一种确定双桥梁壅水累积影响范围的方法

摘要

本发明提供一种确定双桥梁壅水累积影响范围的方法，包括建立模型、影响因素及无量纲分析、单一桥梁的水位差曲线、单一桥梁的壅水特性、确定双桥梁累积壅水特性及最大影响范围等步骤，本发明用于确定相邻两座桥梁之间在桥梁壅水方面互不影响的临界距离，即双桥梁壅水累积影响的最大范围，对于淮河蚌埠段的八座桥梁而言，存在累积影响的最大桥梁间距约为215倍的桥墩宽度。本发明可以为涉河桥梁的合理规划布置及安全建造运行提供科学支撑。

说明书

技术领域

本发明属于涉河工程管理技术领域，涉及桥梁工程对防洪的影响，具体涉及一种确定双桥梁壅水累积影响范围的方法。

背景技术

跨河桥梁是保证社会经济发展的重要基础设施。支撑桥梁安全的桥墩对桥址河段水流形成竖向的贯通干扰，必然导致附近河道水沙动力特性的变异，桥梁壅水是其中一种典型的干扰效应。桥梁壅水会对河道行洪造成附加压力，有时甚至成为加剧洪涝灾害的主要因素，因此在涉河工程建设和管理的实践中受到普遍重视。随着社会经济的快速发展，河流上的桥梁数量不断增多，在城市河段更是逐步以“桥梁群”的形式存在，而双桥梁是“桥梁群”最基本的存在状态，壅水问题中桥梁群的累积影响也日渐凸显，对城市防洪安全、航运和桥梁自身安全等都形成新的威胁。以往对于桥梁壅水问题的研究，往往仅考虑单座桥梁甚至单个桥墩的影响，对桥梁群累积影响的研究尚不多见，已不能适应当前的发展态势，因此急需进行相应研究，从而科学合理地评估桥梁群对防洪等问题的影响。

发明内容

发明目的：为了确定相邻两座桥梁之间在桥梁壅水方面互不影响的临界距离，即双桥梁壅水累积影响的最大范围，为涉河桥梁的合理规划布置及安全建造运行提供科学支撑，本发明提供一种确定双桥梁壅水累积影响范围的方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的一种确定双桥梁壅水累积影响范围的方法，包括以下步骤：

步骤1，模型建立与验证；

步骤2，影响因素及无量纲分析；

步骤3，单一桥梁的水位差曲线；

步骤4，单一桥梁的壅水特性；

步骤5，确定双桥梁累积壅水特性及最大影响范围。

所述步骤2中，影响因素包括最大壅水高度W、上游壅水长度L₁及下游回水长度L₂，受到水流、桥梁桥墩和河道特性的共同影响，最大壅水高度影响机制如下：

W＝f[水流(Q，B，H，S_e)，桥墩(D，K_θ，K_s，l)，河道(B₁，B₂，S₀)]>

其中，Q为流量；B为水面宽度；H为最大壅水高度发生点对应的未建桥时的水深；S_e为能坡；D为桥墩宽度；K_θ为表征桥墩纵轴线与主流方向关系的夹角系数；K_s为桥墩形状系数；λ为桥梁阻水比，表征桥梁墩柱占用过水断面面积；B₁为复式河道主槽宽度；B₂为复式河道宽度；S₀为床面底坡；

考虑断面形态(H、B和B₁)影响的间接性，采用断面平均流速U作为其与流量的综合参数，U_f为平滩流量对应的断面平均流速，将式(1)转化为如下无量纲的形式：

所述步骤3中，首先测量河工模型中无桥梁时各桥位附近河段的水面线，然后测量放入不同单一桥梁时相同河段的水面线，二者相减得到各单一桥梁对应的水位差曲线即壅水曲线，通过壅水曲线可以读取各单一桥梁在不同流量下的W、L₁和L₂模型测量值。

所述步骤4中，进一步对W、L₁和L₂三个参数与来流强度U/U_f及断面形态B/H的定量关系进行分析，得到如式(3)和式(4)，其中Q_f为平滩流量：

Q＜Q_f时，流速较小，桥墩阻水效应微弱，W、L₁和L₂分别遵循以下规律：

Q＞Q_f时，流速增大，桥墩阻水效应明显，W、L₁和L₂分别遵循以下规律：

所述步骤5中，选取最大壅水高度W做进一步的分析，对公式(4)中的第一个公式进行形式变换，并提出桥梁壅水函数的概念F(W/D)如式(5)所示：

得到单一桥梁的壅水函数与相对流速之间具有确定的指数关系如式(6)所示：

进一步依据公式(5)、(6)及不同双桥梁组合工况的试验数据，运用图解法确定相邻两座桥梁壅水累积影响的最大范围。

有益效果：本发明用于确定相邻两座桥梁之间在桥梁壅水方面互不影响的临界距离，即双桥梁壅水累积影响的最大范围，为涉河桥梁的合理规划布置及安全建造运行提供科学支撑。

除了上面所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外，本发明的一种确定双桥梁壅水累积影响范围的方法所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点，将结合附图做出进一步详细的说明。

