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1、复式河道的桥梁壅水计算摘要：本文应用复式河道的桥梁壅水实验资料对拱桥法进展了验证,发现拱桥法计算值往往过高。提出了可用于复式河道的边滩等价河宽的概念和计算方法,并与实测资料进展了比照。关键词：复式河道桥梁壅水1前言所谓复式河道是指有河漫滩的河道，在洪水期，河漫滩将会被吞没。由于主槽和滩地有不同的水深和糙率，水位流量关系将和单道有所不同。当水流漫滩时，由于主槽水流与滩地水流的互相作用，断面过水才能通常会降低。特别是水流刚刚漫滩时，由于断面形状的突变，加上滩地糙率一般与主槽不一样，使估算过水才能变得非常困难。然而正确的估计给定水位下的流量以及流量如何确定水位等问题对于洪水预报、防洪规划又是必不可少
2、的。为了系统地研究复式河道的水力学问题，增进合作、交流、防止重复研究，由英国科学与工程研究委员会资助，在英国瓦灵弗水力学研究所HydraulisResearhLiitedallingfrd,UK建成了洪水河道设施(FldhannelFaility，简称FF)。FF自1986年开放以来，主要进展了三个系列的实验：19871989年的顺直和歪斜河道实验：19901994年的弯曲河道实验；19951997的固定河岸、可动河床实验。目前正在进展自形成河道实验。到1999年，已有80篇以上的论文是基于FF实验数据的。在1995年国际水力学研究协会第26届大会上被选定为检验数学模型的基准资料。1999年，
3、Knight1对复式河道的水力学研究作了系统总结。由于桥梁的修建减小了断面过流面积，水流流线在桥梁的上游形成收缩，下游形成扩散，加上桥体本身的阻力等因素，使河流的部分阻力增大，造成部分水头损失，形成桥梁上下游的水位差称为桥梁壅水。河道桥梁壅水在流量小时并不明显，而在洪水期较为显著。桥梁壅水抬高了桥梁上游水位，增大了吞没面积，滞蓄了洪水，从而增大洪水灾害。假如流量过大，使洪水漫过桥梁，甚至冲毁桥梁，将造成更大的灾害。较为著名的桥梁壅水的计算方法有：美国公路局法USBPR、美国地调局法USGS、英国瓦林弗水力学研究所的拱桥法(Arh)、Biery和Delleur法等。这些方法一般是通过联解动能或动
4、量方程与连续性方程、得到求解桥梁公式的形式，最后用实验资料确定公式的参数。桥梁壅水的危害，在大流量高水位的洪水时尤为突出，而天然河道在洪水期间，一般水流漫上了河滩，过流断面为复式断面，而桥梁壅水的公式多是在单一河道中建立的，目前对复式断面的桥梁壅水问题的研究还不多见，本文在复式河道的桥梁壅水实验的根底上提出了一种计算方法。2实验概况图1水槽平面示意图Planeskethftheflue图2模型桥梁尺寸(单位)Diensinsfthedelbridges实验是在英国伯明翰大学的水槽上进展的，图1为水槽平面布置示意图。水槽长22，宽1.213，深4.4。水槽上用PV材料做成了一个复杂河道，主槽宽3
5、98，河漫滩宽407.3，主槽深50，水槽底坡为2.024。水槽设有两个水循环系统，一个循环管道用文丘里流量计测流量，另一个用电磁流量计测量。对于一个给定流量，通常把流量按一定分配规那么分为一大一小两部分，大的一部分用文丘里流量计所在管道进展粗调，剩余部分用电磁流量计所在管道精调。实验前，先用进水管放水进入循环系统，然后开启两套循环系统，使水流开场流动，最后调整尾门使水流在水槽中为均匀流。实验过程中，如发现循环系统水量过多，可通过尾水池的排水管放出一定水，使尾水闸出流不为吞没出流。水槽实验一直是研究水力学的根本手段。由于天然河道断面形状的不规那么性以及量测的困难性，所以不合适研究水力学的根本规
6、律。水槽的边壁一般是均匀光滑的，使得水槽中糙率的调整比拟困难。用三角形的铁丝网架在水槽上，并通过调整铁丝网架的间距来实现不同的糙率值是一种经济实用的方法。很明显，糙率由水位和铁丝网间距决定，必须通过实验来率定这种函数关系。桥梁的形状如图2所示，有半圆拱桥，双孔半圆拱桥和椭圆拱桥，桥梁放置在编号为59的断面上，此断面距主槽进口7。共有三种不同的糙率组合情况，分别为第一种情况：光滑边界第二种情况：主槽光滑、边滩上1=500第三种情况：主槽2=2000，边滩1=500对于每一种糙率情况，进展了几个流量、测量出桥梁上下游的水位差。实验结果列于表1中。3拱桥法的验证拱桥法(Arhethd)由英国瓦灵弗水
7、力学研究实验室1985年提出2。拱桥法建立在动量守恒定理和水流连续性方程根底之上，导出如下关系式式中下标3表示桥梁下游断面，D为桥梁阻力系数，J3为桥梁下游堵塞率,dh为壅水高度，h3为下游水深，Fr3为下游弗汝德数。最后用实验数据建立了桥梁壅水高度和下游弗汝德数和下游堵塞率的关系，从而可由下游水力要素计算桥梁壅水。应用拱桥法计算的壅水和实测壅水的比照方表1所示。由表1可以看出，拱桥法往往过高估计桥梁壅水。表1拱桥法验证表Validatetablefarhethd糙率情况流量(3/s)单孔拱桥双孔拱桥椭圆拱桥实测计算实测计算实测计算0.02129.72734.03230.1270.02438.
