第５期２０１０年５月ＧＵＡＮＧＤＯＮＧ广东水利水电ＷＡＴＥＲＲＥＳＯＵＲＣＥＳＡＮＤＨＹＤＲＯＰＯＷＥＲＮｏ．５Ｍａｖ．２０１０桥梁工程阻水比与河道水位关系研究徐林春，郑国栋，黄东，林美兰５１０６１０）（广东省水利水电科学研究院，广东省水动力学应用研究重点实验室，广东广州摘要：针对不同类型的概化河道和天然河道地形，结合桥墩布置方式和边坡系数的不同组合，对桥梁工程阻水比与河道水位变化之间的内在联系进行研究。结果表明：桥梁工程阻水比与河道水位（．∥，一ｚ）之间的变化关系由桥墩阻水面积增幅Ａｆ与河道过流面积增幅△Ｆ两者的比值随水位ｚ升高时的整体变化趋势决定，而ｚｘｆ与△Ｆ何者占优同桥墩布置方式及边坡系数两者的综合影响密切相关。位于主河槽内的桥墩权重比例占优，∥Ｆ—Ｚ呈反比关系；位于滩地的桥墩权重比例占优∥，～ｚ呈正比关系；两者权重比例相＂－３则分段呈单调递增或递减趋势。在相同桥墩布置方式下，边坡越缓’∥，～ｚ越趋于反比；反之，越趋于正比。关键词：桥梁工程；桥墩布置方式；阻水比；水位变化中图分类号：Ｕ４４２．４文献标识码：Ｂ文章编号：１００８＿０１１２（２０１０）０４一Ｏ００４—０５１概述在河道内兴建桥梁工程，由于桥墩及其承台等下部结构需占用河道部分行洪过流面积，增大局部水流阻力，阻挡、阻滞了水流，对河道水流会产生阻水作用。桥墩及其承台等下部结构在某一水位下阻挡水流所占面积（在水流方向的投影面积）和墩台侧面产生涡流阻滞结合桥墩的不同布置方式，以及考虑河岸边坡不同倾斜程度的影响，对桥梁阻水比与河道水位变化（∥Ｆ～Ｚ）之间的内在联系进行探讨和研究。６．４ｆ／Ｆ／％６．２水流所占面积称为墩台阻水面积∽。将墩台阻水面积除以该水位下的河道断面总面积（Ｆ），即可估算出该桥梁墩台的“面积阻水比”（以下简称“阻水比”，∥Ｆ），可用之来反映该桥梁占用河道的情况和阻水程度¨。Ｊ。对于天然河道，不同水位下的桥墩阻水程度是不一样的。有些桥墩阻水比随河道水位（ｚ）的升高而增大（称为“正比”），有些则随河道水位的升高而减小（称为“反比”），还有部分桥梁的阻水比随河道水位的升高而呈波状起伏、上凹或下凹抛物线变化（无规律）。根据笔者统计的珠江流域内６７座跨河大、中、小型桥梁的阻水比变化情况，有３７座桥梁阻水比与河道水位呈正比关系，占统计范围的５５．２２％；２２座桥梁阻水比与河道水位呈反比关系，占３２．８４％；剩下的８座桥梁阻水比与河道水位无明显变化关系，占１１．９４％。图ｌａ～图ｌｃ分别给出了桥梁阻水比随河道水位升高分别呈正比、反比和无规律变化关系的示意图。以下即针对不同类型的概化河道和天然河道地形，２．Ｏ２．５３．ＯＺＩｍ３．５图ｌａ阻水比∥，与水位Ｚ变化呈正比＆∥肠丘６丘４＆２丘Ｏ４５６７ＺＩｍ８图ｌｂ阻水比∥，与水位ｚ变化呈反比收稿Ｅｌ期：２０１０—０２—２４；修回日期：２０１０—０３一０４作者简介：徐林春（１９７９一），男，硕士，工程师，从事水力学及河流动力学数值模拟研究。