橋梁設(shè)計中的水文問題探析
2017-02-06
水文問題是橋梁設(shè)計中必須考慮的重要問題。通常而言，橋梁設(shè)計中的水文問題主要是對橋梁所在河段未來使用期間的水文情況進行預估計。為降低橋梁工程的造價，不僅要合理地選擇橋梁結(jié)構(gòu)形式，還要確保橋位設(shè)計的合理和正確。橋位設(shè)計主要包括選擇橋位、水文計算、確定橋梁孔徑及墩臺基底的埋置深度等內(nèi)容。其中，首要工作是調(diào)查和分析所在河段的天然水文狀況，搜集充足的水文資料作為參考依據(jù)，并通過分析確定設(shè)計的洪水位及其流速和流量等。由此可見，水文問題在橋梁設(shè)計中占有十分重要的地位。
然而，河流的水文特性往往又十分復雜。衡量橋梁設(shè)計是否合理的重要標準之一就是橋梁能否通暢安全地排泄河流的洪峰流量。這需要結(jié)合河流的水文情況進行分析和研究，以確定合理的橋梁長度。橋梁建造得過長或過高會增加不必要的投資，建得過短或過低又會發(fā)生水毀，因此，應該對橋梁設(shè)計中的水文問題給予高度的重視。在這樣的背景下，探討橋梁設(shè)計中的水文問題無疑具有重要的現(xiàn)實意義。本文首先分析了橋梁水毀的原因，然后就水文資料的收集、資料審查和外業(yè)調(diào)查、設(shè)計流量的計算、設(shè)計洪水位的推算等橋梁設(shè)計中的水文問題進行分析，以期為同業(yè)者提供參考。
1 橋梁水毀的原因
造成橋梁水毀的原因，除了部分橋梁是由于設(shè)計標準低以外，主要有以下幾個方面。
1）橋位選擇不恰當。例如有的橋梁位于河灣，橋位與洪水中泓線斜交，凹岸被嚴重沖刷，這些都可能沖毀橋頭引道。除此之外，橋位若位于游蕩變遷河段，或在發(fā)生大洪水和水土流失時，主流侵蝕、擺動等會使河床逐漸變寬，這樣也能造成橋梁水毀。2008年8月河北省保定市西部山區(qū)普降大雨，造成32座橋梁和5座涵洞被沖毀和損壞，人民群眾的生命和財產(chǎn)遭受重大損失。據(jù)調(diào)查，此次被毀和損壞的橋梁大多位于河灣或游蕩變遷河段。
2）墩臺埋置深度不夠。墩臺基礎(chǔ)埋得不深，受到嚴重沖刷就會倒塌，從而造成橋梁水毀。橋梁的基底埋置深度要滿足以下條件：①對于凍脹及強凍脹土，在凍結(jié)線以下不小于0.25 m，對于弱凍脹土，不小于凍結(jié)深度的80%；②在無沖刷處或設(shè)有鋪砌防護時，一般在地面下不小于2.0 m，困難情況不小于上1.0 m；③在有沖刷處，在墩臺附近最大沖刷線下不小于下列安全值：對于一般橋梁，安全值為2 m加沖刷總深度的10%；對于特大橋、技術(shù)復雜、修復困難或重要者，安全值為3 m加沖刷總深度的10%；④墩臺基礎(chǔ)嵌人巖層不小于0.25 m。
3）橋孔設(shè)計沒有必要的防沖刷措施和調(diào)治構(gòu)造物，使得河水沖毀橋頭引道或橋臺，從而使橋梁部分或全部遭到損壞。這一點在山區(qū)農(nóng)村公路橋梁中表現(xiàn)得特別明顯。很多由于沒有設(shè)置必要的水流調(diào)治構(gòu)造物，如導流墻、丁壩等，導致山洪迂回抄后路，沖毀橋臺，沖毀引道使橋臺失去支撐而倒塌。
4）在進行水文計算時推求的設(shè)計流量偏小，使得橋孔設(shè)計大小不足，因此導致因排洪能力的不足而造成的水毀。
2 水文資料的收集、資料審查和外業(yè)調(diào)查
2.1 現(xiàn)行橋梁設(shè)計洪水頻率標準
目前，我國公路橋涵的水文設(shè)計是按照規(guī)定的設(shè)計洪水頻率來進行的。二級公路特大橋、大中橋設(shè)計洪水頻率為百分之一；涵洞和小橋的設(shè)計洪水頻率為五十分之一；一二級汽車專用公路、高速公路特大橋的設(shè)計洪水頻率為三百分之一；大中橋、涵洞和小橋的設(shè)計洪水頻率為百分之一。
I、II級鐵路的設(shè)計洪水頻率為百分之一，涵洞的設(shè)計洪水頻率為五十分之一，III級鐵路的橋梁和涵洞的設(shè)計洪水頻率也為五十分之一。
2.2 水文資料的收集
收集水文資料是進行水文分析的前提和基礎(chǔ)。一般而言，水文手冊、水文年鑒、水文圖集、水文統(tǒng)計是水文資料的主要來源。在我國，各省水文手冊和圖集是對本省水文特征值的分布及其相互關(guān)系的綜合，往往以地區(qū)經(jīng)驗公式和圖表的形式提供本省各地的徑流、降雨、洪水、暴雨等數(shù)據(jù)情況。
2.3 水文資料的審查
對水文資料進行審查是保證水文資料整編成果質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。通常情況下，水文資料的審查主要包括以下幾個方面的內(nèi)容：對歷史洪水數(shù)據(jù)，通過各種途徑推算以相互印證；通過實地調(diào)查干支流和上下游水量平衡及歷年H～Q關(guān)系曲線進行對照審查。在進行水文資料審查時，要把審查的重點放在大水年份、對設(shè)計洪水計算成果影響大的資料上。