8、64342.35137.84310.02744.86450.37145.6640.03050.27457.37451.7740.03559.87969.57962.9790.01816.62519.92916.3250.02117.83121.83517.8310.02417.53722.94117.83720.03019.64526.25719.8450.03521.86231.27323.7620.04022.27138.68132.1730.04523.98050.99344.4850.05027.68271.510869.21020.0156.9157.9176.7150.0187.9
9、199.6208.0190.0219.42413.12911.02430.02410.42913.33311.7290.02711.43316.03814.5340.03013.13820.44418.6400.03515.94332.65531.4524边滩等价河宽桥梁壅水是以通过桥洞时，由于上游的流线收缩以及下游的流线扩散都会引起水头损失，这些损失加上桥梁的摩擦损失就是总的水头损失。摩擦损失用水流速度，或Fr反映，收缩和扩散损失用阻塞率来反映。然而由于复式河道的水流构造与单一河道并不一样，主槽流速比滩地大，从而使流线密集于主槽，有利于水流通过桥梁，所以传统方法不适用于复式河道，会过高地估计
10、壅水高度。由于传统方法如拱桥法、美国公路局法(USBPR)等以得到广泛应用，并以很多商业软件如Isis所使用，假如能对这些方法加以修正，自然是很经济的解决方案。假定存着某一河宽，使得复式河道水流在同流量，同水位下的矩形河道水流通过桥梁时将引起的同样的壅水高度，这样的河宽定义为等价河宽。等价河宽与主槽河宽之差定义为边滩等价河宽，边滩等价河宽反映了漫滩水流对主槽水流的影响效果，受滩槽各自的水深、流速、分区宽度等因素的影响。所以在研究等价河宽时，必须首先计算复式河道的水流要素。水流计算可采用PeterAkers3提出的协同法。PeterAkers提出的协同法因其简单、实用、精度高而成为目前最好的计算
11、复式河道水流的一维方法，被选为英国环境局推荐方法。协同方法是建立在传统的分区法根底之上，根据滩地相对水深分成四个区，每个区的流量采用不同的校正公式，并提出了一个断定分区的程序。图3等价河宽法验证图ValidatefequivaleneidthethdBev=bfVfhf/Vh假如Bea用来表示边滩等价河宽，那么Bea可表示为Bea=KBev根据目前的资料情况，K可取0.5。图3是用等价河宽计算的壅水高验证图。从图中可以看出等价河宽法与实测值较为吻合，而且方法简单、实用，可用于复式河道的桥梁壅水计算。5小结桥梁壅水的危害，在大流量高水位的洪水时尤为突出，而天然河道在洪水期间，一般水流漫上了河滩，
12、过流断面为复式断面，而桥梁壅水的公式多是在单一河道中建立的，目前对复式断面的桥梁壅水问题的研究还不多见。应用实验资料对拱桥法进展了验证，发现拱桥法往往过高估计桥梁壅水。提出了计算复式河道桥梁壅水的边滩等价河宽的概念和计算方法，计算出的桥梁壅水与实验数据吻合良好。参考文献1KnightD.,1999,FlehanissandSedientTransprtinpundhannels,InternatinalJurnalfSedientResearh,Vl14,N2,pp217-236.2BrnP.1985,AffluxatBritishbridges.Interireprt,NSR60,HydraulisResearh,allingfr.3AkersP.,1993,Flfrulaefrstraightt-stagehannel,JurnalfHydrauliReseah,IAHR,Vl.31,N.4,pp509-531.
