复式河道的桥梁壅水计算.doc

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1、复式河道的桥梁壅水计算摘要：本文应用复式河道的桥梁壅水实验资料对拱桥法进行了验证,发现拱桥法计算值往往过高。提出了可用于复式河道的边滩等价河宽的概念和计算方法,并与实测资料进行了对比。关键词：复式河道桥梁壅水1前言所谓复式河道是指有河漫滩的河道，在洪水期，河漫滩将会被淹没。由于主槽和滩地有不同的水深和糙率，水位流量关系将和单道有所不同。当水流漫滩时，由于主槽水流与滩地水流的相互作用，断面过水能力通常会降低。特别是水流刚刚漫滩时，由于断面形状的突变，加上滩地糙率一般与主槽不一样，使估算过水能力变得非常困难。然而正确的估计给定水位下的流量以及已知流量如何确定水位等问

2、题对于洪水预报、防洪规划又是必不可少的。为了系统地研究复式河道的水力学问题，增进合作、交流、避免重复研究，由英国科学与工程研究委员会资助，在英国瓦灵弗水力学研究所（HydraulicsResearchLimitedWallingford,UK）建成了洪水河道设施(FloodChannelFacility，简称FCF)。FCF自1986年开放以来，主要进行了三个系列的实验：1987～1989年的顺直和歪斜河道实验：1990～1994年的弯曲河道实验；1995～1997的固定河岸、可动河床实验。目前正在进行自形成河道实验。到1999年，已有80篇以上的论文');">

3、论文是基于FCF实验数据的。在1995年国际水力学研究协会第26届大会上被选定为检验数学模型的基准资料。1999年，Knight[1]对复式河道的水力学研究作了系统总结。由于桥梁的修建减小了断面过流面积，水流流线在桥梁的上游形成收缩，下游形成扩散，加上桥体本身的阻力等因素，使河流的局部阻力增大，造成局部水头损失，形成桥梁上下游的水位差（称为桥梁壅水）。河道桥梁壅水在流量小时并不明显，而在洪水期较为显著。桥梁壅水抬高了桥梁上游水位，增大了淹没面积，滞蓄了洪水，从而增大洪水灾害。如果流量过大，使洪水漫过桥梁，甚至冲毁桥梁，将造成更大的灾害。较为著名的桥梁壅水的计算方

4、法有：美国公路局法（USBPR）、美国地调局法（USGS）、英国瓦林弗水力学研究所的拱桥法(Arch)、Biery和Delleur法等。这些方法一般是通过联解动能或动量方程与连续性方程、得到求解桥梁公式的形式，最后用实验资料确定公式的参数。桥梁壅水的危害，在大流量高水位的洪水时尤为突出，而天然河道在洪水期间，一般水流漫上了河滩，过流断面为复式断面，而桥梁壅水的公式多是在单一河道中建立的，目前对复式断面的桥梁壅水问题的研究还不多见，本文在复式河道的桥梁壅水实验的基础上提出了一种计算方法。2实验概况1图1水槽平面示意图Planesketchoftheflume图2模

5、型桥梁尺寸(单位mm)Dimensionsofthemodelbridges实验是在英国伯明翰大学的水槽上进行的，图1为水槽平面布置示意图。水槽长22m，宽1.213m，深4.4m。水槽上用PVC材料做成了一个复杂河道，主槽宽398mm，河漫滩宽407.3mm，主槽深50mm，水槽底坡为2.024‰。水槽设有两个水循环系统，一个循环管道用文丘里流量计测流量，另一个用电磁流量计测量。对于一个给定流量，通常把流量按一定分配规则分为一大一小两部分，大的一部分用文丘里流量计所在管道进行粗调，剩余部分用电磁流量计所在管道精调。实验前，先用进水管放水进入循环系统，然后开启两

6、套循环系统，使水流开始流动，最后调整尾门使水流在水槽中为均匀流。实验过程中，如发现循环系统水量过多，可通过尾水池的排水管放出一定水，使尾水闸出流不为淹没出流。水槽实验一直是研究水力学的基本手段。由于天然河道断面形状的不规则性以及量测的困难性，所以不适合研究水力学的基本规律。水槽的边壁一般是均匀光滑的，使得水槽中糙率的调整比较困难。用三角形的铁丝网架在水槽上，并通过调整铁丝网架的间距λ来实现不同的糙率值是一种经济实用的方法。很明显，糙率由水位和铁丝网间距λ决定，必须通过实验来率定这种函数关系。桥梁的形状如图2所示，有半圆拱桥，双孔半圆拱桥和椭圆拱桥，桥梁放置在编号

7、为59＃的断面上，此断面距主槽进口7m。共有三种不同的糙率组合情况，分别为第一种情况：光滑边界第二种情况：主槽光滑、边滩上λ1=500mm第三种情况：主槽λ2=2000mm，边滩λ1=500mm对于每一种糙率情况，进行了几个流量、测量出桥梁上下游的水位差。实验结果列于表1中。3拱桥法的验证拱桥法(ArchMethod)由英国瓦灵弗水力学研究实验室1985年提出[2]。拱桥法建立在动量守恒定理和水流连续性方程基础之上，导出如下关系式式中下标3表示桥梁下游断面，CD为桥梁阻力系数，J3为桥梁下游堵塞率,dh为壅水高度，h3为下游水深，Fr3为下游弗汝德数。2最后用实

8、验数据建立了桥梁壅水高度