說明合理的河槽寬度對(duì)設(shè)計(jì)流速大小的影響。小河口大橋橋址地處微勇，砂質(zhì)河床，河底平坦，河槽兩側(cè)有不規(guī)范堤防。兩側(cè)肓廣闊平坦的河漫灘，橋址橫斷面如圖5所示。該橋1984年1958年及1975年已做過水文調(diào)查及計(jì)算，1984年水文計(jì)算做了復(fù)算，1987年做了補(bǔ)充定測(cè)。圍5小河口大橋橫場(chǎng)面示意

13、圖1984年、1987年計(jì)算設(shè)計(jì)流量成果相同，但兩年的河槽寬度不同，因而設(shè)計(jì)流速也不同。1984年水文計(jì)算采用河槽寬度不含兩側(cè)邊灘部分，主槽寬度等于河槽寬度（巨=55m）,以天然主河槽平均流速七二2.26m/s作為設(shè)計(jì)流速;1987年水文計(jì)算采用河槽寬度含兩側(cè)邊灘部分，同時(shí)考慮地質(zhì)鉆探（上部為粘土、下部為石英云母片巖），河槽演變至今，河床日趨穩(wěn)定，歷史演變?cè)诟采w層下形成一老河道，橫向?qū)挾确€(wěn)定（約183m）,綜合考慮后采用河槽寬度B（=183m,以天然河槽平均流速叫=1.55m/s作為設(shè)計(jì)流速。1984年的設(shè)計(jì)流速比1987年的設(shè)計(jì)流速大46%,其差別是河槽寬度大小不同引起的。從該橋確定河槽寬度

14、及設(shè)計(jì)流速可看出：河道演變的歷史變化資料對(duì)確定河槽寬度有直接關(guān)系，也就影響到設(shè)計(jì)流速的大小，當(dāng)然影響橋孔孔徑的確定。3.2設(shè)計(jì)流速的檢驗(yàn)我們收集了中南、華東地區(qū)及華北、東北地區(qū)100余座鐵路、公路橋梁資料，這些橋梁的橋址處于順宜、蜿蜒型河段占大多數(shù)，少數(shù)處于分汶型河段，都經(jīng)過設(shè)計(jì)、接近或超設(shè)計(jì)洪水的考驗(yàn)（扶路橋分別經(jīng)約1%、1%、1%;公路橋經(jīng)約2%、1%及一般洪水分別為4%、5%、10%、20%的設(shè)計(jì)流量和設(shè)計(jì)水位的考騷）。對(duì)水害調(diào)查、實(shí)測(cè)、原設(shè)計(jì)、修夏設(shè)計(jì)等資料分析得出；a. 橋下設(shè)計(jì)流速%等于天然河槽平均流速共，河灘流景Q/占設(shè)計(jì)流量Q。的4%26%,河漫灘寬度B/與河槽寬度的比值較?。?/p>

15、平均為/瓦6）時(shí),可采用一河一橋。如圖6所示，鐵路、公路橋經(jīng)上述相應(yīng)洪水考驗(yàn)，橋梁墩臺(tái)沒有沖歪、沖倒橋頭路基、路基沒有沖決，沒有或基本沒有水害，證明這類橋孔大小較合適或基本合適。設(shè)計(jì)流速%接近等于天然河槽平均流速久，河漫灘流量Q,占設(shè)計(jì)流信Q,的13%63%,河漫灘寬度與河槽寬度亂之比校大（平均Bz/Bc=20）,湍、刁河洪泛區(qū)采用系列分洪橋，沙河橋采用多座分洪橋，經(jīng)洪水考驗(yàn)，橋梁墩臺(tái)也沒有沖歪或沖倒僅有橋頭路基或個(gè)別路基點(diǎn)略有沖蝕但不影響行車。新興大橋，采用河灘分洪橋，見圖6。符號(hào)；vf/vr1-01.0-1.02QJQ%42613631.026-43一河一版一間.橋.洪泛區(qū)分洪僑蛆供水號(hào)臉

16、.橋孔合道或拓本合適Q，大.無分洪祥、發(fā)生永害16】82.0P圉6vjp關(guān)*、困當(dāng)橋下設(shè)計(jì)流速巧,等于天然河槽平均流速H,河漫灘流量Qf占設(shè)計(jì)流量的26%43%,河漫灘寬度B/與河槽寬度-的比值為619時(shí)，也可考慮采用一河一橋，但壓縮河漫灘過甚，河漫灘流量Q/較大，引起不同程度的水害。宜用一河多橋。b. 橋下設(shè)計(jì)流速巧;大于天然河槽平均流速q（有的巧.=1.46%）,河漫灘流量Q/占設(shè)計(jì)流量Qp的27%75%,河漫灘寬度8/與河槽寬度&平均比值為1130,因壓縮河漫灘大，橋孔不足，又無河灘分洪橋或跨河灘橋,經(jīng)一般洪水考驗(yàn)，有的橋墩臺(tái)被沖毀或沖歪，有的梁掉入河中，有的路基、橋頭路基被沖決

