論河流與橋渡的相互影響

1、論河流與橋渡的相互影響土木建筑工程學(xué)院關(guān)鍵詞 洪水大小 河型 河床演變 壅水主流遷移摘要筆者通過闡述河流和橋渡的相互影響關(guān)系，介紹了河流對橋渡影響的三個(gè)房 方面，并引用一些實(shí)例。之后關(guān)于將渡對河流的影響展開了論述，詳細(xì)介紹了有 關(guān)橋渡結(jié)構(gòu)對河流影響的研究和觀點(diǎn)。最后，就如何在實(shí)際設(shè)計(jì)施工中注意二者 的相互影響發(fā)表了自己的看法。1 .河流對橋渡的影響1.1指定頻率的洪水的大小對橋渡的影響首先，洪水具有隨機(jī)性，我們只能根據(jù)各個(gè)年份的洪水的發(fā)展變化規(guī)律來預(yù) 測洪水的發(fā)生和大小。經(jīng)過相關(guān)的計(jì)算和分析，確定了設(shè)計(jì)洪水的大小后，就可 以根據(jù)設(shè)計(jì)洪水的大小和發(fā)生情況來決定橋渡的建設(shè)要求。設(shè)計(jì)洪水是指為防洪

2、等工程設(shè)計(jì)而擬定的、符合指定防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的、當(dāng)?shù)乜赡艹霈F(xiàn)的洪水。即防洪 規(guī)劃和防洪工程預(yù)計(jì)設(shè)防的最大洪水。設(shè)計(jì)洪水的內(nèi)容包括設(shè)計(jì)洪峰、不同時(shí)段 的設(shè)計(jì)洪量、設(shè)計(jì)洪水過程線、設(shè)計(jì)洪水的地區(qū)組成和分期設(shè)計(jì)洪水等?？筛鶕?jù) 工程特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求計(jì)算其全部或部分內(nèi)容。防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)指防洪工程抗御洪水能力的規(guī)定限度。防洪水工建筑物設(shè)計(jì)時(shí)，選用過于大的洪水作為設(shè) 計(jì)依據(jù)，雖然安全，但不經(jīng)濟(jì)；若選擇的洪水偏小，投資雖然減少，但不 安全或達(dá)不到預(yù)期的防洪要求。因此，需權(quán)衡安全和經(jīng)濟(jì)兩個(gè)方面，為工 程的防洪能力規(guī)定一個(gè)恰當(dāng)?shù)南薅?，即防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。符合此標(biāo)準(zhǔn)的洪水1 / 8即為設(shè)計(jì)洪水。防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)一般用洪水出現(xiàn)的概率

3、或重現(xiàn)期表示。個(gè)別 工程和有些地區(qū)的防洪規(guī)劃，也有以防御某次大洪水作為防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的。 通常分為正常運(yùn)用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（簡稱設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)）和非常運(yùn)用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（簡稱 校核標(biāo)準(zhǔn)）兩種。當(dāng)洪水超過正常運(yùn)用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，工程的正常運(yùn)用將遭 到破壞；當(dāng)洪水超過非常運(yùn)用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，工程的安全將受到威脅。不同 規(guī)模和不同重要性的工程分別采用不同的防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。中華人民共和國 于1978年頒布了水利水電樞紐工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（山區(qū)、丘陵 區(qū)部分）（SDJ12-78）（試行），對于特別重要的工程，在上述文件中規(guī)定 以可能最大洪水作為校核標(biāo)準(zhǔn)。比如利用暴雨計(jì)算設(shè)計(jì)洪水：暴雨：12小時(shí)降雨量達(dá)到30毫米或者24小時(shí)降雨量達(dá)

4、到50毫米時(shí)稱為暴雨。每小時(shí)以內(nèi)的降 雨量達(dá)到20毫米也稱為暴雨。設(shè)計(jì)暴雨的計(jì)算公式：設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量計(jì)算公式：Htp=KpHt式中：Ktp設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量；Kp皮爾遜曲線值；Ht最大雨量均值；t欲求時(shí)間；）設(shè)計(jì)面雨量計(jì)算公式：Ht W=atHt（式中：Ht面設(shè)計(jì)面雨量；at暴雨線性系數(shù)；Ht設(shè)計(jì)歷時(shí)點(diǎn)雨量；at、bt暴 雨線性擬合系數(shù)；）暴雨系數(shù)計(jì)算公式：at=（式中：at、bt線性擬合參數(shù)；F流域面積；）多年平均徑流量計(jì)算公式：Wp=1000yF（式中：Wp多年平均徑流量；y多年平均徑流深；F流域面積；）設(shè)計(jì)頻率年徑流深計(jì)算公式：yp=yKp（式中：y多年平均徑流深；Kp頻率模比系數(shù)；）多年平均年徑流

