桥墩群阻水及补救措施阻水及补救措施物理模型

暨两岸船舶与海洋工程水动力学研讨会文集
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长渠道长渠道桥墩桥墩桥墩群群阻水阻水及补救措施及补救措施及补救措施物理模型物理模型
试验研究
吉红香 邱静 黄本胜 林美兰 杜涓
（广东省水利水电科学研究院，广东省水动力学应用研究重点实验室，广州 510610）
摘要摘要：本研究结合西部沿海高速公路月环至南屏支线坦洲排洪渠大桥工程物理模型试验，测量工程前后水位、流速的变化，客观地分析、计算这种长渠道上桥墩群对排洪渠的行洪、排涝的影响，研究有关的计算方法，并提出优化的防治补救工程方案。

关键词: 渠道；桥墩群；阻水
1 前言
广东省西部沿海高速公路珠海段月环至南屏支线拟在中山市坦洲镇修建广东省西部沿海高速公路月环至南屏段坦洲排洪渠大桥工程，由于该工程有多达46排126个桥墩位于排洪渠内，桥墩占据了排洪渠的部分过水断面，产生桥墩绕流，以及诸多桥墩的群体效应，将对排洪能力造成较大的影响。

坦洲工业区排洪渠大桥基本上沿第三工业区排洪渠走向布置，在桩号97+816.2m~97+983.2m 桥段每排五个桥墩、在97+983.2m~98+974.8m 桥段每排有三个桥墩落在排洪渠内或排洪渠的边坡上。

桥墩排距25.2m ，布置在排洪渠内共有46排桥墩（图1）。

每一排桥墩的阻水面积占排洪渠过水断面积14.6%~19.5%，由于桥墩绕流与各排桥墩之间错位的影响，实际的阻水面积更大，桥墩占用河道情况比较严重，对排洪渠排洪影响较大，需采取相应的补救工程措施。

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- 486 -图1 布置于排洪渠的桥墩群
2 桥墩阻水及补救措施方案试验研究
根据不同频率的设计洪水流量计算及合理性分析的结果，试验采用坦洲排洪渠设计流量（20年一遇）为169.8 m 3/s ，以199.8m 3/s 作为校核流量。

按Froud 准则设计模型为正态模型，为满足模型糙率（包括边壁糙率和桥墩物行阻力等）的相似条件，模型的比尺也不宜过大，另外，也要考虑到桥墩的制作、试验场地、供水等条件。

综合考虑各种因素，最终选取模型的平面比尺λL=40。

2.1.1 试验方案试验方案
根据本工程的具体实际情况，桥墩阻水补救措施的可能方案有扩宽或挖深排洪渠以补偿桥墩阻水的过水断面，或者加高排洪渠现渠顶高程以补偿桥墩阻水造成的水位壅高。

由此确定如表1所示的4大类共10个试验方案，并进行了6个组次共45个组合的试验。

表1 试验方案一览表
方案 组次1 组次2 组次3 组次4 组次5 组次6
工程前
√ √ √ √ √ √ 原渠方案 √ √ √ √ √ √ 扩宽方案
左边扩宽3m √ √ √ 左边扩宽5m
√ √ √ 左边扩宽6m √ √ √ √ 左边扩宽10.5m √ √ √ √ √ 挖深方案
扩宽10m 挖深0.2m √ √ √ 扩宽10m 挖深0.4m
√ √ √ 扩宽10m 挖深0.6m √ √ √ 扩宽10m 挖深0.8m √ √ √ 原渠渠顶加高方案
√
√
√
√
√
√
2.22.2 试验成果分析试验成果分析 2.2.1 原渠方案
原渠方案工程前后水面线比较见图2。

试验显示：在20年一遇的设计洪峰流量169.8m 3/s 下，工程后河道上游水位最大壅高为1.03m ；流量为199.8m 3/s 时，工程后排洪渠上游水位壅高了1.14m 。

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图3为原渠方案工程前后排洪渠上、中、下游四个断面，水位随流量变化的趋势，可见，流量越大，渠道中水位也就越高。

图4显示，工程后水位壅高值与流量大小近似呈线性关系，河道水位越高，上游壅高值也是越大，下游壅高值相对较小。

水力学分析计算表明，工程前排洪渠糙率为0.021，工程后桥墩占用了排洪渠过水断面，排洪渠综合糙率为0.028~0.039，糙率
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针对坦洲排洪渠桥墩阻水使水位壅高，影响排洪渠的正常运行这一问题，可从①尽量减小桥墩占用渠道过水断面面积；②减小桥墩的物形阻力；③扩大渠道的过水断面，降低桥墩的占用过水断面比值；④加高排洪渠的渠顶高程等几个方面考虑可能采取的工程措施，并提出切实可行的方案，确保坦洲第三工业区的防洪安全。