附图说明

图1是研究河段、桥梁及水位测点布置示意图；

图2是模型水面线验证；

图3A到图3B是桥梁壅水测量示意图；

图4A到图4B是单一桥梁壅水水位差曲线(以大庆路桥为例，左/右图为平滩流量以下/上)；

图5A到图5B是平滩流量以下/上单一桥梁最大壅水高度与相对流速的关系；

图6A到图6B是平滩流量以下/上单一桥梁上游壅水长度规律拟合；

图7A到图7B是平滩流量以下/上单一桥梁下游回水长度规律拟合；

图8A到图8B是平滩流量以下/上单一桥梁最大壅水高度拟合效果；

图9是不同双桥梁组合工况对应桥梁壅水函数值与相对流速的关系；

图10是双桥梁壅水累积影响系数m₁与桥梁间距L/D的关系。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明。

一、模型的建立与验证

以淮河蚌埠段(蚌埠闸下至信家湾河段，全长22km)及河段内的八座桥梁为研究对象，采用定床河工模型进行研究，如图1所示。八座桥梁从上游往下游依次为：大庆路桥(DQB)、朝阳路桥(CYB)、K831老桥(K831OB)、K831新桥(K831NB)、解放路桥(JFB)、铁路货运桥(TLB)、京沪高铁桥(JHB)及长淮卫桥(CWB)，其中长淮卫桥在本项研究时期正在建设当中。K831OB和K831NB共称为K831复线桥(K831TB)，这两座桥梁的建设尺寸基本相同且梁桥间距只有25m。定床河工模型根据《SL99-2012河工模型试验规程》，采用2013年实测地形资料，按照水平比尺λ_L＝400和垂向比尺λ_H＝50建立。所有试验均在恒定流条件下进行，流量采用直角三角堰控制，根据各级流量下的原型水位换算模型尾部水位，通过推拉式闸门控制。

利用吴家渡水文站及2014年淮河水利委员会在该河段布置的十个临时水位测站的相关资料进行模型验证，如图2所示，共进行四级流量的水面线验证。模型验证合理后，进行单一桥梁及不同双桥梁组合条件下的壅水工况试验。模型试验共选用8级流量，分别为7.34、8.70、10.06、11.46、17.47、26.20、34.94、45.42L/s，对应于天然流量分别为2100、2490、2880、3280、5000、7520、10000、13000m³/s。其中3280m³/s为该河段平滩流量，13000m³/s为桥梁设计的百年一遇校核流量。

各级流量下的工况试验，主要利用水位测针，对各桥梁主槽桥墩上下游水面线进行测量，精度为±0.1mm，测量范围为距离桥墩上下游各1m，测点间隔为1cm，试验测量示意图如图3A与图3B所示。试验过程中各个桥梁可根据需要放入或移出模型。

二、影响因素及无量纲分析

实际工程中，主要通过最大壅水高度W、上游壅水长度L₁以及下游回水长度L₂对桥梁壅水特性进行描述，三个壅水参数受到水流、桥梁(墩)和河道特性的共同影响。以W为例，其影响机制可以用下式表达：

W＝f[水流(Q，B，H，S_e)，桥墩(D，K_θ，K_s，l)，河道(B₁，B₂，S₀)]>

其中，Q为流量；B为水面宽度；H为最大壅水高度发生点对应的未建桥时的水深；S_e为能坡；D为桥墩宽度(桥墩为圆型时为墩径)；K_θ为表征桥墩纵轴线与主流方向关系的夹角系数；K_s为桥墩形状系数；λ为桥梁阻水比，表征桥梁墩柱占用过水断面面积的多少；B₁为复式河道主槽宽度；B₂为复式河道宽度；S₀为床面底坡。

以下基于研究河段的实际特点，对上述模型进行合理的假设和简化。

淮河属平原型河流，河床底坡和能坡均较小，沿程水面线变化较缓。考虑到此处的桥梁壅水参数，主要是受桥墩阻碍引起的局部突变，与沿程水面线变化关系不大，因此S_e和S₀对桥梁壅水的影响可以忽略。

由于对原型进行了缩放，定床河工模型中的桥墩模型许多细部特征不再明显，为此，将桥墩模型的墩头和墩尾统一做成半圆形；另一方面，淮河水利委员会要求淮河上所建桥梁的主桥墩纵轴线与主流方向夹角不得大于10°。因此桥墩形状系数K_s和夹角系数K_θ对桥梁壅水的影响也可忽略。

河道断面形态与水流特性具有密切关系，二者对桥梁壅水的影响是一种综合效应，考虑到断面形态(H、B和B₁)影响的间接性，采用断面平均流速U作为其与流量的综合参数加以考虑。此外桥梁阻水比λ也是影响桥梁壅水的一个主要因素，一般而言，U和λ越大，桥梁壅水效应越明显。基于上述几项假设，式(1)可以转化为如下无量纲的形式：

