河口桥梁工程阻水比测量方法及装置

摘要

本发明公开了一种河口桥梁工程阻水比测量方法及装置，测量方法包括以下步骤：S1、结合桥梁的桥轴线与河道主流方向，确定桥梁的投影断面的位置；S2、根据预设水位下投影断面附近的平面流场特征，确定桥梁各桥墩所在投影断面位置的流速V

说明书

技术领域

本发明涉及河口动力技术领域，尤其涉及一种河口桥梁工程阻水比测量方法及装置。

背景技术

河道桥梁工程中，桥墩及其承台等下部结构占用河道部分行洪过流面积，增大局部水流阻力，对河道水流产生阻碍作用。阻水比是指设计洪(潮)水位下，涉水建筑物桥墩在垂直于水流方向上的投影面积与工程建设前同一过水断面面积之比，以百分数统计。该意义下桥梁阻水比实际上反映的是桥墩障碍(或压缩)水流的程度，能够直接评估工程阻水效应，在一定程度上反映了桥梁工程的壅水影响程度，对于分析工程对河道行洪及河势稳定的影响具有十分重要的意义，是目前水行政主管部门加强河道管理范围内建设项目管理的定量控制指标，因而也是涉水桥梁工程设计需要关注的关键参数。

直接采用阻水面积比进行阻水比计算的方法是对于滩槽结构差异不大的河道而言，该河道断面流速分布相对均匀，桥梁工程沿线的流速、流向差异不大，阻水面积比基本能够反映工程的阻水效应。但对于河口而言，浅滩发育，浅滩和深槽相间，滩槽结构复杂，水流流速在断面分布不均，浅滩流速小，深槽流速大或各桥墩轴线与水流的夹角不同，二者相差数倍。根据相关学者对珠江河口一些桥梁工程的研究表明布置在浅滩和深槽不同部位的桥墩，阻水比在不同水位下的变化规律不尽相同(如图1所示)，因此，即使具有相同的阻水面积，其实际的阻水效应差别甚远，且面积阻水比常需使用水位雍高值作为阻水程度判别标准不够直接形象，导致现有的阻水比计算方法难以反映河口河道差异，阻水比指标出现失真。

桥梁阻水引起的局部水头损失可以近似表达如下：

ΔZ＝ζ·ν²/2g

式中：ζ为局部水头损失系数，v为桥墩附近的流速，g为重力加速度。从公式可以看出桥梁壅水与流速密切相关，流速越大，其引起的桥梁壅水越大。

涉水桥梁阻水比与上游水位壅高相关性水槽试验研究表明，在相同阻水比条件下，上游水位壅高值随流速的增加而增大，与流速近似成二次曲线关系，阻水比越大，曲线“上翘”的越快(如图2所示)，曲线斜率随流速增大的越快，水位壅高对流速越敏感。可见，桥梁工程实际阻水效应与阻水构筑物附近的流速密切相关。因此，如何更为准确地反映桥梁工程沿线流速、流向差异对桥梁阻水效应的影响，寻找一种适应于河口复杂滩槽结构的桥梁阻水比计算方法是一个亟待解决的关键问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种适用具有复杂滩槽结构河口的河口桥梁工程阻水比测量方法及装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种河口桥梁工程阻水比测量方法，包括以下步骤：

S1、结合桥梁的桥轴线与河道主流方向，确定所述桥梁的投影断面的位置；所述投影断面的位置垂直于河道主流方向；

S2、根据预设水位下所述投影断面附近的平面流场特征，确定所述桥梁各桥墩所在投影断面位置的流速V_i、所述桥墩处水流和河道主流之间的夹角θ_i；

S3、结合所述预设水位和所述桥墩的形状，确定各个所述桥墩的阻水面积A_i；根据所述流速V_i、夹角θ_i以及阻水面积A_i，通过下式分别获得各个所述桥墩的阻水流量q_i：