·４·万方数据２０１０年５月第５期徐林春，等：桥梁工程阻水比与河道水位关系研究Ｎｏ．５Ｍａｙ．２０１０图ｌｃ阻水比∥Ｆ与水位Ｚ变化无明显关系２概化河道２．１简单梯形河道天然河道中某些河床断面形态近似于不规则“Ｕ”型河谷，一般可概化为如图２所示的简单梯形河道。桥墩位于河槽桥墩位于岸坡Ｖ文ＶＯｍ／’图２概化的简单梯形河道示意表１统计了图２所示概化河道中，桥墩位于河道不同位置时的阻水比与水位变化关系。当仅在河槽内布置桥墩时，桥墩阻水比与水位变化均呈反比关系，而与边坡系数无关；当桥墩仅布置于岸坡时或河槽与岸坡均布置有桥墩时，边坡系数＜ｌ，桥墩阻水比与水位变化呈正比关系，边坡系数≥１，桥墩阻水比与水位变化之间呈上凹抛物线变化关系。可见，对于简单梯形河道，桥梁工程∥Ｆ～ｚ变化关系取决于桥墩位置和边坡倾斜程度两者的综合影响。以Ａｆ表示水位ｚ升高△＝时桥墩阻水面积的增加值，△Ｆ表示水位升高Ａｚ时河道总过流面积的增加值，ＡｌｌＡＦ表示河道增加单位过流面积时桥墩相应增加的阻水面积，图３给出了简单梯形河道各工况下的Ａｆ／ＡＦ—ｚ变化曲线。对于简单梯形河道，当Ａｆ／ＡＦ随ｚ的升高而降低时，说明随着水位的升高，河道过流万方数据面积增幅大于桥墩阻水面积增幅，此时阻水比（．∥，）一水位（ｚ）呈反比关系；Ａｆ／ＡＦ随ｚ的升高而增大，说明随着水位的升高，河道过流面积增幅小于桥墩阻水面积增幅，ｆ／Ｆ—ｚ呈正比关系；当Ａｆ／ＡＦ随ｚ的升高呈非单调递增时∥Ｆ—Ｚ呈上凹抛物线变化。可见，对于简单梯形河道，桥梁工程．∥，～ｚ变化关系实质上由河道过流面积与桥墩阻水面积两者随水位的升高何者增幅更快决定，而桥墩位置及边坡倾斜程度则是两者面积增幅何者占优的关键制约因素。表１简单梯形河道各工况桥墩阻水比与水位变化关系图３ａ仅有桥墩位于河槽工况图３ｂ仅有桥墩位于岸坡工况２．２复式梯形河道对于部分一岸或者两岸有边滩的天然河道，河床断面形态则可概化为如图４所示的复式梯形河道。为便于问题的研究，图４中的复式梯形河道仅考虑一岸有边滩的情况。对于宽滩河道，桥墩一般不可能仅在岸坡布．５·２０１０年５月第５期广东水利水电Ｎｏ．５Ｍａｙ．２０１０图３ｃ河槽与岸坡均布置有桥墩工况置桥墩，为此，复式梯形河道不考虑“仅有桥墩位于岸坡”工况，相应考虑“仅有桥墩位于边滩”的工况。桥墩位于河槽街墩位于边滩＼．ｋ．－／ｈ…尽’，＼Ｉ。ｏ。ｙ’…’图４概化的复式梯形河道示意表２统计了图４所示概化河道中，桥墩位于河道不同位置时的阻水比与水位变化关系。当仅在河槽内布置桥墩时，桥墩阻水比与水位变化均呈反比关系，而与边坡系数无关；当桥墩仅布置于滩地时，桥墩阻水比与水位变化均呈正比关系，也与边坡系数无关；当河槽与滩地均布置有桥墩时，桥墩阻水比与水位变化之间无明显的正比或反比关系（见图５）。图５中，在不同边坡系数条件下，阻水比与水位关系曲线均在彳＝５ｍ处的滩槽分界点出现拐点。