其中，U_f为平滩流量对应的断面平均流速。

三、单一桥梁的水位差曲线

对于单一桥梁情况，在各级流量下，首先测量河工模型中无桥梁时各桥位附近河段的水面线，然后测量放入不同单一桥梁时相同河段的水面线，二者相减即可得到各单一桥梁对应的水位差曲线即壅水曲线，如图4A与图4B所示(以大庆路桥为例)，通过壅水曲线可以读取各单一桥梁在不同流量下的W、L₁和L₂模型测量值。其中K831老桥与K831新桥因为桥墩尺寸和排列一致，且地形相差不大，所以对应的壅水曲线一样。

分析发现随着流量的增大，三者均表现出不同程度的增长，并且流量大于平滩流量时(Q＞Q_f)对应的上游壅水曲线梯度远大于Q＜Q_f时的情况；而下游壅水曲线在Q＜Q_f时从上游至下游单调变化，在Q＞Q_f时波动衰减至0。

四、单一桥梁的壅水特性

进一步对W、L₁和L₂三个参数与来流强度U/U_f及断面形态B/H的定量关系进行分析，可以发现以平滩流量Q_f为界，三者表现出不同的规律，如图5～图7所示，对其进行数据拟合得到定量关系如式(3)和(4)所示，各式计算值与实测值的吻合效果如图6～图8所示。

Q＜Q_f时，流速较小，桥墩阻水效应微弱，W、L₁和L₂分别遵循以下规律：

Q＞Q_f时，流速增大，桥墩阻水效应明显，W、L₁和L₂分别遵循以下规律：

由公式(3)、(4)可知，当Q＜Q_f时流速较小，桥梁阻水比对壅水影响微弱，W主要受水流强度的影响，与U/U_f呈指数关系，L₁和L₂与W之间为线性关系；当Q＞Q_f时流速增大，桥梁阻水比对壅水的影响开始显现，L₁、L₂与W之间均呈指数关系，可见此时随着Q(即U/U_f)的增加，W比L₁、L₂增长的更快，即最大壅水高度W对流量Q的变化更加敏感。

需要说明的是，由于K831复线桥所处断面主槽面积很小，当流量未达到该河段平滩流量时，这一断面的水流已经漫滩，为此在公式拟合时将K831复线桥相关数据作为平滩流量以上的数据进行处理。另外，图7(右)中实测数据较为离散，考虑到实际工程中更关注最不利情况，为此拟合曲线为实测数据的包络线，即对于不同的W，该曲线基本能得到L2的最大可能值，这也符合工程应用的需要。

五、双桥梁累积壅水特性及最大影响范围的确定

在以上单一桥梁壅水特性研究的基础上，通过不同双桥梁组合试验，发现不同流量下有四种双桥梁组合的壅水特性与单一桥梁工况相比发生变化，如表1所示。由工况2、3、4可知，当模型流量小于34.94L/s时(对应天然流量小于10000m³/s)，W、L₁及L₂均不受双桥梁累积影响；当流量为34.94L/s时，W受到双桥梁累积影响，而L₁和L₂不受影响；当流量为45.42L/s时(对应天然流量为13000m³/s)，W和L₁受到双桥梁的累积效应影响，而L₂不受影响。为此，可以认为当双桥梁间距L固定时，双桥梁壅水累积影响随流量增加而逐渐增强，其中最大壅水高度W受影响的敏感性最强，上游壅水长度L₁次之，下游回水长度L₂最弱，为此选取敏感性最强的最大壅水高度W做进一步的分析。

表1 存在双桥梁累积影响的组合工况情况

注：表1中Y表示参数受到双桥梁累积效应的影响，N为不受双桥梁累积效应的影响。

对公式(4)中的第一个公式进行形式变换，并提出桥梁壅水函数的概念F(W/D)如式(5)所示，单一桥梁壅水函数与相对流速之间具有确定的指数关系，如式(6)所示：

进一步依据公式(5)、(6)及不同双桥梁组合的试验数据，运用图解法确定相邻两座桥梁壅水累积影响的最大范围。将不同双桥组合工况下F(W/D)～U/U_f关系与公式(6)绘制在一起，如图9所示。为便于分析F(W/D)随桥梁间距的变化，首先在单桥梁曲线对应的最大相对流速处作切线，然后对于不同双桥组合，作出一组平行于该切线的平行线。平行线经过各个工况在最大流量下对应的壅水函数值。从这一组平行线可以看出，随着桥梁间距的增加，双桥梁的F(W/D)值逐渐向单一桥梁的F(W/D)值靠近，由此可以推测，当双桥梁间距足够大时，对应的F(W/D)与单桥梁重合，此时双桥梁的壅水累积影响随即消失。为确定该距离的临界条件，假设双桥梁壅水函数可以表示为：

F_t(W/D)＝m₁F_a(W/D)>

其中下标a为单一桥梁，下标t为双桥梁，m₁为系数。理论上对应于不同桥梁间距，不同相对流速，m₁的取值也不同。

根据以上分析，式(7)中系数m₁为1时对应的间距即为临界间距。为此绘制最大相对流速下的m₁～L/D关系并进行延伸(L为双桥梁间距)，如图10所示，可得m₁＝1时对应的L/D约为215，因此L/D＝215即为双桥梁累积影响的最大范围。

以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。