q_i＝A_iV_icosθ_i

其中，i＝1、2…n，n为桥墩总数；

所有所述桥墩在所述投影断面上的总阻水流量q＝Σq_i；

S4、获得所述预设水位下的所述投影断面的流量Q，结合所述桥墩的总阻水流量q，得到阻水比α＝q/Q。

优选地，步骤S1中，所述桥轴线与所述河道主流方向垂直时，所述投影断面的长度为桥轴线在水面的投影长度。

优选地，步骤S1中，所述桥轴线与所述河道主流方向之间的夹角β为锐角时，所述投影断面的长度为桥轴线的长度乘以sinβ后在水面的投影长度。

优选地，所述预设水位的高程为4-10m。

优选地，步骤S4中，所述投影断面的流量Q通过数值模拟计算导出。

优选地，步骤S4中，所述投影断面的流量Q通过原型观测，采用走航式声学多普勒流速仪进行两组4个以上测回取平均值获得。

本发明还提供一种河口桥梁工程阻水比测量装置，其特征在于，包括：

结合桥梁的桥轴线与河道主流方向，确定所述桥梁的投影断面位置的断面位置确定模块；

根据预设水位下所述投影断面附近的平面流场特征，确定所述桥梁各桥墩所在投影断面位置的流速V_i的流速监测模块；

根据预设水位下所述投影断面附近的平面流场特征，确定所述桥墩处水流和河道主流之间的夹角θ_i的夹角确定模块；

结合所述预设水位和所述桥墩的形状，确定各个所述桥墩的阻水面积A_i的阻水面积确定模块；

根据所述流速V_i、夹角θ_i以及阻水面积A_i，通过式q_i＝A_iV_icosθ_i分别获得各个所述桥墩的阻水流量q_i以及所有所述桥墩在所述投影断面上的总阻水流量q＝Σq_i的第一计算模块，其中，i＝1、2…n，n为桥墩总数；以及

根据获得所述预设水位下的所述投影断面的流量Q，结合所述桥墩的总阻水流量q，得到阻水比α＝q/Q的第二计算模块。

优选地，所述预设水位的高程为4-10m。

优选地，所述预设水位下的所述投影断面的流量Q通过数值模拟计算导出至所述第二计算模块。

优选地，所述预设水位下的所述投影断面的流量Q通过原型观测，采用走航式声学多普勒流速仪进行两组4个以上测回取平均值获得并传至所述第二计算模块。

本发明的有益效果：本发明是在充分考虑河口复杂河道结构形式的基础上提出的，可为桥梁工程设计提供更为科学的阻水比计算方法，为河口工程管理提供更为直接准确的技术指标；适用于具有复杂滩槽结构的河口，考虑了断面上流速差异性，以流量阻水比(以百分数统计)为判别指标直接形象地表明了桥梁的阻水效应，可更为科学合理地管控河道建设项目，在河口地区具有极高的推广价值。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是现有在浅滩和深槽不同部位的桥墩，阻水比和水位的变化规律示意图；

图2是现有涉水桥梁不同阻水比下水位壅高与流速的关系曲线图；

图3是本发明中桥梁在河道上第一个实施例的结构示意图；

图4是本发明中桥梁在河道上第二个实施例的结构示意图；

图5是本发明中投影断面桥墩处水流差异示意图；

图6是本发明中投影断面处桥墩阻水面积示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图3、4所示，本发明的河口桥梁工程阻水比测量方法，包括以下步骤：

S1、结合桥梁2的桥轴线与河道3主流方向，确定桥梁2的投影断面(阻水比投影断面)的位置；投影断面的位置应垂直于河道3主流方向。

如图3所示，其为桥梁2垂直横跨在河道3上的结构示意图。其中，桥梁2的桥轴线与河道3主流方向垂直(两者之间的夹角β＝90°)，此时桥梁2的投影断面4的长度为桥轴线在水面的投影长度；从而，桥墩1的投影断面长度为其在水面的投影长度。

