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行了验证,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,并与实测资料进行了对比。 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，河漫滩将会被淹没。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相互作用，断面过水能力通常会降低。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，使估算过水能力变得非常困难。然而正确的估计给定水位下的流量以及已知流量如何确定水位等问题对于洪水预报、防洪规
2、划又是必不可少的。为了系统地研究复式河道的水力学问题，增进合作、交流、避免重复研究，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（Hydraulics Research Limited Wallingford, UK）建成了洪水河道设施(Flood Channel Facility，简称 FCF)。FCF 自 1986 年开放以来，主要进行了三个系列的实验：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。目前正在进行自形成河道实验。到 1999 年，已有 80 篇以上的论文是基于 FCF 实验数据的。在 19
3、95 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，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，使河流的局部阻力增大，造成局部水头损失，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，增大了淹没面积，滞蓄了洪水，从而增大洪水灾害。如果流量过大，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
4、瓦林弗水力学研究所的拱桥法(Arch)、Biery 和 Delleur 法等。这些方法一般是通过联解动能或动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基础上提出了一种计算方法。2 实验概况图 1 水槽平面示意图 Plane sketch of the flume图 2 模型桥梁尺寸(单位 mm)Dimensions of the model
5、 bridges实验是在英国伯明翰大学的水槽上进行的，图 1 为水槽平面布置示意图。水槽长 22m，宽 1.213m，深 4.4m。水槽上用 PVC 材料做成了一个复杂河道，主槽宽 398mm，河漫滩宽 407.3mm，主槽深 50mm，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则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行粗调，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，使水流开始流动，最后调整尾门使水流在水槽中为均匀流。实验过程
6、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，使尾水闸出流不为淹没出流。水槽实验一直是研究水力学的基本手段。由于天然河道断面形状的不规则性以及量测的困难性，所以不适合研究水力学的基本规律。水槽的边壁一般是均匀光滑的，使得水槽中糙率的调整比较困难。用三角形的铁丝架在水槽上，并通过调整铁丝架的间距 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 7m。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
7、：主槽光滑、边滩上 1=500mm第三种情况：主槽 2=2000mm，边滩 1=500mm对于每一种糙率情况，进行了几个流量、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(Arch Method)由英国瓦灵弗水力学研究实验室 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基础之上，导出如下关系式式中下标 3 表示桥梁下游断面，CD 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
8、实测壅水的对比如表 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 Validate table of arch method糙率情况流量(m3/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0.02129.72734.03230.1270.02438.64342.35137.84310.02744.86450.37145.6640.03050.27457.37451.7740.03559.87969.57962.9790.01816.62519.92916.3250.02117.83121.83517.8310.02417.53722.94117.83720.03019.64526.25719.8450.03521.86231.27323.7620.04022.27138.68132.1730.04523.98050.99344.4850.05027.68271.510869.21020.0156.9157.9176.7150.0187.9199.6208.0190.0219.42413.1
