桥梁设计中的水文问题探析
2017-02-06
水文问题是桥梁设计中必须考虑的重要问题。通常而言，桥梁设计中的水文问题主要是对桥梁所在河段未来使用期间的水文情况进行预估计。为降低桥梁工程的造价，不仅要合理地选择桥梁结构形式，还要确保桥位设计的合理和正确。桥位设计主要包括选择桥位、水文计算、确定桥梁孔径及墩台基底的埋置深度等内容。其中，首要工作是调查和分析所在河段的天然水文状况，搜集充足的水文资料作为参考依据，并通过分析确定设计的洪水位及其流速和流量等。由此可见，水文问题在桥梁设计中占有十分重要的地位。
然而，河流的水文特性往往又十分复杂。衡量桥梁设计是否合理的重要标准之一就是桥梁能否通畅安全地排泄河流的洪峰流量。这需要结合河流的水文情况进行分析和研究，以确定合理的桥梁长度。桥梁建造得过长或过高会增加不必要的投资，建得过短或过低又会发生水毁，因此，应该对桥梁设计中的水文问题给予高度的重视。在这样的背景下，探讨桥梁设计中的水文问题无疑具有重要的现实意义。本文首先分析了桥梁水毁的原因，然后就水文资料的收集、资料审查和外业调查、设计流量的计算、设计洪水位的推算等桥梁设计中的水文问题进行分析，以期为同业者提供参考。
1 桥梁水毁的原因
造成桥梁水毁的原因，除了部分桥梁是由于设计标准低以外，主要有以下几个方面。
1）桥位选择不恰当。例如有的桥梁位于河湾，桥位与洪水中泓线斜交，凹岸被严重冲刷，这些都可能冲毁桥头引道。除此之外，桥位若位于游荡变迁河段，或在发生大洪水和水土流失时，主流侵蚀、摆动等会使河床逐渐变宽，这样也能造成桥梁水毁。2008年8月河北省保定市西部山区普降大雨，造成32座桥梁和5座涵洞被冲毁和损坏，人民群众的生命和财产遭受重大损失。据调查，此次被毁和损坏的桥梁大多位于河湾或游荡变迁河段。
2）墩台埋置深度不够。墩台基础埋得不深，受到严重冲刷就会倒塌，从而造成桥梁水毁。桥梁的基底埋置深度要满足以下条件：①对于冻胀及强冻胀土，在冻结线以下不小于0.25 m，对于弱冻胀土，不小于冻结深度的80%；②在无冲刷处或设有铺砌防护时，一般在地面下不小于2.0 m，困难情况不小于上1.0 m；③在有冲刷处，在墩台附近最大冲刷线下不小于下列安全值：对于一般桥梁，安全值为2 m加冲刷总深度的10%；对于特大桥、技术复杂、修复困难或重要者，安全值为3 m加冲刷总深度的10%；④墩台基础嵌人岩层不小于0.25 m。
3）桥孔设计没有必要的防冲刷措施和调治构造物，使得河水冲毁桥头引道或桥台，从而使桥梁部分或全部遭到损坏。这一点在山区农村公路桥梁中表现得特别明显。很多由于没有设置必要的水流调治构造物，如导流墙、丁坝等，导致山洪迂回抄后路，冲毁桥台，冲毁引道使桥台失去支撑而倒塌。
4）在进行水文计算时推求的设计流量偏小，使得桥孔设计大小不足，因此导致因排洪能力的不足而造成的水毁。
2 水文资料的收集、资料审查和外业调查
2.1 现行桥梁设计洪水频率标准
目前，我国公路桥涵的水文设计是按照规定的设计洪水频率来进行的。二级公路特大桥、大中桥设计洪水频率为百分之一；涵洞和小桥的设计洪水频率为五十分之一；一二级汽车专用公路、高速公路特大桥的设计洪水频率为三百分之一；大中桥、涵洞和小桥的设计洪水频率为百分之一。
I、II级铁路的设计洪水频率为百分之一，涵洞的设计洪水频率为五十分之一，III级铁路的桥梁和涵洞的设计洪水频率也为五十分之一。
2.2 水文资料的收集
收集水文资料是进行水文分析的前提和基础。一般而言，水文手册、水文年鉴、水文图集、水文统计是水文资料的主要来源。在我国，各省水文手册和图集是对本省水文特征值的分布及其相互关系的综合，往往以地区经验公式和图表的形式提供本省各地的径流、降雨、洪水、暴雨等数据情况。
2.3 水文资料的审查