如图4所示，其为桥梁2非垂直横跨在河道3上的结构示意图。其中，桥梁2的桥轴线与河道3主流方向之间存在非直角的夹角(夹角β为锐角，0＜β＜90°)，此时桥梁2的投影断面4的长度为桥轴线的长度乘以sinβ后在水面的投影长度；从而，桥墩1的投影断面长度为其长度乘以sinβ后在水面的投影长度。

S2、根据预设水位下投影断面附近的平面流场特征，确定桥梁2各桥墩1所在投影断面位置的流速V_i、桥墩1处水流和河道主流之间的夹角θ_i。

其中，预设水位为考虑潮流、径流等各种情况下的水位，一般预设水位的高程为4-10m。通过不同预设水位下确定对应的流速、夹角等情况。桥墩1的流速V_i可通过数值模拟计算导出。

根据预设水位下投影断面附近的平面流场特征，主要目的是区分桥梁2各个桥墩1阻水效果的差异性，各桥墩1所在投影断面位置的流速。此外，通过预设水位确定桥墩1的淹没深度，进而确定其水下淹没面积，以便于获得桥墩1的阻水面积。

S3、结合预设水位和桥墩1的形状，确定各个桥墩1的阻水面积A_i。各个桥墩1的阻水面积A_i相同或不相同，视其所处位置(河槽或河滩)而定。

根据流速V_i、夹角θ_i以及阻水面积A_i，通过下式分别获得各个桥墩1的阻水流量q_i：

q_i＝A_iV_icosθ_i

其中，i＝1、2…n，n为桥墩总数。计算第一个桥墩1的阻水流量时，q₁＝A₁V₁cosθ₁，第二个桥墩1的阻水流量q₂＝A₂V₂cosθ₂，以此类推可分别获得各个桥墩1的阻水流量。

所有桥墩在投影断面上的总阻水流量q为各个桥墩1的阻水流量q_i之和，即：q＝Σq_i。

S4、获得预设水位下的投影断面的流量Q，结合桥墩1的总阻水流量q，得到阻水比α＝q/Q。

其中，投影断面的流量Q可通过数值模拟计算导出，也可通过原型观测，采用走航式声学多普勒流速仪(ADCP)进行两组4个以上测回取平均值获得。

一般，阻水比α为14-20％；当阻水比不在前述范围内时，可通过调整桥墩的阻水面积和/或桥轴线与河道主流方向之间夹角(桥墩处水流和河道主流之间的夹角)来调整阻水比。

本发明的河口桥梁工程阻水比测量装置，可实现上述的测量方法，其可包括断面位置确定模块、流速监测模块、夹角确定模块、阻水面积确定模块、第一计算模块以及第二计算模块。

其中，断面位置确定模块结合桥梁的桥轴线与河道主流方向，确定桥梁的投影断面位置。投影断面的位置应垂直于河道主流方向。

如图3所示，当桥梁2的桥轴线与河道3主流方向垂直(两者之间的夹角β＝90°)，此时桥梁2的投影断面4长度为桥轴线在水面的投影长度，从而桥墩1的投影断面长度为其在水面的投影长度。如图4所示，当桥梁2的桥轴线与河道3主流方向之间存在非直角的夹角(夹角β为锐角，0＜β＜90°)，此时桥梁2的投影断面4的长度为桥轴线的长度乘以sinβ后在水面的投影长度，从而桥墩1的投影断面长度为其长度乘以sinβ后在水面的投影长度。

流速监测模块根据预设水位下投影断面附近的平面流场特征，确定桥梁各桥墩所在投影断面位置的流速V_i；预设水位的高程为4-10m，为考虑潮流、径流等各种情况下的水位，通过不同预设水位下确定对应的流速、夹角等情况。流速监测模块可包括数值模拟模块。

夹角确定模块根据预设水位下投影断面附近的平面流场特征，确定桥墩处水流和河道主流之间的夹角θ_i。

阻水面积确定模块结合预设水位和桥墩的形状，确定各个桥墩的阻水面积A_i。

第一计算模块根据流速V_i、夹角θ_i以及阻水面积A_i，通过式q_i＝A_iV_icosθ_i分别获得各个桥墩的阻水流量q_i以及所有桥墩在所述投影断面上的总阻水流量q＝Σq_i，其中，i＝1、2…n，n为桥墩总数。

