1、高速公路大桥的水文计算分析摘要：揭阳至河源高速公路是广东省公路网二横线的组成部分。桥梁是公路跨越河流的主要形式,公路工程中桥梁工程占了较大的比重,而水文调查、计算工作在桥梁设计中是极其重要的因素。水文计算是公路桥梁设计中的一项重要内容，包括设计洪水流量及洪水位计算、桥孔设计计算及冲刷计算等。本文以实际工程项目为基础，对跨越某大河桥梁做水文计算分析。概述了公路桥梁中水文计算的计算思路和方法，指出了分析计算中应注意的问题，可供相关人员参考。 关键词：桥梁设计；水文计算；设计洪水流量；冲刷计算 中图分类号：U442.5+9 文献标识码：A 文章编号： 一、研究背景 水文调查、计算工作在桥梁设计中是极
2、其重要的因素。水文计算的工作精度集中体现了桥梁的安全性、适用性与经济合理性。水文计算的主要内容包括:桥位选择、流量计算、桥梁孔径和墩台基础底埋置深度的确定等。 揭阳至河源高速公路是广东省公路网二横线的组成部分。通过与拟建的广河高速公路相接，将形成广州与粤东地区的直接连接，形成粤东地区通往省会城市广州的快捷通道。义容河大桥所跨越的义容河，为东江一级支流，是紫金县西部的主要河流。 二、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。
3、如公路工程水文勘测设计规范（JTGC30-2002） 1（下面简称“规范” ）中利用历史洪水位推算设计流量， 公路涵洞设计细则（JTG/T D65-04-2007） 中暴雨推理法、径流形成法、形态调查法、直接类比法等计算设计流量。 义容河汇水面积很大，为 325 km2，不能采用用以上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=325km2,干流长度 L=22.135km,河床坡降 J=0.00596,集水区域特征参数 =L/J1/3=122.06,洪水频率 P=1%。
4、 本工程集水区域位于广东省暴雨径流查算图表分区的东江中下游分区，采用东江中下游设计雨型。暴雨低区 ttF 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 关系，取“大陆山区”曲线。 2、设计暴雨计算 （1） 、设计点暴雨量计算 、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。 、根据使用手册表 2 中 Cs=3.5Cv 皮尔逊型曲线 Kp 值查出各历时暴雨 P=1%的 Ktp 值。按公式 Htp=平均 HtKtp 计算 P=1%各历时点
5、暴雨量 Htp。 （2） 、设计面暴雨量计算 、按汇水面积查暴雨高区点面换算系数 t历时 t汇水面积 F 关系图，得各历时的点面换算系数 t。按公式 Htp 面=Htpt 计算 P=1%各历时面暴雨量 Htp 面。 、据以上求得的设计面暴雨量和本工程集水面积，初估汇流时间 在 16 小时时段范围内，计算 np、sp 得：1-np(16)=lg(H6P 面/H1P 面）/lg6=0.550，Sp=H1P 面=126.84mm。 3、设计洪峰流量的推求 (1)、产流系数：查使用手册附表 4 得平均后损率 f=4mm/hr,f3 天=2.7mm/hr。 (2)、根据地形及 值查附图 5 推理公式法汇
6、流参数 m 关系图上的大陆地区高丘区 m 关系线得：m=1.5。 (3)、设计洪峰流量 Qm 的确定 、Qmt 关系曲线 假设四个时段 t=1.5、2.0、2.5、3.0 小时，按公式 Htp 面=SPt1-np(16)计算 P=1%的 t 时段面雨量 Htp 面，以 Htp 面扣除相应历时损失量 ft，得时段净雨量 htp 面=Htp 面-ft，并计算净雨强度 htp 面/t。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 Qmt 关系曲线。 、Qm 关系曲线 假定洪峰流量 Qm=7990、7960、7930、7900，根据公式