5、系數(shù)計(jì)算公式：a=y/x =W/1000Fx（式中：a多年平均年徑流系數(shù)；y年徑流深；x多年平均降雨量；）其次，河流在年內(nèi)會(huì)有一定的變化幅度，即枯季和汛期。了解枯季和汛期的 發(fā)展變化規(guī)律是進(jìn)行橋渡設(shè)計(jì)必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，因?yàn)榭菁竞脱雌诘暮樗闆r 會(huì)有很大的差別，忽略任何一種情況都會(huì)造成很大的影響。比如珠江流域，2002 年汛期（49月），珠江流域總降水量與常年相比偏多13成，其中流域東部、 西部降雨比較少，中部、海南島及沿海地區(qū)降水比較多。降水主要集中在68 月份，約占汛期降水的75%。影響或登陸珠江流域的熱帶風(fēng)暴共4個(gè)，比2001 年明顯偏少（9個(gè)），比多年平均個(gè)數(shù)略少（5個(gè)），風(fēng)暴強(qiáng)度及影

6、響范圍比較 小。最后，不同的年份，洪峰的大小也不一樣。這就要根據(jù)往年的資料對該處的 河流的洪水情況進(jìn)行整體的分析，資料的年份越多，可參考性也就越大。1.2河流的河型對橋渡的影響河型是指綜合反映河流形態(tài)和運(yùn)動(dòng)特征的河流類型。早期主要根據(jù)形態(tài)，將 其分為順直、蜿蜒和分汊3種類型。后又逐漸考慮其運(yùn)動(dòng)特征，目前有關(guān)河型的 分類有10余種。不同的河型反映了沖積河流自動(dòng)調(diào)整作用。在一定的流域來水 來沙條件下，就某一河段而言，因上游來沙量的變化，使該河段的泥沙量與水流 輸沙力不相適應(yīng)，縱向輸沙平衡遭到破壞，必然引起河床的縱向變形；同樣，輸 沙平衡在橫向上遭到破壞，會(huì)引起河床橫斷面的變化，河流發(fā)生平面的移動(dòng)。

7、縱、 橫向變形的結(jié)果，表現(xiàn)出不同的河床類型。天然出現(xiàn)的各種河型，不論是順直的、 彎曲的、還是網(wǎng)狀（分汊）的，均反映河流所在流域的性質(zhì)，均是內(nèi)外營力共同 作用的結(jié)果，均代表流域的水文狀況和地理環(huán)境間的平衡。而河型的轉(zhuǎn)化是在一 個(gè)長河段、長時(shí)期內(nèi)才能完成的復(fù)雜的內(nèi)部調(diào)整過程，最終表現(xiàn)為流域的水文狀 況和地理環(huán)境間平衡的破壞。河流的河型分為好多種，每一種對橋渡都有不同的影響。大概可以分為順直 型、彎曲型和游蕩型。順直型是指平面形態(tài)較順直的單一性河道，彎曲系數(shù)一般 V1.2。長度一般不大，多出現(xiàn)于分布有抗沖性很強(qiáng)的物質(zhì)，或受構(gòu)造控制的地 段。其主流流路仍是彎曲的，兩岸出現(xiàn)犬牙交錯(cuò)的邊灘，在縱向上表現(xiàn)為

8、深槽與 淺灘互相交替，即在主流的彎頂處出現(xiàn)深槽，兩個(gè)深槽間的過渡段出現(xiàn)淺灘。在 演變特征上，沙質(zhì)河床中邊灘會(huì)逐漸向下游移動(dòng)，故導(dǎo)致河床發(fā)生周期性展寬。 卵石河流的邊灘較為穩(wěn)定。順直型河道中存在著明顯的泥沙分選現(xiàn)象，粗顆粒都 聚集在淺灘上，深槽的組成物質(zhì)一般較細(xì)。在淺灘段還存在著垂直方向上的泥沙 分選，即最粗的顆粒聚集在表層，向深處逐漸變細(xì)，這是因在水流的剪切作用下， 床面各層物質(zhì)間存在向上的離散力之故。關(guān)于順直型河道成因的一種解釋是楊志 達(dá)提出的最小能耗率理論。河流為達(dá)到當(dāng)?shù)貤l件下許可的能耗最小值，可選擇增 加河寬或減小比降的方式來進(jìn)行調(diào)整。若河岸抗沖性很強(qiáng)，不易發(fā)生側(cè)蝕，不僅 展寬難以發(fā)生，