由此形成表1所示的三大类多种方案比较。

2.2.2 扩宽排洪渠方案
分别进行了渠道单边扩宽3m、5m、6 m、10.5m的试验。

试验显示：流量为199.8m3/s时，相对于原渠宽方案，排洪渠扩宽3m、6m、10.5m方案，排洪渠上游的水位壅高值分别较原渠方案降低了0.22m、0.32m和0.62m；相对工程前而言，水位壅高值分别为0.85m、0.75m和0.46m。

图5不同扩宽宽度下水位壅高值与流量的关系表明，扩宽渠道对降低排洪渠上游壅水值是一种行之有效的方法。

扩宽排洪渠的作用有二：一是增加行洪断面面积，以弥补桥墩占用的过水面积及阻水效应；二是断面流速降低，桥墩对水流的阻力相应减小；两者的综合作用使桥墩的壅水减小。

试验显示，排洪渠扩宽10.5m，Q=199.8m3/s时，桥墩的最大的水位壅高值有0.46m，受已经完成规划并正在施工建设的坦洲第三工业区条件的局限，要进一步扩宽排洪渠有一定的困难。

2.2.3 挖深排洪渠方案
试验在排洪渠扩宽10.5m的基础上，分别进行了挖深0.2 m、0.4 m、0.6 m、0.8 m的方案比较。

试验结果显示：在Q=199.8m3/s水文条件下，渠道扩宽10.5m后，当挖深至0.8m时，桥墩阻水的影响基本消除，排洪渠开挖深度与水位壅高关系见图6。

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图6 开挖深度与水位壅高关系曲线(Q =199.8m 3
/s)
2.2.4 满足实际要求的扩宽并挖深方案计算
补救措施方案经项目建设业主单位与当地政府和水行政主管部门的反复讨论协调，认为扩宽8m 、挖深1.0m 的方案是可接受的，由于物理模型已拆除，难以再通过物理模型试验的方法论证该方案的可行性，故通过已有的模型试验结果，对所建立的数值计算方法进行验证计算的基础上，通过合理的计算，论证该方案的可行性或寻找满足实际要求的扩宽挖深方案。

采用如图7所示的断面分割法计算工程后的过流能力，即工程后排洪渠的流量由两部分组成：①桥墩布置区，即图中阴影部分，过水面积为S 1，该区由于桥墩的布置糙率相对较大；②无墩区部分过水面积为S 2，该区是工程扩宽挖深部分，糙率较小。

则工程后流量Q 可由下式计算：
21Q Q Q += （1）
根据明渠均匀流的谢才公式得到：
2
1
3222
21321111J R n J R n Q += （2）
1
2
图7 挖深并扩宽方案示意图
式中：n 1为桥墩布置区的糙率，可由已有的物理模型试验成果反求得；n 2为S 2部分的糙率，由于阻力较大、流速相对较慢的S 1区水流与阻力相对较小、流速相对较大的S 2区水流的相互剪切作用，会产生如复式断面的河槽滩槽相互作用的附加阻力，可令其糙率
n 2=βn 0 （3）
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- 490 -其中n 0为工程前渠道糙率。

R 1为S 1部分的水力半径，R 2为S 2部分的水力半径；J 为水面坡度。

通过试验分析得到原渠宽工程前后不同流量条件下排洪渠糙率（表2）。

表2 2 原渠宽工程前后排洪渠水力参数变化原渠宽工程前后排洪渠水力参数变化原渠宽工程前后排洪渠水力参数变化
流量/(m 3
•s －1
)
平均水深h /m 平均比降（J ） 糙率(n )
工程前 工程后 工程前 工程后 工程前n 0 工程后n 1 70.2 0.926 1.120 0.0009 0.0011 0.0216 0.0279 95 1.216 1.514 0.0008 0.0011 0.0210 0.0301 125 1.481 1.875 0.0008 0.0013 0.0210 0.0339 153.5 1.795 2.351 0.0008 0.0014 0.0212 0.0387 199.8
2.146
2.770
0.0008
0.0015
0.0212
0.0387
通过断面分割的方法计算底宽扩宽至10.5m 并挖深不同深度方案工程后排洪渠的过流能力，并与试验结果对比如表3所示，其中，β随水深的增大而增大。