17、口,導(dǎo)致橋址上游農(nóng)田、村舍、工礦、學(xué)校等被淹，有的人工堤防被淹、被沖決,中斷行車或緩車行駛，見圖7OQf/Q%Qf/Q%Q/Q%簡(jiǎn)況02-14627-75Q.，大，河壓大.新孔小.洪水沖.毀雄豪.障倒所臺(tái)、癱上田、料金.堤防我洪.中If行車1.01.82.0圉7pJplP關(guān)余圖（碼）第1期朱炳祥等：寬灘河流橋孔設(shè)計(jì)流速與河棺寬度計(jì)算47當(dāng)橋下設(shè)計(jì)流速等于天然河槽平均流速業(yè)時(shí)，寬灘河流布設(shè)合適或基本合適橋孔的沖刷系數(shù)：對(duì)一河多橋、洪泛區(qū)系列分洪橋、河漫灘分洪橋、跨河漫灘橋，沖刷系數(shù)取1.6；對(duì)一河一橋取1.5C從上述設(shè)計(jì)流速檢驗(yàn)分析看，采用一河一橋或一河多橋、跨河灘橋、河漫灘分洪橋，要考慮兩個(gè)因

18、素：一是河漫灘流量Q.占設(shè)計(jì)流量Q,的大小，二是河漫灘寬度為與河槽寬度瓦之比的大小。4結(jié)語寬灘河流橋孔計(jì)算是個(gè)復(fù)雜的問題c按河道演變的特點(diǎn)，可分順直型、蜿蜒型、分溟型和游蕩型四類河段。本文搜集的資料多為順真型、蜿蜒型河段，少數(shù)為分漢型河段。寬灘河流的橋孔設(shè)計(jì)，河槽寬度Bc及設(shè)計(jì)流速叫的合理確定是關(guān)鍵。我們采用天然狀態(tài)下的河槽（含一側(cè)或兩側(cè)邊灘）的平均流速為橋下設(shè)計(jì)流速對(duì)順直型、蜿蜒型寬灘河流的河槽寬度Be可從直觀判定與經(jīng)驗(yàn)估算兩方面綜合確定°根據(jù)搜集的既有鐵路橋、公路橋資料的分析，采用橋F設(shè)計(jì)流速孫等于天然河槽平均流速巳時(shí)，寬灘河流采用一河-橋或一河多橋，可從兩個(gè)方面考慮：a. 通過

19、河漫灘的流量Q/占設(shè)計(jì)流量Q,的20%及其以內(nèi)，且河漫灘寬度Q/與河槽寬度乙之比為6及其以內(nèi)時(shí)，宜采用一河一橋；b. 當(dāng)通過河漫灘流量Q,占設(shè)計(jì)流量Qp大于20%,旦河漫灘寬度3/與河槽寬度耳之比大于6時(shí)，應(yīng)采用一河多橋，如采用河灘分洪橋、跨河灘橋、洪泛區(qū)系列分洪橋等。從河流動(dòng)力學(xué)及河道演變?cè)?，?duì)分汶型尤其對(duì)游蕩型河段上的穩(wěn)定河槽進(jìn)行研究，是寬灘河流橋孔計(jì)算的又一個(gè)重要課題。參考文妹1 OB安德列也夫著；錢鐘裁譯僑位設(shè)計(jì).北京：人民交通出版社，1955UC羅樣布爾格著；呂永欣、戴競(jìng)譯寬闊河灘的僑位設(shè)計(jì)北京：人民交通出版社,19553帙道部第三設(shè)計(jì)院.橋酒水文計(jì)算（麻牙版）.北京：人民段道出版

20、社，1964EB包爾達(dá)柯夫著；鐵道部專家工'作組、唐山鐵道學(xué)院橋梁教研組合譯大河橋渡.北京：人民鐵道出版社，19564 EB包爾達(dá)柯夫、OB安德列也夫著跨河橋渡.北京：人民交通出版社,1959UC羅杪布爾格、BC法利諾夫、MJI波利亞科夫合著；陸浩、曹瑞章合譯橋渡.北京：人民交通出版社，19805 鐵道部第三勘測(cè)設(shè)計(jì)院橋渡水文.北京：中國(guó)鐵道出版社，1993JN布拉德利著；鄭華謙譯.轎梁河道水力學(xué).北京：人民交通出版社，19806 武漢水利電力學(xué)院河流泥沙工程學(xué)教研室.河海泥沙工程學(xué)（上冊(cè)）.北京：水利出版社，1981中華人民共和國(guó)交通部.公路橋位勘測(cè)設(shè)計(jì)說程（JTJO62-82）.北京：人民交通出版社，1982長(zhǎng)沙文通學(xué)院學(xué)報(bào)第12卷CALCULATIONOFDESIGNVELOCITYANDCHANNELWIDTHFORTHEBRIDGEOPENINGOVERTHEFLOODLANDRIVERZhuBingxiangJinRenyiWangYaochuan(FourthSurveyandDwrignInstituteofMOR)ABSTRACTThecalculationforthe