对水文资料进行审查是保证水文资料整编成果质量的重要环节。通常情况下，水文资料的审查主要包括以下几个方面的内容：对历史洪水数据，通过各种途径推算以相互印证；通过实地调查干支流和上下游水量平衡及历年H～Q关系曲线进行对照审查。在进行水文资料审查时，要把审查的重点放在大水年份、对设计洪水计算成果影响大的资料上。
水文资料是水文计算赖以进行的基础性资料，因此，水文资料既要全面又要足够详细。与此同时，水文资料还具有繁锁、量大的特点。由此可见，对水文资料进行审查具有重要意义。3a滑动平均法、绝对值法和双累积曲线法是对水文数据的可靠性进行检查的主要方法。
2.4 外业调查
水文外业调查是桥梁设计的重要依据。在桥梁设计中，水文外业调查的主要任务是根据桥梁所在河段的河道演变特征、地貌特征和水情等，选择较为合理的桥位、确定恰当的桥孔位置、推算设计洪水流量、为桥孔的高度、长度和桥头引道等的水力设计提供所需要的数据资料。具体而言，这些资料主要是指测定洪水比降；从河床表层的土样筛分确定河床表层的平均粒径；调查洪水淹没状况、历史洪水位、洪水过后河床冲淤变化的情况、确定工程河段的类型等。
与此同时，在进行洪水点调查时还应该注意以下问题：河湾段落应考虑水流横向比降的影响，为此应该调查河流两岸的洪水位；应该尽量避开河床变化较大处的洪痕。
3 设计流量的计算
在进行桥梁水文计算的时候，对于那些已建有水文站且已有洪水观测数据的河流，通常以数据统计的计算方法推断洪水频率。例如，把河流的年最大流量资料按照由大到小的顺序依次排列，计算出各种流量的经验频率，然后在海林机率格纸上描绘出经验频率的相关曲线。对于一般的河流，由于大部分没有可靠的水文资料，通常按照直接类比法等来推断。例如根据历史洪水调查资料来推算设计洪峰流量，或根据地区洪水经验公式来推断设计洪峰流量，或通过水文比拟法来推算。
4 设计洪水位的推算
4.1 水位相关法
如果水文站与设计断面相距很近，河道水文条件差别不大，流域面积相差不到5%，且设计断面处有一些水位观测数据时，设计洪水位的推算则可以根据设计断面和水文站的水位相关曲线来查得。即把设计流量当作水文站的观测流量，从水文站的流量～水位曲线中，查出相应的水位，再根据此水位从水文站与设计断面的水位相关曲线查得设计断面的相应设计水位。这一水位应该以水面比降、河床等加以校验和核对。如果水文站与设计断面的流域面积相差超过5%，则就应该用经验公式或者其它办法来调整设计断面的设计水位。
4.2 流量水位关系曲线法
流量水位关系曲线法是依据已有的水文资料绘制设计断面的流量水位曲线，从流量水位曲线上查出的相应的设计流量水位即为设计水位。这种方法最好利用调查得到的坡度、上下游历史洪水位等数据对所推算的设计水位进行核对。
除此之外，也可以根据勘测到的水文站断面的流量水位曲线和水文基线，查出相应的QP所对应的水位，并参考历史洪水坡，利用比降法，求得设计断面的设计洪水位。
5 结论
桥梁设计中的水文问题的复杂性、重要性和不确定性决定了其在桥梁设计中的重要地位。在桥梁设计过程中，应严格按照相应的规范要求，搜集详细可靠的水文资料，并结合桥梁的实际情况进行仔细的整理分析，认真核实，通过相关的参数和合理的方法，推算比较合理的计算结果，以此来确定桥梁的抗洪能力，这是桥梁设计过程中水文计算工作的关键所在。
水文勘测设计本身具有较强的经验性，因此，桥梁设计中的水文问题分析要应地制宜，尽可能从桥梁所在地的实际出发，这样才有可能得到较为合理和可行的结果。除此之外，采用GPS实测洪水点的坐标和高程等新技术能极大地提高水文计算和分析的和准确性。总而言之，严格按照规范操作，搜集可靠的数据资料，采用科学合理的测量手段和推算方法，才能处理好桥梁设计中的水文问题。
参考文献
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作者简介
魏胜勇（1978—），男，河南驻马店人，硕士研究生，工程师，从事桥梁结构设计与健康监测技术研究工作。