可见，根据已有的试验成果，用上述断面分割的方法计算排洪渠扩宽挖深方案，得出的数据是可靠的。

采用断面分割的方法对扩宽8.0m 并挖深1.0m 的方案进行了水力学计算，控制该方案水面线与工程前水面线一致，即可弥补桥墩阻力产生水位壅高的效应，得到该方案排洪渠过流能力为200m 3/s ，也就是说该方案可满足排洪渠通过计算的20年一遇洪水199.8m 3/s 的排洪要求。

表3 工程后排洪渠工程后排洪渠过流能力计算值与实测值对比分析过流能力计算值与实测值对比分析过流能力计算值与实测值对比分析 扩宽10.5m 并挖深各方案计算值与实测值分析对比
序号 方案 试验实测流量/(m 3•s －
1) 计算流量/(m 3•s －
1)
n 1 β 流量计算误差/%
1 挖深0.0m 199.8 200.34 0.0387 1.00 0.27
2 挖深0.2m 199.8 200.38 0.0387 1.15 0.29
3 挖深0.4m 199.8 200.32 0.0387 1.35 0.26
4 挖深0.6m 199.8 200.30 0.0387 1.39 0.2
5 5
挖深0.8m
199.8
200.35
0.0387
1.69
0.28
2.2.5 排洪渠渠顶加高方案
由上可知，挖深与扩宽均为降低桥墩壅水，从而保证排洪渠的防洪、排涝正常运行的有效
方法。

但排洪渠内的桥墩较多，分布也较密，排洪渠挖深在施工及维护方面都有一定困难，而且，受第三工业区规划及建设的局限，扩宽太大也难以实现，相对来说排洪渠渠顶加高是便于实施的方案。

在不改变排洪渠宽度的情况下，加高两侧渠顶的高度可保证排洪渠的安全排洪。

坦洲工业区排洪渠主要的任务是排泄北部丘陵及第三工业区工业用地及原有居民的地面排水，因此，排洪渠两岸的加高还需考虑第三工业区的排涝问题。

经调查和研究发现，第三工业区地势北高南低，工业区内的雨水可顺地势排往西灌渠，两侧渠顶加高不致影响工业区的排涝。

试验显示，在设计流量下，即Q =169.8m 3/s 时，上游水位最大壅高为1.03m ，在不改变排
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洪渠原有宽度和深度的情况下，必须加高渠顶1.03 m才能保障排洪渠的正常运行。

3 结论
(1) 为了降低桥墩所造成的水位壅高，本研究对排洪渠的扩宽、挖深进行了多方案试验比较。

试验显示：渠道扩宽3m、5m、6m及10.5m时，在相同的水文条件下排洪渠上游的水位壅高比原渠宽降低了0.22～0.61m。

排洪渠扩宽10.5m方案，在Q=199.8m3/s时，桥墩的最大的水位壅高仍达0.46m，尚不能完全消除桥墩阻水的影响。

排洪渠挖深试验表明：在排洪渠扩宽10.5m后，当Q=199.8m3/s时，渠道挖深0.2 m、0.4 m、0.6 m、0.8 m时桥墩所造成的水位壅高为0~0.41m。

当渠道挖深至0.8m时，桥墩阻水的影响基本消除，排洪渠沿程水位和工程前状况接近。

(2) 由于工业园的建设和规划，扩宽太大有一定的困难，因此本研究对扩宽8m并挖深1.0m做了水力学计算分析。

得出对排洪区进行扩宽8m并挖深1.0m后过流能力为200m3/s，与试验显示的扩宽10.5m并挖深0.8m的方案等同，能够保证排洪渠的排洪要求，对工业园的规划和建设亦无大的影响。

(3) 排洪渠渠顶适当加高也是较为可行的方案。

参考文献
1吴持恭. 水力学. 北京: 高等教育出版社, 1995.
Experimental investigation on piers group water-resistance in long
channel and remedial measures
JI Hong-xinang, QIU Jing, HUANG Ben-sheng, LIN Mei-lan, DU Juan (Guangdong Research Institute of Water Resources & Hydro-Power,, Guangdong Key Laboratory of
Hydrodynamic Research, Guangzhou 510610)
Abstract: Through physical test on Tanzhou Paihongqu Bridge Engineering, which locates in the branching line of the express highway: Yuehuan To Nanpin, the influence, piers group in long channel to flood drainage capacity, was calculated and specified by analyzing and comparing the text measured data. Finally the paper presents the optimization engineering methods and remedial measures.
Key words: Channel, Piers Group, Water-resistance
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