CN107545115A

CN107545115A - 变化环境下山前河流桥梁整体冲刷预测方法

Info

Publication number: CN107545115A
Application number: CN201710808619.9A
Authority: CN
Inventors: 刘发明; 聂锐华; 李明清; 付刚; 马旭东; 刘兴年; 徐勇; 游励晖; 陈克坚; 罗星文
Original assignee: China Railway Eryuan Engineering Group Co Ltd CREEC
Current assignee: China Railway Eryuan Engineering Group Co Ltd CREEC
Priority date: 2017-09-09
Filing date: 2017-09-09
Publication date: 2018-01-05
Anticipated expiration: 2037-09-09
Also published as: CN107545115B

Abstract

变化环境下山前河流桥梁整体冲刷预测方法，以准确预测拟建桥梁是否会发生整体冲刷，以及发生整体冲刷后桥梁整体冲刷深度，为拟建桥梁的设计提供科学依据。该方法包括如下步骤：(1)对山前河流进行长河段纵断面实测，得到不同河段纵比降I_0i，点汇山前河流长河段实测纵比降图；(2)计算造床流量下不同河段平衡比降，得到山前河流长河段计算纵比降图；(3)对比不同河段实测比降I_0i与计算所得河段平衡比降I_i的相关关系，判断该河段属于较稳定区或者较不稳定区，进而判断该河段属于可能下切型河流或者可能淤积型河流；(4)进行桥梁冲刷计算。

Description

变化环境下山前河流桥梁整体冲刷预测方法

技术领域

本发明涉及铁路桥梁，特别涉及一种变化环境下山前河流桥梁整体冲刷预测方法。

背景技术

在桥梁建设过程中及建成后，均会不同程度地破坏天然河床结构、局部水流条件及河床形态的相对平衡状态，使得水沙条件与河床形态重新调整。然而，河道水沙条件与河床组成均具有较强的不确定性，因而如何正确地预测桥梁冲刷程度，始终是桥梁设计与研究的重点与难点。目前关于桥梁的一般冲刷与局部冲刷研究成果仅局限于河床相对稳定的河道，已经有较多且较成熟的研究成果。对于2008年5.12地震后成兰铁路山前区变化环境下的非稳定河段，导致桥梁冲刷的因素则更为复杂，不仅包含因河道过流断面束窄、桥墩形状等引起的一般冲刷与局部冲刷，还包含因河道整体失稳引起的整体冲刷，并且河道整体失稳具有随机性与不易预判性，然而一旦发生河道整体失稳，却会引起较大破坏并影响桥梁的安全运行。目前还没有关于因河道整体失稳引起的整体冲刷相关的预测方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种变化环境下山前河流桥梁整体冲刷预测方法，以准确预测拟建桥梁是否会发生整体冲刷，以及发生整体冲刷后桥梁整体冲刷深度，为拟建桥梁的设计提供科学依据。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明的变化环境下山前河流桥梁整体冲刷预测方法，包括如下步骤：

(1)对山前河流进行长河段纵断面实测，得到不同河段纵比降I_0i，点汇山前河流长河段实测纵比降图；

(2)按下式计算造床流量下不同河段平衡比降I_i：

式中，K、j、η为待定系数；Q为造床流量；n为曼宁糙率系数；d为河段冲淤平衡后床沙代表粒径；

结合长河段历史演变及现场调查结果，适当修上式中j、η的取值，得到山前河流长河段计算纵比降图；

(3)对比不同河段实测比降I_0i与计算所得河段平衡比降I_i的相关关系，判断该河段属于较稳定区或者较不稳定区，进而判断该河段属于可能下切型河流或者可能淤积型河流；

(4)进行桥梁冲刷计算。

本发明的有益效果是，可以准确预测拟建桥梁是否会发生整体冲刷，以及发生整体冲刷后桥梁整体冲刷深度，为拟建桥梁的设计提供科学依据。

附图说明

本说明书包括如下两幅附图：

图1是山前河流长河段实测纵比降图；

图2是本发明变化环境下山前河流桥梁整体冲刷预测方法的示意图，图中实线为河流实测纵比降I_0i，虚线为河流计算纵比降I_i，①、③为较稳定区，②为不稳定区。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

变化环境是指影响河流演变的自然因素改变或河流受人类活动干扰。整体冲刷需要考虑多种影响因素下的不同工况，目前尚无成熟的计算公式，且研究成果相对较少。建桥后的河道整体冲刷需主要考虑建桥后河道的短期冲刷与长期冲刷。针对河道短期冲刷，需考虑汇流冲刷、深泓线演变、河道平面形态、河床组成等因素；针对河道长期冲刷，需考虑河道侵蚀基准面变化、年际洪水流量变化、河道滩槽演变等因素。而上述各因素之间又相互影响，其中一个因素改变，其他因素对河道冲刷的影响也会相应改变。本发明是通过研究变化环境下的山前河流演变模式，建立变化环境下山前河流桥梁整体冲刷预测与计算方法。

一直以来，对冲积性河流河相关系的研究开展得比较多，研究的方法思路也不尽相同，因此出现了同一条河流、甚至一条河流中的一段都有若干种河相关系式。目前研究河相关系的方法主要有四种，包括水力几何形态法、量纲分析法、最小极值假说法以及稳定性理论分析法。

