【桥渡设计】论河流与桥渡的相互影响

论河流与桥渡的相互影响
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摘要：简要地介绍了河流环境特点与河流的水力学特点，阐述了河流泥沙运动的基本原理，并以此为基础，通过指定频率洪水大小、河型及河床演变的幅度和速度三个方面论述河流对桥渡的影响，通过桥渡结构对水流的干扰作用论述桥渡对河流的影响。

关键词：河流环境，水力特征，洪水大小，河型，河床演变，冲刷
1 河流环境特点【1】
1.1河流的形成
地表水在重力作用下，沿着陆地表面的曲线形凹地流动称为河流。

河流的构成有两大要素，一是流动的水体，二是承载水流的河槽。

河流水体的来源主要是降雨、融冰、融雪扣除蒸发散发后经地表径流和地下渗流形成的汇合体。

河槽是地壳动力作用形成的低洼沟谷并经流水动力冲蚀再塑造而成。

1.2河流的特征
河流的特征分为形态特征和动态特征。

河流形态特征一般用河流横断面、河流长度、河流纵比降、河流弯曲系数等表示。

河流的动态特征是指水、沙、河床是不断变化的、不稳定的，而稳定是相对的、暂时的。

首先，河流的地理特征决定了河道、河床的不规则性；第二，降水具有随机性，决定了河流的涞水、来沙条件不断的改变；第三，恒定的水、沙在不规则的河床中于东，对河床形成不同的冲刷、淤积。

河床的冲刷或淤泥会改变河槽，反过来影响水流运动。

河流的这些形成条件决定了河流永远处于不断的运动变化之中。

2 河流的水力特点【1】
2.1 天然河流的水力特征
天然河流的水力特征分为以下6个方面：
（1）水流非恒定：河道水流量Q 随时间t 变化，可表示为: 0t
≠∂∂Q
（2）水流属于三维、非均匀流:以f 表示水流运动物理量，其三维性可表示为：
0≠∂∂x f ， 0≠∂∂y f ， 0z
≠∂∂f
流动非均匀即水流迁移加速度不为零。

（3）水流属于二向流动：河道水流含水、泥沙，它们的密度、粘滞性、连续性明显不同，属于固、液二相流动。

（4）水、沙运动非平衡：受自然或人为影响，河道中的水、沙来量是不均衡的，水、沙不平衡是绝对的，平衡是相对的、短时的或短距离的。

（5）水流、河床相互作用，不断变化：水、沙的不平衡造成河床冲淤，即水流边界条件变化，边界条件反过来影响水流运动状态的改变，因此决定了河流永远处于变化之中。

（6）河床阻力变化：河床阻力包括表面粗糙度形成的阻力、沙坡阻力或称形状阻力、桥梁结构构成的部分水流阻力。

2.2 河道水流结构
河道水流由于流速及特征长度（水力半径）都较大，所以一般为紊流，而且为阻力平方区紊流。

河流流速分布图如下图所示：
天然河流水流结构通常有主流和次生流。

主流由河床纵比降决定，沿河流纵向运动，次生流由其他因素决定，方向与主流不同，有时呈环状流。

2.3 桥渡河段水力学
桥梁压缩引起水流的变化分为以下三点：
（1）桥孔断面，由于过流净宽减小，水流单宽流量和流速增大； （2）桥孔上游段，平面上水流调整流向，受阻局部流线弯曲，形成桥台头部绕流，受阻力影响，上游流速减小，水面壅高，形成壅水区域，有时在桥台与河岸相交的角落还会形成漩涡，接近桥孔处流速增大，形成较大的水面比降。

（3）桥孔下游，过流断面迅速扩大，水流向岸边扩散，常形成回流。

桥墩周围流态，在平面上表现为绕流，桥墩上游面，一定深度以下的水流遇桥墩形成向下的折冲水流，底部水流受河床面、桥墩、折冲流共同作用，形成马蹄形涡流。

桥墩下游面，因水流分离，形成尾流涡。

3 泥沙运动的基本原理
3.1 泥沙起动与沉降
在一定的水流条件下，河床面上的泥沙颗粒由静止状态变为运动状态，成为泥沙的起动。

以起动流速U c （单位m/s ）或起动拖曳力τc (单位N/m 2)来表示临界条件。

张瑞瑾公式是我国常用计算起动流速U c 的适用范围较大的公式，如下：
5
.072.0714
.0101005.66.17⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛+⨯+-⎪
⎭
⎫ ⎝⎛=-d h d d h U s c ρρρ 上式适用于均匀有粘性沙。