9、且通過側(cè)蝕向彎曲發(fā)展以增加河長、減緩比降也不可能，此時(shí)通 過直接下切來減小比降即成為唯一可能的選擇，故出現(xiàn)順直而窄深的河床形態(tài)。 彎曲型河型又稱曲流型、自由曲流或蜿曲。發(fā)育于松散沖積物中的平面形態(tài)較彎 曲的河道。利奧波德(L. B. Leopold)認(rèn)為其彎曲系數(shù)(即河床長度與河谷長 度的比值)應(yīng)1.5，河彎對稱。中國長江的下荊江段、渭河、南運(yùn)河、漢江下 游等均為著名的蜿蜒型河道。蜿蜓型河道橫斷面窄深，床沙質(zhì)來量少，河床邊界 物質(zhì)的抗沖性適中，洪峰變差系數(shù)及流量變幅均小。河道中存在水面橫比降和橫 向環(huán)流，由此產(chǎn)生泥沙的橫向輸移作用，使凹岸遭受侵蝕、凸岸邊灘不斷淤長， 整個(gè)河彎不斷向側(cè)方和下游方

10、向蠕移，彎曲系數(shù)不斷增大。以致發(fā)生裁彎取直， 原有彎道被廢棄為牛軛湖，從而完成河灣發(fā)育的一個(gè)周期。此后繼續(xù)按此循環(huán)。19世紀(jì)末期以來，關(guān)于彎曲河型成因的假說已有數(shù)十種，可概括為4類，即分 別從能量消耗及能量分配應(yīng)滿足的規(guī)律、順直水流的不穩(wěn)定性、邊界條件的不均 勻性對水流直線運(yùn)動(dòng)的破壞，以及河床和河岸相對可動(dòng)性的對比等觀點(diǎn)來解釋曲 流的成因。一般認(rèn)為，彎曲型河道較穩(wěn)定，航道整治工程中往往按彎道的要求來 確定整治線。游蕩型河型是指平面上水流散亂呈辮狀，心灘密布，變動(dòng)不定的河 道。以中國河南省境內(nèi)的黃河下游段及永定河下游等河段為典型。河道的彎曲系 數(shù)僅略1，整體形態(tài)較順直。橫斷面十分寬淺，水流散亂，

11、主槽擺動(dòng)幅度和擺 動(dòng)速度均很大，河勢變化劇烈。游蕩型河流大都處于強(qiáng)烈淤積狀態(tài)，故河床不斷 抬高。與同流量的其它河流相比，其比降較大，來水來沙狀況常表現(xiàn)為流量變幅 大，洪峰暴漲暴落，含沙量大，流域來沙較粗及床沙質(zhì)來量較大。由于灘槽高差 較小，河床邊界物質(zhì)抗沖性弱，河床對水流的約束性很差。這些都利于游蕩型河 道的形成。中國學(xué)者錢寧曾對游蕩河流形成的來水、來沙及邊界條件進(jìn)行了定量 表達(dá)，建立了游蕩指標(biāo)，用以判別游蕩性與非游蕩性河流。游蕩型河流的挾沙能 力具有多來多排的特點(diǎn)，即上游來水中泥沙含量較大時(shí)，沿程各河段的挾沙能力將會(huì)因自動(dòng)調(diào)整而增大。在各河型中，游蕩河型最不穩(wěn)定，這不僅因縱向沖淤幅 度大，且

12、橫向擺動(dòng)強(qiáng)烈，以至遷徙改道。因游蕩型河道多為地上河，防洪方面壓 力很大，并造成沿河地區(qū)的內(nèi)澇和鹽漬化。河型的不同對于橋渡的影響主要是由于不同河型的演變規(guī)律不同，這個(gè)原因 導(dǎo)致它們對橋渡的影響分別不同。1.3河床演變的幅度和速度對橋渡的影響自然界的河流無時(shí)不刻都處在發(fā)展變化過程之中，在河道修建各類工程之 后，收到建筑物的干擾，河床變化將人為加劇。由于山區(qū)河流的發(fā)展演變過程時(shí) 分緩慢，因此，通常說的河流演變，一般是指近代沖擊性平原河流的河床演變。圖一圖二河流是水流與河床相互作用的產(chǎn)物。水流與河床，二者相互制約，互為因果。 水流作用于河床，使河床發(fā)生變化；河床反作用于水流，響水流的特性。由因生 果，

13、倒果為因，循環(huán)往復(fù)，變化無窮，這就是河床演變。圖一為河床的橫向變形， 圖二為河床的縱向變形。圖一圖二水流與河床之間相互作用的紐帶-泥沙運(yùn)動(dòng)。泥沙有時(shí)因水流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度減 弱而為河床的組成部分，有時(shí)又因水流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的增強(qiáng)而成為水流的組成部分。 換句話說，河床的淤積抬高或沖刷降低，是通過泥沙運(yùn)動(dòng)來達(dá)到和體現(xiàn)的。因此， 研究河床演變的核心問題，歸根結(jié)底，還是關(guān)于泥沙運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律問題。在實(shí)際中，通過多種指標(biāo)之間的對比分析與研究可以在某種程度上減少結(jié)果 的不確定性，這也是目前地學(xué)界進(jìn)行研究所采用的方法。同時(shí)，將環(huán)境替代指標(biāo) 所反映的古環(huán)境演變信息與考古資料相結(jié)合，進(jìn)行相互印證，也避免了單一指標(biāo) 在反映古環(huán)

