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(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。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?、推算設(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(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)合橋梁的實際情況進(jìn)行仔細(xì)的整理分析,認(rèn)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(yīng)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(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。