復(fù)式河道的橋梁壅水計(jì)算.doc

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1、復(fù)式河道的橋梁壅水計(jì)算摘要：本文應(yīng)用復(fù)式河道的橋梁壅水實(shí)驗(yàn)資料對(duì)拱橋法進(jìn)行了驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)拱橋法計(jì)算值往往過高。提出了可用于復(fù)式河道的邊灘等價(jià)河寬的概念和計(jì)算方法,并與實(shí)測資料進(jìn)行了對(duì)比。關(guān)鍵詞：復(fù)式河道橋梁壅水1前言所謂復(fù)式河道是指有河漫灘的河道，在洪水期，河漫灘將會(huì)被淹沒。由于主槽和灘地有不同的水深和糙率，水位流量關(guān)系將和單道有所不同。當(dāng)水流漫灘時(shí)，由于主槽水流與灘地水流的相互作用，斷面過水能力通常會(huì)降低。特別是水流剛剛漫灘時(shí)，由于斷面形狀的突變，加上灘地糙率一般與主槽不一樣，使估算過水能力變得非常困難。然而正確的估計(jì)給定水位下的流量以及已知流量如何確定水位等問

2、題對(duì)于洪水預(yù)報(bào)、防洪規(guī)劃又是必不可少的。為了系統(tǒng)地研究復(fù)式河道的水力學(xué)問題，增進(jìn)合作、交流、避免重復(fù)研究，由英國科學(xué)與工程研究委員會(huì)資助，在英國瓦靈弗水力學(xué)研究所（HydraulicsResearchLimitedWallingford,UK）建成了洪水河道設(shè)施(FloodChannelFacility，簡稱FCF)。FCF自1986年開放以來，主要進(jìn)行了三個(gè)系列的實(shí)驗(yàn)：1987～1989年的順直和歪斜河道實(shí)驗(yàn)：1990～1994年的彎曲河道實(shí)驗(yàn)；1995～1997的固定河岸、可動(dòng)河床實(shí)驗(yàn)。目前正在進(jìn)行自形成河道實(shí)驗(yàn)。到1999年，已有80篇以上的論文');">

3、論文是基于FCF實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的。在1995年國際水力學(xué)研究協(xié)會(huì)第26屆大會(huì)上被選定為檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模型的基準(zhǔn)資料。1999年，Knight[1]對(duì)復(fù)式河道的水力學(xué)研究作了系統(tǒng)總結(jié)。由于橋梁的修建減小了斷面過流面積，水流流線在橋梁的上游形成收縮，下游形成擴(kuò)散，加上橋體本身的阻力等因素，使河流的局部阻力增大，造成局部水頭損失，形成橋梁上下游的水位差（稱為橋梁壅水）。河道橋梁壅水在流量小時(shí)并不明顯，而在洪水期較為顯著。橋梁壅水抬高了橋梁上游水位，增大了淹沒面積，滯蓄了洪水，從而增大洪水災(zāi)害。如果流量過大，使洪水漫過橋梁，甚至沖毀橋梁，將造成更大的災(zāi)害。較為著名的橋梁壅水的計(jì)算方

4、法有：美國公路局法（USBPR）、美國地調(diào)局法（USGS）、英國瓦林弗水力學(xué)研究所的拱橋法(Arch)、Biery和Delleur法等。這些方法一般是通過聯(lián)解動(dòng)能或動(dòng)量方程與連續(xù)性方程、得到求解橋梁公式的形式，最后用實(shí)驗(yàn)資料確定公式的參數(shù)。橋梁壅水的危害，在大流量高水位的洪水時(shí)尤為突出，而天然河道在洪水期間，一般水流漫上了河灘，過流斷面為復(fù)式斷面，而橋梁壅水的公式多是在單一河道中建立的，目前對(duì)復(fù)式斷面的橋梁壅水問題的研究還不多見，本文在復(fù)式河道的橋梁壅水實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了一種計(jì)算方法。2實(shí)驗(yàn)概況1圖1水槽平面示意圖Planesketchoftheflume圖2模

5、型橋梁尺寸(單位mm)Dimensionsofthemodelbridges實(shí)驗(yàn)是在英國伯明翰大學(xué)的水槽上進(jìn)行的，圖1為水槽平面布置示意圖。水槽長22m，寬1.213m，深4.4m。水槽上用PVC材料做成了一個(gè)復(fù)雜河道，主槽寬398mm，河漫灘寬407.3mm，主槽深50mm，水槽底坡為2.024‰。水槽設(shè)有兩個(gè)水循環(huán)系統(tǒng)，一個(gè)循環(huán)管道用文丘里流量計(jì)測流量，另一個(gè)用電磁流量計(jì)測量。對(duì)于一個(gè)給定流量，通常把流量按一定分配規(guī)則分為一大一小兩部分，大的一部分用文丘里流量計(jì)所在管道進(jìn)行粗調(diào)，剩余部分用電磁流量計(jì)所在管道精調(diào)。實(shí)驗(yàn)前，先用進(jìn)水管放水進(jìn)入循環(huán)系統(tǒng)，然后開啟兩

6、套循環(huán)系統(tǒng)，使水流開始流動(dòng)，最后調(diào)整尾門使水流在水槽中為均勻流。實(shí)驗(yàn)過程中，如發(fā)現(xiàn)循環(huán)系統(tǒng)水量過多，可通過尾水池的排水管放出一定水，使尾水閘出流不為淹沒出流。水槽實(shí)驗(yàn)一直是研究水力學(xué)的基本手段。由于天然河道斷面形狀的不規(guī)則性以及量測的困難性，所以不適合研究水力學(xué)的基本規(guī)律。水槽的邊壁一般是均勻光滑的，使得水槽中糙率的調(diào)整比較困難。用三角形的鐵絲網(wǎng)架在水槽上，并通過調(diào)整鐵絲網(wǎng)架的間距λ來實(shí)現(xiàn)不同的糙率值是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法。很明顯，糙率由水位和鐵絲網(wǎng)間距λ決定，必須通過實(shí)驗(yàn)來率定這種函數(shù)關(guān)系。橋梁的形狀如圖2所示，有半圓拱橋，雙孔半圓拱橋和橢圓拱橋，橋梁放置在編號(hào)

7、為59＃的斷面上，此斷面距主槽進(jìn)口7m。共有三種不同的糙率組合情況，分別為第一種情況：光滑邊界第二種情況：主槽光滑、邊灘上λ1=500mm第三種情況：主槽λ2=2000mm，邊灘λ1=500mm對(duì)于每一種糙率情況，進(jìn)行了幾個(gè)流量、測量出橋梁上下游的水位差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表1中。3拱橋法的驗(yàn)證拱橋法(ArchMethod)由英國瓦靈弗水力學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室1985年提出[2]。拱橋法建立在動(dòng)量守恒定理和水流連續(xù)性方程基礎(chǔ)之上，導(dǎo)出如下關(guān)系式式中下標(biāo)3表示橋梁下游斷面，CD為橋梁阻力系數(shù)，J3為橋梁下游堵塞率,dh為壅水高度，h3為下游水深，F(xiàn)r3為下游弗汝德數(shù)。2最后用實(shí)

8、驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了橋梁壅水高度