对于均匀无粘性沙，应用下式计算起动流速：
60,14
.16
1<⎪⎭⎫ ⎝⎛-=d
h
d h gd U s c γγγ 60,74.1>=d
h
d h gd U c ㏑
对于非均匀沙，应用下式计算起动流速：
6
1905.2876.0⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛-=d h d d m gd U m s c ρρρ
始冲流速U SC 采用起动流速乘以系数α表示： c U U sc α=，α<1 表示为桥墩或桥
台迎水面宽度的函数，可通过分析与实验得到。

泥沙的沉降速度，与水、沙密度差、泥沙粒径、流态、颗粒形状有关。

对于球形颗粒，水流为紊流时，沉速公式为：
gd s ρ
ρ
ρω-=72
.1s 对于球形颗粒，水流为静水层流时，沉速公式为：
v
d g s s 2
181γγγω-=
3.2 泥沙运动形式
泥沙颗粒在水流中的运动形式可分为两类：悬移运动和推移运动。

悬移运动是在水流紊动扩散作用下泥沙颗粒悬浮在水中并随水流运动，推移运动是河床面附近泥沙短距离跃移、沿床面滑移或滚动。

水流的挟沙能力用最大含沙量S * 表示，经验公式为：
m
s gR U k S ⎪
⎪⎭⎫
⎝
⎛=ω3
*
4 河流对桥渡的影响
河流对桥渡影响主要表现在三个方面：（1）指定频率的洪水大小：主要影响桥梁孔径的设计；（2）河型：主要影响桥位选择以及桥孔设计（3）河床演变的幅度和速度：影响桥梁的桥位选择、桥长设计等。

4.1洪水大小与频率对桥渡的影响
不同大小的洪水对桥渡的影响不同，洪水水流具有很强的动力作用，在桥墩、桥台等结构周围形成很强的扰流阻力，引起周围河床的强烈冲刷，对桥梁基础稳定性造成威胁。

因此，桥渡设计必须正确预估大桥设计标准的洪水大小，继而才能计算和设计桥孔满足安全条件所需要的尺寸。

为了确定桥梁孔径大小，需要先根据设计要求对桥位处的某一指定频率的洪水流量、流速、水流断面积等进行推算。

这需要搜集桥位所在河段的水文资料，进行水文计算，将设计流量和主槽相应的平均流速算出。

假定在桥建成后的桥下
水流断面内的平均流速，能等于河流天然状态时的主槽平均流速，则可以从设计流量推算出所需要的桥下水流断面积。

按此面积沿着设计洪水位的长度就是桥梁孔径。

在桥渡设计中,在按上述原理将泄洪所需的水流断面积算出后,将桥墩台等所挡的面积考虑进去，即可从天然河道断面图上将所需的孔径算出。

进行桥式方案设计时，应使桥梁实际提供的孔径不小于这一数值。

以下是我国相关规范给出的不同桥涵设计采用的路基设计洪水频率：
公路桥涵路基设计洪水频率
构造物名
称
公路等级
高速公
路
一二三四
特大桥1/300 1/300 1/100 1/100 1/100 大、中桥1/100 1/100 1/100 1/50 1/50 小桥1/100 1/100 1/50 1/25 1/25 涵洞及小
型排水构造物1/100 1/100 1/50 1/25
按具体
情况确
定
路基1/100 1/100 1/50 1/25 按具体情况确定
铁路桥涵路基设计洪水频率
铁路等级
设计洪水频率检算洪水频率
桥梁涵洞
技术复杂、修复困难或重要
的大桥和特大桥
Ⅰ、Ⅱ1/100 1/100 1/300
4.2河型对桥渡的影响
河型是指综合反映河流形态和运动特征的河流类型，根据平面形态，将其分为顺直型、弯曲型、分叉型、蜿蜒型和游荡型5种类型。

不同的河型反映了冲积河流自动调整作用。

在一定的流域来水来沙条件下，就某一河段而言，因上游来沙量的变化，使该河段的泥沙量与水流输沙力不相适应，纵向输沙平衡遭到破坏，必然引起河床的纵向变形；同样，输沙平衡在横向上遭到破坏，会引起河床横断面的变化，河流发生平面的移动。

