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(jìn)行預(yù)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(fù)雜。衡量橋梁設(shè)計是否合理的重要標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(yīng)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(shí)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)低以外，主要有以下幾個方面。
1）橋位選擇不恰當(dāng)。例如有的橋梁位于河灣，橋位與洪水中泓線斜交，凹岸被嚴(yán)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(yán)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(qiáng)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(hù)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(fù)雜、修復(fù)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(diǎn)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(dǎo)流墻、丁壩等，導(dǎo)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(jìn)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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)
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(jìn)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(jìn)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(yàn)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(jìn)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?dāng)?shù)據(jù)，通過各種途徑推算以相互印證；通過實(shí)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(jìn)行對照審查。在進(jìn)行水文資料審查時，要把審查的重點(diǎn)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(jìn)行的基礎(chǔ)性資料，因此，水文資料既要全面又要足夠詳細(xì)。與此同時，水文資料還具有繁鎖、量大的特點(diǎn)。由此可見，對水文資料進(jìn)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(jìn)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(wù)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(dāng)?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(jìn)行洪水點(diǎn)調(diào)查時還應(yīng)該注意以下問題：河灣段落應(yīng)考慮水流橫向比降的影響，為此應(yīng)該調(diào)查河流兩岸的洪水位；應(yīng)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(jìn)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(yàn)頻率，然后在海林機(jī)率格紙上描繪出經(jīng)驗(yàn)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(yàn)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(dāng)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(yīng)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(yīng)設(shè)計水位。這一水位應(yīng)該以水面比降、河床等加以校驗(yàn)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(yīng)該用經(jīng)驗(yàn)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(yīng)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(jìn)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(yīng)的QP所對應(yīng)的水位，并參考?xì)v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(fù)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(yīng)嚴(yán)格按照相應(yīng)的規(guī)范要求，搜集詳細(xì)可靠的水文資料，并結(jié)合橋梁的實(shí)際情況進(jìn)行仔細(xì)的整理分析，認(rèn)真核實(shí)，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(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)性，因此，橋梁設(shè)計中的水文問題分析要應(yīng)地制宜，盡可能從橋梁所在地的實(shí)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(shí)測洪水點(diǎn)的坐標(biāo)和高程等新技術(shù)能極大地提高水文計算和分析的和準(zhǔn)確性?？偠灾?，嚴(yán)格按照規(guī)范操作，搜集可靠的數(shù)據(jù)資料，采用科學(xué)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。