14、境演變方面的不確定性和片面性。只有科學(xué)地研究河床的基本演變規(guī) 律才能更好地進(jìn)行橋渡設(shè)計(jì)。2.橋渡對河流的影響2.1束窄過流斷面，上游產(chǎn)生壅水，甚至洪水漫灘、改道壅水指因水流受阻而產(chǎn)生的水位升高現(xiàn)象。如在河流中建造閘、壩或橋墩， 或有冰凌阻塞時(shí)，均能引起壅水。又如兩河流匯合相通，一河盛漲時(shí)，則在另一 河中也會(huì)引起壅水。在橋渡設(shè)計(jì)中，沖刷計(jì)算、孔徑計(jì)算、導(dǎo)治建筑物布置以及 綜合方案的比較等都是以橋梁水力計(jì)算為工作基礎(chǔ)的，而橋梁水力計(jì)算，除天然 水流與自然河床外，總是以橋墩壅水計(jì)算作為主要內(nèi)容，這是因?yàn)橛捎跇蚩准s束 水流，使橋下流速增大，從而靠近泛濫邊界一段河灘路堤上游水面壅高，下游水 面降低，橫跨

15、路堤形成較大的水面高差，在洪水期間將會(huì)威脅路堤的安全，而且 橋墩上游水面的壅高也對河岸路堤的修筑高度和橋梁的橋下凈空等要求等都有 關(guān)鍵的影響，因此橋墩壅水計(jì)算有著非常大的實(shí)際意義。2.2阻擋水流，產(chǎn)生河床縱向變形墩臺(tái)阻擋水流，使局部水流集中，動(dòng)力增大，引起河床局部沖刷，即縱向變 形。邊灘不斷展寬、加高、增長，形成雛形河漫灘。雛形河漫灘在平水期和枯水 期有植物生長，洪水期有懸移質(zhì)泥沙沉積，逐漸成為河漫灘。河漫灘近岸區(qū)或江 心洲沿岸區(qū)，洪水漫溢后，水深突然減小，加之河岸和洲岸的阻力，流速減小， 泥沙沉積下來，形成與岸平行出露水面的堤狀堆積體，稱為河岸沙堤。由于凹岸 的后退通常不是連續(xù)進(jìn)行的，河道在

16、發(fā)育過程中會(huì)在凸岸形成一組微高的孤狀帶 形堆積體，稱為濱河床沙壩。沙壩與沙壩之間成為狹長的局部洼地。這一系列濱 河沙堤與壩間洼地組合而成的扇狀沉積體，稱為河漫灘鬃崗地形或迂回扇。彎道 河床的自然裁彎形成廢棄河道。廢棄河道的上、下口門被淤死，成為牛軛湖。在 平原河流下游，洪水期大量懸浮物質(zhì)隨河水溢出，并很快沉積，形成高出附近地 面、沿河床兩側(cè)堆積成向外微傾斜的長堤，稱為天然堤。此外，沙質(zhì)河床在水流 的作用下，表面形成不同類型的微起伏地形：沙紋、沙波等。2.3河道主流遷移墩臺(tái)強(qiáng)迫水流改變方向，導(dǎo)致河道主流遷移，主河槽左右擺動(dòng)，嚴(yán)重 影響河流的穩(wěn)定性，造成不良的后果。3.如何根據(jù)河流和橋渡的相互作用關(guān)系做好橋渡設(shè)計(jì)三個(gè)方面水力學(xué)河流動(dòng)力學(xué)洪水要素（流量、水位）計(jì)設(shè)計(jì) 計(jì)算水力要素河流穩(wěn)定性計(jì)算（流量、水位）（流速、壅水）（橋墩、臺(tái)沖刷）如上圖所示，橋渡設(shè)計(jì)的基本思路大概如此，即利用工程水文學(xué)、水力學(xué)和 河流動(dòng)力學(xué)的相關(guān)知識(shí)，根據(jù)該河流的水文資料和水力因素來確定孔徑和橋位等 橋渡設(shè)計(jì)過程中的主要因素，但是與此同時(shí)，也要考慮建設(shè)后橋渡對河流的影響， 即考慮河流的穩(wěn)定性，使規(guī)劃建設(shè)后的橋渡不對原來的水文環(huán)境太大的不良影 響。所以，只有綜合考慮河流和橋渡之間的相互關(guān)系