第二计算模块根据获得预设水位下的投影断面的流量Q，结合桥墩的总阻水流量q，得到阻水比α＝q/Q。

作为选择，预设水位下的投影断面的流量Q可通过数值模拟计算导出至第二计算模块。预设水位下的所述投影断面的流量Q也可通过原型观测，采用走航式声学多普勒流速仪进行两组4个以上测回取平均值获得并传至第二计算模块。

本发明获得的阻水比为流量阻水比，与传统面积阻水比相比，流量阻水比是基于一个常用的描述水流特性(流量)的值来表达涉水桥梁等工程对河道所造成的阻水效应，更为直接形象。本发明的阻水比是结合各桥墩附近水域水流态的差异性获得，避免了流速分布不均的投影断面所造成的面积阻水比失真问题，能够反映河口复杂滩槽结构的动力差异对阻水效应的影响，快速准确地量化工程阻水效应。

下面以具体实施例对本发明进行说明。

实施例1：

参考图3、图5及图6，在河口一河道3处两岸之间横跨一连续梁交通桥2，桥长200米(不算岸上部分)，布置4个桥墩1，桥轴线与河道主流方向垂直，夹角β＝90°，每一个桥墩1的结构一致，宽为b＝b1＝b2＝b3＝b4＝2m。第一个桥墩处水流V₁方向与主流形成θ₁＝45°，大小为0.6m/s；第二、三个桥墩处水流V₂、V₃与主流方向一致，大小分别为0.40m/s和0.30m/s；第四个桥墩处水流V₄与主流形成θ₄＝30°，大小为0.2m/s。在预设水位下，各桥墩1的淹没面积即阻水面积分别为A1＝10m²，A2＝8m²，A3＝4m²，A4＝4m²。通过声学多普勒走航式流速仪测试4个测回，在投影断面5下预设洪水流量为36m³/s，则预设水位下该桥梁工程的阻水比所以阻水比为15.56％。

实施例2：

参考图4、图5及图6，在河口河道3处两岸之间斜跨一连续梁交通桥2，桥长200米(不算岸上部分)，布置4个桥墩1，桥轴线与河道主流方向夹角β＝60°，每一个桥墩1的结构一致，宽为b＝b1＝b2＝b3＝b4＝2m，则各桥墩1在投影断面4的有效宽度为b’＝b1’＝b2’＝b3’＝b4’＝2/sin60＝1.73m。第一个桥墩处水流V₁方向与主流形成θ₁＝45°，大小为0.6m/s；第二、三个桥墩处水流V₂、V₃与主流方向一致，大小分别为0.40m/s和0.30m/s；第四个桥墩处水流V₄与主流形成θ₄＝30°，大小为0.2m/s。在预设水位下，各桥墩阻水面积分别为A1＝8.65m²，A2＝6.92m²，A3＝3.46m²，A4＝3.46m²，投影断面4的有效长度如图4所示，经测量在预设水位下该投影断面4的流量为50m³/s，则桥梁工程的阻水比

所以阻水比为14.42％。

综上，通过本发明计算获得的阻水比，主要是流量阻水比，从物理意义上来说直接反映了桥墩阻隔流量占全断面流量的比重关系，相对于面积阻水比，可更直接形象地理解涉水桥梁工程的阻水程度。本发明由于考虑了各桥墩附近水域的不同流态差异，可反映各桥墩的阻水效应差异，量化各桥墩的阻水权重，因此可以较为快速准确地对每个桥墩的阻水效应进行调整优化，为工程局部优化提供技术支撑。本发明不仅适用于河口等具有复杂结构的河道，其也适用于断面流量较为均匀的平原河道，计算结果更为精细，是一种适用于所有类型河道的阻水比计算方法，应用范围广。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。