高速公路跨江大桥的水文计算分析

高速公路跨江大桥的水文计算分析
摘要：高速公路设计中，桥涵水文计算是桥梁设计的主要工作之一，它是在实地调查和勘测的基础上，运用水文统计法和水力学公式计算出设计洪水位和设计流量，由此推算出桥孔孔径、墩台冲刷深度和桥面标高等。

作为一个桥涵设计工作者，只有了解水文计算的整个过程，才能够对其进行详细、准确的分析。

本文以广东省潮惠高速公路为背景，对水唇榕江特大桥桥位处进行水文计算分析，供相关设计人员参考。

关键词：桥梁设计；水文计算；设计流量；设计水位；孔径；冲刷
中图分类号：u442.5+9文献标识码：a文章编号：
项目背景
广东省潮州至惠州高速公路位于广东省的东翼地区。

项目所在区域主要河流分别为榕江、螺河及其支流，榕江为潮汕第二大河流，由南、北两河汇合而成。

路线分别于揭西县大溪镇井美新寨、陆河县水唇镇黄塘村跨越榕江。

本文即以水唇榕江特大桥为例，详细介绍桥梁水文计算的过程及要点。

流量计算
目前，对于大、中河流，具有足够的实测流量资料时，主要采用数理统计法（水文统计法），而缺乏实测资料时，则多采用间接方法或经验公式计算，若具有足够的实测暴雨资料时，也可以利用暴雨资料，通过成因分析，进行计算。

水唇榕江特大桥桥位处汇水面积为173.5 km2，不能采用《公路工程水文勘测设计规范（jtgc30-2002）》等规范来计算该河设计流量。

因此本桥位处计算该河流量采用《广东省暴雨径流计算差算图表使用手册》中推理公式法（1988年修订）。

2.1基本资料
集水区域工程特征:汇水面积f=173.5km2,干流长度l=26.89km,河床坡降j=0.0045,集水区域特征参数θ=l/j1/3=162.87,洪水频率p=1/300。

本工程集水区域位于《广东省暴雨径流查算图表》分区的粤东沿海，应采用粤东沿海设计雨型。

暴雨高区αt～t～f关系图。

广东省分区产流参数，取“粤东沿海，珠江三角洲区”。

大陆地区推理公式(1988年修订)汇流参数m～θ关系，取“大陆山区”曲线。

2.2设计暴雨计算
(1)、设计点暴雨量计算
ⅰ、根据年最大1小时、6小时、24小时、72小时点暴雨统计参数(均值、cv)等值线图，查得集水区域中心点的各历时暴雨参数平均ht、cvt。

ⅱ、根据《广东省暴雨径流查算图表》使用手册表2中cs=3.5cv 皮尔逊ⅲ型曲线kp值查出各历时暴雨p=1%的ktp值。

ⅲ、按公式htp=平均ht×ktp计算p=1%各历时点暴雨量htp。

(2)、设计面暴雨量计算
ⅰ、按汇水面积查暴雨高区点面换算系数αt~历时t~汇水面积f
关系图，得各历时的点面换算系数αt。

ⅱ、按公式htp面=htp×αt计算p=1%各历时面暴雨量htp面。

ⅲ、据以上求得的设计面暴雨量和本工程汇水面积初估汇流时间τ在1～6小时时段范围内，计算np、sp。

np、sp的估算：1-np(1～6)=lg(h6p面/h1p面)/lg6=0.469，sp=h1p 面=134.9mm。

2.3设计洪峰流量的推求
(1)、产流系数：查《广东省暴雨径流查算图表》附表4得平均后损率f=4mm/hr,f3天=2.7mm/hr。

(2)、根据地形及θ值查附图5推理公式法汇流参数m～θ关系图上的大陆地区高丘区m～θ关系线得：m=1.6。

(3)、设计洪峰流量qm的确定
ⅰ、qm～t关系曲线
1、假设四个时段t=10、11、12小时，按公式htp面=spt1-np(1～6)计算p=1%的t时段面雨量htp面
2、以htp面扣除相应历时损失量f×t，得时段净雨量htp面=htp 面-f×t，并计算净雨强度htp面/t。

3、计算相应于t的最大流量qm=0.278(htp面/t)f
根据t与相应的qm在普通方格纸上面点绘qm~t关系曲线。

ⅱ、qm～τ关系曲线
假定洪峰流量qm=1800、1600、1400，根据公式τ=0.278θ
/(mqm1/4)计算相应的汇流历时τ，点绘qm～τ关系曲线。

ⅲ、qm、τ的确定
由qm～t关系曲线、qm～τ关系曲线交点的纵、横坐标即为所求的qm、τ：qm=1630.9m3/s ，τ=10.98hr
经检查τ值在6～24小时时段范围内，估算的np、sp正确，不用重新计算。