河型对于桥渡的影响，主要是不同河型的演变规律不同，使得桥梁设计时需要根据演变规律选择相应合适的桥位、孔径、桥墩设计等。

例如，弯曲河型的特点是凹岸冲刷，凸岸淤积，因而在一段时间内河道会发生平面上的偏移，故桥位不宜设定在弯曲区段内，或者设计时预留一定的空间以适应这一偏移的影响。

此外，凹岸桥墩受冲刷影响较大，需要对桥墩进行相应设计和处理。

游荡行河流河岸或主河槽容易横向摆动，因此若桥位选择、孔径设计不当，将会造成桥台冲毁、泄流孔异位等，造成危害与损失。

4.3 河床演变对桥渡的影响
河床形态在水流、泥沙作用下发生变化，并因此改变水沙运动的变化过程，称为河流演变。

河床的演变分为两类：纵向变形和横向（平面）变形。

（1）纵向变形
在一定水流条件下，河床上的泥沙颗粒失稳，并沿水流方向运动移位，原位置河床面高程降低，称为河床冲刷侵蚀。

泥沙沉降至河床面，则河床高程升高，称为河床淤积。

冲刷和淤积称为河床的纵向变形。

河床纵向变形危害与相应措施
变形内容变形程
度
稳定程
度
危害措施
天然下切Ⅰ、Ⅱ基础埋深不足现场调查研究或试验确
定
可能数值
溯源冲刷Ⅰ-Ⅳ基础埋深不足
坝下冲刷Ⅰ-Ⅳ已建桥成浅基通过分析或试验或估算
确定
洪水冲刷Ⅰ-Ⅳ基础埋深不足用一般冲刷公式计算
集中冲刷无或微Ⅰ、Ⅱ
明显Ⅲ、Ⅳ 1.桥下河床皆有发生最
大集中冲刷的可能
2.出现坐湾的傍岸集中
冲刷
1.用一般冲刷公式计算
2.墩台基础埋至同样深
度
3.计算傍岸冲刷
强烈
Ⅳ、Ⅴ、
Ⅵ
淤积堆高无或微Ⅰ-Ⅳ
可能有Ⅴ、Ⅵ
削弱桥渡泄洪能力，河
流改道
研究、计算可能淤高
（2）横向变形
河床两岸的横向冲刷或淤积，使河床在平面上发生弯曲、顺直或游荡的变形，称为河床的横向变形。

河床横向变形危害与相应措施
变形内容变形程
度
稳定程
度
危害措施
主流横向摆动不明显Ⅰ、Ⅱ
较小Ⅱ、Ⅲ桥下河槽可能扩宽或移动横向扩大桥墩基础埋深范围明显Ⅳ威胁上游桥头河滩路堤
1.加强上游侧导流防护
2.墩台基础埋至同一高程
3.检算傍岸集中冲刷
强烈Ⅴ、Ⅵ
集中冲刷严重威胁桥墩台
安全
1.桥孔不宜偏小
2.加固桥头防护
3.检算傍岸集中冲刷
岸线横向移动
微Ⅰ-Ⅲ
明显Ⅳ、Ⅴ易改道冲毁桥渡
1.慎重选择桥位
2.适当加固上游河岸
3.检算傍岸集中冲刷强烈Ⅵ主流破堤改道慎重选择桥位
5 桥渡对河流的影响
桥渡结构中直接与河流接触的部分，是下部的桥台、桥墩、承台及其基础，大桥泄流孔长度以其两端的桥台控制，上部结构梁体通常以一定的净空远离水面。

处于河流中的下部结构，对水流产生了影响，从而改变了局部水流状态。

水流状态的改变又作用于河床，引起局部河床变形。

5.1 壅水
壅水指因水流受阻而产生的水位升高现象。

置于水中的桥墩起阻水作用，尤其是对于基础较大或较密的桥墩，将使桥墩附近河段水流结构发生变化，在桥墩迎水面的墩前、桥墩上游若干范围
以及桥墩的两侧形成不同程度的
壅水。

水流结构的改变会影响该河
段的河势，壅水会影响堤岸的防洪
安全【3】，而且桥墩上游水面的壅
高也对河岸路堤的修筑高度和桥
梁的桥下净空等都有关键的影响。

5.2 冲刷作用
墩台阻挡水流，使局部水流集中，动力增大，引起河床局部冲刷，产生纵向变形。

河床冲刷是影响墩台基础高程的主要因素。

桥下河床冲刷，是指因建桥扰动水流，引起河床泥沙输移而产生的河床面降低。

桥下河床的冲刷应该包括三部分：自然冲刷、一般冲刷和局部冲刷。

自然冲刷是指河流在天然来水来沙条件下形成的冲刷；一般冲刷是河流横断面收到压缩，单宽流量或平均流速以及挟沙能力增大而形成的，该断面以及相邻上下游影响范围内河床普遍降低；局部冲刷是指桥台、桥台迎水面及侧面的涡旋流淘刷河床，越靠近桥墩、台淘刷越剧烈，形成床面坑状。

三者关系示意图如下：
5.3河道主流迁移
设立在河道中的桥墩、桥台压缩了水流过流断面，强迫水流改变方向，可能导致河道主流迁移，主河槽发生左右摆动，严重影响了河流的稳定性，如若设计不当，就可能引起诸多安全问题。

参考文献
1.《桥梁工程》上册夏禾主编高等教育出版社
2.王瑛.浅谈河流桥渡设计特点[J].山西建筑，2008，34(15)：329-330.
3.耿艳芬王志力.桥渡对河道水流影响的二维无结构网格模型[J].水利水运工程学报，2008(4)：78-83.。