名≤５ｍ，仅河槽内布置有桥墩时，桥墩阻水比与水位变化均呈反比关系；ｚ＞５ｍ，受滩地桥墩影响，阻水比与水位变化开始呈上凹抛物线型变化：边坡越缓，两者关系越接近于反比，反之，越接近于正比。表２复式梯形河道各工况桥墩阻水比与水位变化关系图６给出了复式梯形河道各工况下的Ａｆ／ＡＦ～Ｚ变化曲线。当仅在河槽内布置桥墩时，Ａｆ／ＡＦ随ｚ的升高而单调递减（图６ａ），∥Ｆ—ｚ呈反比关系；图６ｂ·６·万方数据图５复式梯形河道中滩槽均布置有桥墩时不同边坡系数条件下阻水比与水位关系中，虽当彳＞５．５ｍ时，Ａｆ／ＡＦ随ｚ的升高而单调递减，但整体来看Ａｆ／ＡＦ曲线还是呈上升趋势的，故当桥墩仅布置于滩地时∥Ｆ—Ｚ呈正比关系；当河槽与滩地均布置有桥墩时，ａｆ／ＡＦ随ｚ的升高呈非单调递减（图６ｃ）。∥，～Ｚ呈波状起伏变化（图５）。从复式梯形河道实例可以看出，∥Ｆ～Ｚ变化关系取决于Ａｆ／△Ｆ随Ｚ升高时的整体变化趋势：整体上升，∥Ｆ～ｚ呈正比关系；整体下降，∥Ｆ～ｚ呈反比关系；整体升降相当，∥，～Ｚ呈波状起伏变化。结合表２和图５可知，对于复式梯形河道，河道过流面积与桥墩阻水面积何者增幅占优亦与桥墩位置和边坡系数密切相关。图６ａ仅有桥墩位于河槽工况图６ｂ仅有桥墩位于边滩工况对于分汉河道，河床断面形态一般可概化为如图７所示的复式断面河道。２．３复式断面河道２０１０年５月第５期徐林春，等：桥梁工程阻水比与河道水位关系研究Ｎｏ．５Ｍａｙ．２０１０△，啦舒ｍ似¨∞有桥墩时则分段呈单调递增或递减趋势。¨仉…祭罄蕊．一脚＝ｌ…——ｍ＝４－－－·－－－－－ｍ２·‘。·。。·ｍ－－Ｏ．２５一‘ｄｒ‘－ｍ＝０．５一、、～～帅∞０２４６８Ｚ／ｍ１０图６ｃ河槽与边滩均布置有桥墩工况图８ａ仅有桥墩位于河槽工况表３统计了图７所示概化河道中，桥墩位于河道不同位置时的阻水比与水位变化关系。当位于主河槽内的桥墩权重比例占优时，桥墩阻水比与水位变化均呈反比关系；当位于心滩的桥墩权重比例占优时，呈正比关系；两者均与边坡系数无关。图８ｂ仅有桥墩位于心滩工况图７概化的复式断面河道示意表３复式断面河道各工况桥墩阻水比与水位变化关系图８ｃ河槽与心滩均布置有桥墩工况３天然河道为进一步分析桥墩位置对阻水比随水位变化关系图８给出了复式断面河道各工况下的Ａｆ／△Ｆ—Ｚ变化曲线。基本可以认为．∥Ｆ—Ｚ与Ａｆ／△Ｆ—Ｚ的变的影响，以某一天然河道地形为例，研究桥墩不同布置方式下阻水比～水位变化关系。天然河道地形如图９化趋势大体是一致的。图８ａ和图８ｂ曲线趋势较为单一，整体上升或下降；图８ｃ中ｍ＝４工况，ａｆ／△Ｆ—ｚ曲线整体呈下降趋势，故．∥Ｆ—ｚ呈反比关系，其余ｍ＝０．２５—２工况，当彳＞１５ｍ时，ａｆ／△Ｆ—Ｚ曲线开始大幅上升＇∥Ｆ—Ｚ则呈下凹抛物线关系。对照表３和图８可见，对于复式断面河道，ｆｉｒ～ｚ变化关系同样取决于Ａｆ／ＡＦ随ｚ升高时的整体变化趋势，而该趋势变化则取决于桥墩位置和边坡系数的综合影响。