水文資料是水文計算賴以進行的基礎(chǔ)性資料，因此，水文資料既要全面又要足夠詳細。與此同時，水文資料還具有繁鎖、量大的特點。由此可見，對水文資料進行審查具有重要意義。3a滑動平均法、絕對值法和雙累積曲線法是對水文數(shù)據(jù)的可靠性進行檢查的主要方法。
2.4 外業(yè)調(diào)查
水文外業(yè)調(diào)查是橋梁設(shè)計的重要依據(jù)。在橋梁設(shè)計中，水文外業(yè)調(diào)查的主要任務是根據(jù)橋梁所在河段的河道演變特征、地貌特征和水情等，選擇較為合理的橋位、確定恰當?shù)臉蚩孜恢谩⑼扑阍O(shè)計洪水流量、為橋孔的高度、長度和橋頭引道等的水力設(shè)計提供所需要的數(shù)據(jù)資料。具體而言，這些資料主要是指測定洪水比降；從河床表層的土樣篩分確定河床表層的平均粒徑；調(diào)查洪水淹沒狀況、歷史洪水位、洪水過后河床沖淤變化的情況、確定工程河段的類型等。
與此同時，在進行洪水點調(diào)查時還應該注意以下問題：河灣段落應考慮水流橫向比降的影響，為此應該調(diào)查河流兩岸的洪水位；應該盡量避開河床變化較大處的洪痕。
3 設(shè)計流量的計算
在進行橋梁水文計算的時候，對于那些已建有水文站且已有洪水觀測數(shù)據(jù)的河流，通常以數(shù)據(jù)統(tǒng)計的計算方法推斷洪水頻率。例如，把河流的年最大流量資料按照由大到小的順序依次排列，計算出各種流量的經(jīng)驗頻率，然后在海林機率格紙上描繪出經(jīng)驗頻率的相關(guān)曲線。對于一般的河流，由于大部分沒有可靠的水文資料，通常按照直接類比法等來推斷。例如根據(jù)歷史洪水調(diào)查資料來推算設(shè)計洪峰流量，或根據(jù)地區(qū)洪水經(jīng)驗公式來推斷設(shè)計洪峰流量，或通過水文比擬法來推算。
4 設(shè)計洪水位的推算
4.1 水位相關(guān)法
如果水文站與設(shè)計斷面相距很近，河道水文條件差別不大，流域面積相差不到5%，且設(shè)計斷面處有一些水位觀測數(shù)據(jù)時，設(shè)計洪水位的推算則可以根據(jù)設(shè)計斷面和水文站的水位相關(guān)曲線來查得。即把設(shè)計流量當作水文站的觀測流量，從水文站的流量～水位曲線中，查出相應的水位，再根據(jù)此水位從水文站與設(shè)計斷面的水位相關(guān)曲線查得設(shè)計斷面的相應設(shè)計水位。這一水位應該以水面比降、河床等加以校驗和核對。如果水文站與設(shè)計斷面的流域面積相差超過5%，則就應該用經(jīng)驗公式或者其它辦法來調(diào)整設(shè)計斷面的設(shè)計水位。
4.2 流量水位關(guān)系曲線法
流量水位關(guān)系曲線法是依據(jù)已有的水文資料繪制設(shè)計斷面的流量水位曲線，從流量水位曲線上查出的相應的設(shè)計流量水位即為設(shè)計水位。這種方法最好利用調(diào)查得到的坡度、上下游歷史洪水位等數(shù)據(jù)對所推算的設(shè)計水位進行核對。
除此之外，也可以根據(jù)勘測到的水文站斷面的流量水位曲線和水文基線，查出相應的QP所對應的水位，并參考歷史洪水坡，利用比降法，求得設(shè)計斷面的設(shè)計洪水位。
5 結(jié)論
橋梁設(shè)計中的水文問題的復雜性、重要性和不確定性決定了其在橋梁設(shè)計中的重要地位。在橋梁設(shè)計過程中，應嚴格按照相應的規(guī)范要求，搜集詳細可靠的水文資料，并結(jié)合橋梁的實際情況進行仔細的整理分析，認真核實，通過相關(guān)的參數(shù)和合理的方法，推算比較合理的計算結(jié)果，以此來確定橋梁的抗洪能力，這是橋梁設(shè)計過程中水文計算工作的關(guān)鍵所在。
水文勘測設(shè)計本身具有較強的經(jīng)驗性，因此，橋梁設(shè)計中的水文問題分析要應地制宜，盡可能從橋梁所在地的實際出發(fā)，這樣才有可能得到較為合理和可行的結(jié)果。除此之外，采用GPS實測洪水點的坐標和高程等新技術(shù)能極大地提高水文計算和分析的和準確性?？偠灾?，嚴格按照規(guī)范操作，搜集可靠的數(shù)據(jù)資料，采用科學合理的測量手段和推算方法，才能處理好橋梁設(shè)計中的水文問題。
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作者簡介
魏勝勇（1978—），男，河南駐馬店人，碩士研究生，工程師，從事橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計與健康監(jiān)測技術(shù)研究工作。
