设计理念介绍
桥下净空设计合理与否直接关系到桥梁的通航、泄洪、交通和桥梁自身的安全。影响桥下净空的因素很多, 其中流量和通航净空要求、交通建筑限界(如铁路建筑限界和公路建筑限界)要求是桥梁孔径设计需要考虑的主要因素。此外, 桥前壅水及桥下壅水、波浪高度、波浪侵袭高度、局部股流壅高、河床冲刷与淤积、流木流冰及其他漂浮物对桥下净空的影响也不可忽视。在黄河流域, 河道冲刷和淤积更是不得不考虑的重要因素。人类活动的影响和发展预期及长期安全要求, 也对桥下净空设计有着越来越重要的影响。
1 桥前壅水与桥下壅水
河道上修建桥梁后水流受到桥梁和河滩路堤的约束, 水流状态发生变化, 导致河床的变形。桥前壅水高度可按水力学能量方程近似计算:ΔZ =η(v-v)M式中:η为与河滩路堤阻水有关的系数;v0为断面平均流速,m/s(设计流量与全河过水断面面积之比);v 为桥下平均流M速, m/s。在按水利条件确定桥头路肩标高时, 其值应为桥前最大壅水高度, 即取Δh=ΔZM;在按构造条件确定桥头路肩标高时,为了计算桥下净空, 桥下壅水高度可采用桥前最大壅水高度的骤, 历时短暂且河床质坚实不易冲刷时, 为安全起见, 计取Δh =ΔZ 。对于平原区洪水涨落很缓慢的河流, 河床质松桥壅 M软、易造成一般冲刷时, 桥下壅水可不计。
2 波浪侵袭高度
大中型桥梁所处的河滩比较宽阔, 需要考虑波浪侵袭高度对路堤和桥下净空的影响。该高度可根据调查取得, 若调查有困难, 亦可采取下式近似估算:Δhp=KKVRHb1%式中:K 为边坡粗糙系数;KV为与风速有关的系数;Hb1%为累积频率为1%的波浪高度, m(为连续观测100个波高值中的最大值);R为相对波浪高度, 即当K =1.0、KV=1.0及Hb1%= 1.0 m时的波浪高度。
3 河床冲刷与淤积
我国许多河流都有着较剧烈的冲、淤现象。 坡度较陡的山区河流, 流速大、冲刷力强, 往往存在着较严重的冲刷下切和拓宽摆动趋势, 若土质松软, 则抗冲能力差, 冲切拓宽与摆动趋势更显著。 西北黄土高原地区大量冲沟的形成及河床频繁下切拓宽及摆动形成“九曲黄河”就是有力的佐证。在这种情况下,桥梁设计应充分考虑建桥后的河床冲刷, 加大基础埋深或进行河床铺砌, 以确保基础安全, 对有拓宽摆动趋势的河段必须进行河岸加固。河流进入平原地区后, 比降减缓、流速降低, 水流携沙能力明显减小, 加之上游来水挟沙量大, 将造成河床的淤积。黄河上中游经过黄土高原地区, 携带大量泥沙, 致使下游河床平均每年以10 cm的速度淤积抬升,已形成举世闻名的“地上悬河”, 严重威胁着沿黄地区安全。1996年8月花园口发生7 860 m/s的中常洪水的水位,比1958 年发生22 300 m/s大洪水的水位还要高0.91 m。渭河是黄河第一大支流, 也是一条多沙冲积性河流。陕西华县站以上流域面积10.65 万km。有资料记载的1935 ～1960年华县水文站汛前同流量(200 m/s)水位升高1.62 m,平均每年升高0.06 m。2003年8 月24 日至10月13日,受大范围暴雨影响, 发生了自1981年以来的最大洪水, 历时50d, 先后出现了首尾相接的6次洪峰,洪量不断叠加,演进慢、历时长, 形成了“小洪水、高水位、大灾害”的被动局面。原因是多方面的, 根本原因是泾、洛、渭河上中游水土流失严重, 导致下游河床严重淤积, 形成了“悬河”。该次洪水期间华县站发生的3 570 m/s洪峰,比“54·8”洪水期间发生的7 660 m/s洪峰流量要小4 090 m/s,但水位却比后者高出3.95 m。从以上情况看, 黄河流域河床淤积造成洪水位升高的情况是十分严重的。因此, 在黄河流域及类似有严重淤积的河段建桥, 必须充分考虑设计使用期内河床淤积使设计洪水位逐年提高趋势的问题, 在桥下净空设计时应尽量加大桥下净空高度,以确保并适当延长桥梁的正常使用年限, 保证桥梁使用安全。
4 人类活动对桥下净空设计的影响
小浪底水利枢纽工程建成后, 通过调水调沙, 可以将大量河床泥沙冲入大海, 从而形成稳定河床, 这对延长黄河上桥梁的正常使用年限是十分有利的。然而, 对于已有桥梁的基础可能会造成一定威胁, 这是应特别注意的问题。2002 ～2007年黄河连续调水调沙,共有4.2 亿t泥沙被冲入大海, 下游主河槽得到全线冲刷, 过流能力由调水调沙前的1 800 m/s提高到了3 630 m/s。实践证明,调水调沙已经成为处理黄河泥沙、维持黄河健康生命的有效措施之一。水库的修建对河流的流量和河上建桥活动有着重大影响。水库在正常情况下可调节河道流量, 降低洪水对桥梁的压力。然而, 一旦出现垮坝或遇到险情紧急泄洪时, 可能造成桥梁损毁甚至垮塌。因此, 在桥梁设计中应充分考虑上游水利工程对桥梁的潜在影响, 使桥下净空具有足够的排洪能力, 以策长期安全。