由此可得设计流量为qs=1630.9m3/s。

设计水位计算
根据《公路工程水文勘测设计规范》5.5规定，当桥位计算断面和水文断面上、下游有卡口、人工建筑物或断面形状和面积相差较大，河底纵坡有明显曲折时，按下式采用试算法求算设计流量时的水面线，推求设计水位：
式中：l—上下游两端面间距离(m)，本例中取60m；
a1、a2—上下游断面总过水面积(m2)；
k1 、k2—上下游断面输水系数(m3/s)；
ξ—局部水头损失系数。

采用以上试算法，可知设计流量1630.9m3/s时，设计水位为72.6m。

孔径计算
根据《公路工程水文勘测设计规范》第6章桥孔设计的规定，桥孔设计必须保证设计洪水以内的各级洪水和泥沙安全通过，并满足流冰、流木及其他漂浮物通过的要求。

桥孔最小净长度可按河床布孔，不宜压缩河槽。

在开阔、顺直微弯、分汊、弯曲河段及滩、槽可分的不稳定河段，宜按下式计算桥孔最小净长度：
式中：qp—设计流量(m3/s)；
qc—河槽流量(m3/s)；
bc—河槽宽度(m)；
kq、n3—系数和指数，本例中分别取0.95和0.87。

桥孔布设应与天然河流断面流量分配相适应。

在稳定性河段上，左右河滩桥孔长度之比应近似与左右河滩流量之比相当；在次稳定和不稳定河段上，桥孔布设必须考虑河床变形和流量分布变化趋势的影响。

桥孔不宜压缩河槽，可适当压缩河滩。

经计算，桥位处桥孔最小净长为177.3m。

冲刷计算
根据上面算出的设计流量，采用《公路工程水文勘测设计规范》中第七章的相关公式来计算桥梁墩台冲刷。

5.1 一般冲刷计算：
5.1.1河槽一般冲刷
其河槽一般冲刷按下列公式计算：
式中：hp—桥下一般冲刷后的最大水深(m)；
q2—桥下河槽部分通过的设计流量(m3/s)，当河槽能扩宽至全桥时取用qp；
bcg—桥长范围内的河槽宽度(m)，当河槽能扩宽至全桥时取用桥孔总长度；
λ—设计水位下，在bcg宽度范围内，桥墩阻水总面积与过水面积的比值；
μ—桥墩水流向压缩系数；
hcm—河槽最大水深(m)；
ad—单宽流量集中系数，山前变迁、游荡、宽滩河段当ad>1.8时，ad值可采用1.8。

5.1.2河滩一般冲刷
其河滩一般冲刷按下列公式计算：
式中：q1—桥下河滩部分通过的设计流量(m3/s)；
htm—桥下河滩最大水深(m)；
htp—桥下河滩平均水深(m)；
btj—河滩部分桥孔净长(m)；
vh1—河滩水深1m时非粘性土不冲刷流速(m/s)。

5.2墩台局部冲刷：
非粘性土河床桥墩局部冲刷，按《公路工程水文勘测设计规范》65-2修正公式计算：
当时，
当时，
式中：hb—桥墩局部冲刷深度(m)；
kξ—墩形系数；
b1—桥墩计算宽度(m)；
kη2—河床颗粒影响系数；
v—一般冲刷后墩前行进速度(m/s)；
v0—河床泥沙起动流速(m/s)；
v0’—墩前泥沙起冲流速(m/s)。

根据上述公式分别进行一般冲刷计算与局部冲刷计算，得
hp=3.60m, hb=2.58m,最大冲刷深度h=6.18m。

桥梁墩台基础埋置深度根据桥位河段具体情况，取河底自然演变冲刷、一般冲刷和局部冲刷的不利组合，作为确定墩台基础埋深的依据。

同时桥台锥体护坡基脚埋置深度应考虑冲刷的影响，当位于稳定、次稳定河段的河滩上，基脚底面应在一般冲刷线以下至少0.50m；当桥台位于不稳定河流的河滩上，基脚底面应在一般冲刷线以下至少1m。

结论及建议
本桥根据路线总体确定的桥面标高满足计算要求，且桥面标高富余较多。

主要原因是本桥所处路段位于山岭重丘区，设计线位纵段高程较高。

本路段桥梁的布设在符合路线布设要求的前提下，位置宜选择在地形有利、地质良好、地基承载力较高、河床稳定的河段上。

桥梁水文勘测设计除要满足计算要求以外，尚应符合现行国家颁发的有关标准、规范的规定。

参考文献：
[1] 广东省水文总站.广东省暴雨径流查算图表使用手册.1991.
[2] 中华人民共和国交通部标准.公路工程水文勘测设计规范（jtgc30-2002）[s].北京：人民交通出版社.2002.
[3] 高冬光.公路桥涵设计手册:桥位设计(第二版).北京:人民
交通出版社.2011.
[4] 辛法.浅谈公路桥涵水文调查与计算分析[j]．黑龙江交通科技，2010(11)：88-90．。