位于主河槽内的桥墩权重比例占优，Ａｆ增幅小于△Ｆ增幅，∥Ｆ—ｚ呈反比关系；位于心滩的桥墩权重比例占优，Ａｆ增幅所示，为一宽滩河道，断面上共布置有７个桥墩，滩槽均布置有桥墩，桥墩编号分别为１。一７’。以下即通过１。一７４桥墩的不同组合方式来讨论其影响（为便于研究，本小节中不考虑边坡系数变化的影响）。ｑ）口（ｐ一＼～ＩＹ—、√ｙ■—Ｌ山胃霄帘帘胃３００１００２００４００起点距，ｍ大于△Ｆ增幅∥Ｆ—Ｚ呈正比关系；河槽与心滩均布置万方数据图９天然河道断面形态及墩位布置示意·７·２０１０年５月第５期广东水利水电Ｎｏ．５Ｍａｙ．２０１０表４天然河道各工况桥墩阻水比与水位变化关系工况黝合旅阻巍笋埘黝合械鬈麓位Ｉ２３４５６７仅考虑ｌ。仅考虑２。仅考虑３。仅考虑４’仅考虑５’仅考虑６’仅考虑７。考虑ｌ。、２’考虑３’一７’考虑１’一３’上凹抛物线型反比正比正比ｌｌ考虑Ｉ。一４’考虑ｌ。一５’考虑ｌ。一６’考虑ｌ’一７’波状起伏波状起伏波状起伏波状起伏１２１３１４正比正比正比反比正比波状起伏１５１６考虑ｌ。、３。、５。，７。卜凹抛物线璋！考虑２。、４’、６。考虑６’、７。考虑５’一７’考虑４。一７。考虑２。。７’反比正比正比正比波状起伏１７１８１９２０８９１０表４统计了图９所示天然河道中，２０种桥墩不同组合方式下的阻水比一水位变化关系。其中，仅２、８、１６三种工况桥墩阻水比与水位变化呈反比关系（见图１０ａ上），９种工况呈正比关系（部分工况变化曲线见图图１０ａ阻水比与水位变化呈反比的工况１０ｂ上），其余工况呈抛物线型或波状起伏等无明显的正比或反比关系（部分工况变化曲线见图１０ｃ左）。呈反比关系的三种工况均包含位于主河槽的２。桥墩，可以认为是由于位于主河槽中的桥墩权蘑比例占优所致。而呈正比关系的９种工况中均没有包含２４桥墩的工况，各种组合下的桥墩均位于滩地或靠近边滩，可以认为是由于位于滩地的桥墩权重比例占优所致。其余７种无明娃正比或反比关系的工况则可认为是由于位于主河槽和滩地上的桥墩权重比例相当，导致阻水比一水位变化关系曲线在正比或反比两者之间反复。图１０所示天然河道各工况下的ＡＳ／ａＦ～ｚ变化曲线也可看出∥Ｆ—Ｚ与ＡｆｌＡｔ～Ｚ的变化趋势大体是一致的，∥Ｆ—ｚ变化关系由Ａｆ／ＡＦ随Ｚ升高时的整体变化趋势所决定。结合表４和图ｌＯ可见，对于天然河道，Ａｆ／ＡＦ～Ｚ变化曲线亦与桥墩的布置方式密切相关，呈正比或反比关系取决于位于主河槽或滩地上的桥墩权重比例何者占优。一般说来，ＡｌｌＡＦ—ｚ变化关系还应与边坡系数有关：相同桥墩布置方式下，边坡越缓，两者关系越趋于反比，反之，越趋于正比。４结语本文针对几种常见的概化河道和天然河道地形，结合桥墩布置方式和边坡系数的不同组合，研究了桥梁工程阻水比与河道水位变化之间的内在联系。主要结论如下：·８·图１０ｂ阻水比与水位变化呈正比的部分工况１）桥梁工程阻水比与河道水位（／／Ｆ～ｚ）之间的变化关系可以认为由桥墩阻水面积增幅Ａｆ与河道过流面积增幅ＡＦ两者的比值随水位ｚ升高时的整体变化趋势决定：Ａｆ／ＡＦ随ｚ的升高整体七升，∥，～ｚ呈正比关系；Ａｆ／ＡＦ随ｚ的升高而整体下降，∥Ｆ～ｚ呈反比关系；２∥△胛透Ｚ的升高整体升降相当∥，一ｚ呈渡扰色伏变化。