7、=0.278/（mQm1/4）计算相应的汇流历时 ，点绘 Qm 关系曲线。由 Qmt 关系曲线、Qm 关系曲线交点的纵、横坐标即为所求的Qm、：Qm=7950m3/s，=2.40hr。经检查 值确实在 16 小时时段范围内，估算的 np、sp正确。由此可以得到设计流量为Qs=7950m3/s。 三、P=1/100 计算水位计算 当没有桥位处实测的断面或桥位附近实测的水文资料时，而水面比降均一，河道顺直，河床断面较规整的稳定均匀流河段，河底纵坡均一，可按水力学公式绘制延长水位流量关系曲线，求得 p=1/100 计算水位，即根据“规范”式 5.3.1-15.3.1-3 中规定。1/100 计算水位
8、计算公式如下： 已知河床断面、河槽糙率、河滩糙率。设定一个河床水位，则河床的水力半径 R=A/L 即可求得，其中 A 为河槽或河滩过水面积，L 为河槽或河滩的湿周。由此就可计算出该水位下的河床流量。本文采用试算法，可知设计流量 7950m3/s 时，设计水位为 37.00m。 四、桥孔最小净长度计算 公路规范中的桥孔长度是指在一定的水力，泥沙及河床条件下，通过设计洪水流量时桥下过水断面（与流向垂直的横断面）必须具有的桥孔最小净长度。应当注意以下两点，这里算出的是桥孔最小净长度，实际桥孔长度（桥台前墙之间设计水位的水面宽度）为将算出的最小桥孔长度再加所有桥墩的宽度；算出的最小桥孔净长度是指水流与
9、桥轴正交时的长度，如果是斜桥，则应换算为斜桥轴线方向的长度。 根据“规范”第 6.2.1 节桥孔设计的规定，本桥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计算其最小净长度。桥孔最小净长度计算公式如下：计算得义容河大桥桥孔最小净长度为 73.925m。 五、桥下一般冲刷后的最大水深计算 洪水受桥孔压缩，上游形成壅水；水流自最大壅水断面，急剧从上游及两侧河滩集中流入桥孔，形成收缩断面；然后逐渐扩散，恢复天然状态。这段水流带走床面泥沙，引起该段床面冲刷，称为一般冲刷或压缩冲刷。桥位计算时，应计算桥下收缩断面的最大冲刷。 本桥河槽一般冲刷按“规范
10、”式 7.3.17.3.3 计算；河滩一般冲刷按 7.3.57.3.6 计算。桥下一般冲刷后的最大水深计算公式如下： 河槽部分：= 河滩部分： 计算得义容河大桥桥下一般冲刷后的最大水深为 10.471m，冲刷高度为 1.051m。 六、桥墩局部冲刷深度计算 水流急剧流入桥孔，在桥台前缘、桥墩两侧等部位形成绕流，使水流与建筑物壁面出现边界层分离，不断的形成漩涡，并向下游传播和发展，卷走床面泥沙，在桥台前缘、桥墩上游端及两侧附近形成冲刷坑，称为局部冲刷。 本桥河床局部冲刷按“规范”式 7.4.1-17.4.1-6 计算，即“65-2式”公式计算。桥墩局部冲刷深度计算公式如下： 当 当 计算得义容河
11、大桥桥墩局部冲刷深度为 4.134m。 七、壅水高度计算 根据公路桥涵设计手册：桥位设计（第二版） 3式 13-4-113-4-4 可计算出桥前最大壅水高度 z，计算公式如下： 桥下壅水高度 z是指桥下断面处的壅水高度，可根据洪水情势和土质易冲程度参照取值。计算得义容河大桥桥前最大壅水高度为0.562m，壅水高度为 0.281m。 八、结论 桥涵水文计算的重要性、复杂性、不确定性决定了其在桥梁设计工作中的特殊地位。公路桥梁水文计算包括设计洪水流量的计算、桥孔设计计算、洪水冲刷计算等，目前多是采用经验公式，其中需要确定若干经验系数。在设计工作中应该严格按照规范要求,详细可靠地收集水文资料,结合桥梁的实际情况,进行认真的分析整理,反复核实,去伪存真,选用适当的方法和相应的参数,力求得到比较合理的计算结果,确定桥梁的抗洪能力,这也是水文计算工作的关键。 参考文献： 1 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. 2 广东省水文总站.广东省暴雨径流查算图表使用手册.1991. 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.