２）河道过流面积增幅与桥墩阻水面积增幅何者占优同桥墩布置方式及边坡倾斜程度两者的综合影响密切相关。位于主河槽内的桥墩权重比例占优，Ａ／增幅小于ＡＦ增幅∥Ｆ—Ｚ呈反比关系；位于滩地的桥墩权重比例占优，Ａ／增幅大于△，增幅，（下转第２０页）万方数据２０１０年５月第５期广东水利水电Ｎｏ．５Ｍａｙ．２０１０灌水的反应较迟缓，故灌水前后的变异系数变化不大。土层深度的增加，灌水前后土壤水分变异系数趋近。表３灌水前后垂直方向的土壤含水率的变异系数变异系数Ｃ。Ｏ．１４０．１６０．１８Ｏ．２０２０４０ｇ篓６０刊甾８０１００１２０图３垂直方向变异系数参考文献：［１］杨玉玲，文启凯，田长彦，等．土壤空间变异研究现状及展望［Ｊ］．干早区研究，２００１，１８（２）：５０—５５．３结论［２］徐英，王俊生，蔡守华，等．缓坡水平梯田土壤水分空间变变异性都小于灌水后的空间变异性程度，至吐絮期两者ｍｅｎ‘［Ｊ］．Ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌ№ｅ８８∞，２０００，（１４）：１２６１—１２７７．警变坌竺竺耋季氅妻蹩鸯惠墨篓苎尘墨ｌＯ金Ｏｃ。ｍ。＿土竺差鼎：缆愍皇当裳去芦戮蜘，土∞１麓盏纛≯’蝴棚觯Ⅲｌ北煎觯一７～““’层变异系数最小，即深层土壤含水率值最稳定；⑤随着（本文责任编辑罗睿）一…”…。７～（上接第８页）ｆ／Ｆ～Ｚ呈正比关系；位于主河槽和滩地相同桥墩布置方式下，边坡越缓，ｆ／Ｆ—Ｚ越趋于反比。上的桥墩权重比例相当则分段呈单调递增或递减趋势。反之，越趋于正比。ｐＦ，％６４２图ｌＯｃ阻水比与水位变化无明显正、反比关系的部分工况参考文献：２００７．［１］广东省水利水电科学研究院．佛山市已建桥梁阻水比问［３］徐新华，夏云峰．防洪评价报告编制导则研究及解读题调研报告［Ｒ］．广州：广东省水利水电科学研究院，［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，２００８．２００３．（本文责任编辑马克俊）［２］郑月芳．河道管理［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，·２０·万方数据桥梁工程阻水比与河道水位关系研究
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
徐林春， 郑国栋， 黄东， 林美兰， XU Lin-chun， ZHENG Guo-dong， HUANG Dong，LIN Mei-lan
广东省水利水电科学研究院,广东省水动力学应用研究重点实验室,广东,广州,510610广东水利水电
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