本发明选用针对河床边界由卵石组成的山区河流提出的临界起动假说来确定山前河流适用的河相关系式。河流的临界起动假说包括两个基本假定，一是在造床流量下，河床边界上各点的泥沙均处于临界起动状态，二是床面粗颗粒的大小在短河段内沿程变化较小。根据该假说，在水流连续方程与阻力方程的基础上，添加了泥沙临界起动流速，同时引入阿尔图宁的断面宽深比关系式，通过四方程联解得到基于临界起动假说的山前河流河相关系式。四个方程分别为：

水流连续方程为：

Q＝BhU (1)

式中，Q为来流量；B为河槽宽度；h为河槽平均水深；U为断面平均流速。

阻力方程为：

式中，U为断面平均流速；n为曼宁糙率系数；h为河槽平均水深；I为水力坡度。

临界起动流速公式为：

U＝Kd^1/3h^1/6 (3)

式中，K为待定系数；d为床沙粒径；h为河槽平均水深。

阿尔图宁关系式：

式中，j、η为待定系数；B为河槽宽度；h为河槽平均水深。

联合式(1)～式(3)可以得到河段平衡比降、河段宽度与河段水深分别为：

式中，K、j、η为待定系数；Q为造床流量；n为曼宁糙率系数；d为河段冲淤平衡后床沙代表粒径。

参数取值方法：

造床流量Q是指在一段时间内，其造床作用与该时段流量过程的造床作用相当的某个流量。它既不等于时段内最大流量，因为这种流量的造床作用太大；也不等于最小流量，因为这种流量的造床作用太小；也不是平均流量，因为平均流量的造床作用通常小于同时段内流量过程的造床作用；它是一个比平均流量大的某个流量。确定造床流量一般可采用马卡维耶夫方法、韩其为方法、平滩水位法及频率分析法。此处，建议在山前河流河相关系分析中造床流量可取频率为2～5年的洪水流量。曼宁糙率系数n一般可采用原河床糙率系数。

河段冲淤平衡后床沙代表粒径d与床沙条件及上游来沙条件有关。在冲淤平衡河段一般选取河段床沙的平均粒径d_m；在明显冲刷河段，可采用何文社粗化层级配计算方法得到的粗化层级配的d_m，亦可直接选取现河段床沙的代表粒径d₉₀。

待定系数K表征相同水力条件下泥沙起动颗粒的大小程度。本发明将国内外现有的几十种泥沙起动条件进行了转换与统一，得到各种起动条件的待定系数K值一般界于3.37～7.86之间，卵石野外水槽试验资料验证表明，K大约取值4.60时，与实测资料符合较好。待定系数j、η表征河流宽深比，受河段所处位置决定。阿尔图宁建议在山区河段η取值10～16，山麓河段η取值9～10，中游河段η取值5～9；在山区与山麓河段j取值0.8～1.0，中游河段j取值0.5～0.8。

(4)按下式计算造床流量下不同河段平衡比降I_i：

(5)对比不同河段实测比降I_0i与计算所得河段平衡比降I_i的相关关系，判断该河段属于较稳定区或者较不稳定区，进而判断该河段属于可能下切型河流或者可能淤积型河流；

(6)进行桥梁冲刷计算。

所述步骤(3)中，若河段实测值I_0i与计算值I_i沿程均相当，则判断该河段属于较稳定区；若河段实测值I_0i与计算值I_i偏差较大，则判断该段河较不稳定区；若出现河段实测值I_0i较计算值I_i大或河段上段实测值I_0i较计算值I_i小、下段实测值I_0i较计算值I_i大的情况，则该河段属于可能下切型河流；若出现河段实测值I_0i较计算值I_i小或河段上段实测值I_0i较计算值I_i大、下段实测值I_0i较计算值I_i小的情况，则该河段属于可能淤积型河流。

所述步骤(4)中，当桥梁处于较稳定区时，按常规方法计算桥梁局部冲刷和桥梁一般冲刷，不考虑河段整体冲刷影响。

所述步骤(4)中，当桥梁处于较不稳定区时，桥梁冲刷计算需考虑河段的整体失稳与冲刷问题，桥梁极限冲刷深度ΔH按下式计算：

式中，H为现状河床高程；H₀为不稳定河段起始点高程；L为桥梁所在位置距不稳定河段起始点距离；I₂、I₃均为预测比降；L_K为预测比降I₂、I₃的交点距不稳定河段起始点距离。

上述变化环境下的山前河流桥梁整体冲刷预测与计算方法主要适用于河床有深厚覆盖层的山前河流。当局部河段有自然或稳定的人工侵蚀基准时，需将长河段的下游起始点移到该侵蚀基准处，并仔细分析侵蚀基准面对局部河段河床演变的影响。

实施例：

采用上述方法对成兰铁路石亭江特大桥河段的稳定性进行预测分析计算如下：

(1)当出山口10km河段造床流量Q为1000m³/s，河床d₉₀为0.3～0.4m时，计算得到河床比降为7～8‰，与实测值相当。

(2)当绵远河汇口上游20km河段造床流量Q为1000m³/s，河床d₉₀为0.05～0.08m时，计算得到河床比降为1～1.7‰，亦与实测值相当。

(3)当人民渠穿石亭江涵洞下游5km成兰铁路石亭江特大桥河段造床流量Q为1000m³/s，河床d₉₀取0.15m时，计算得到河床比降为3.3‰，较2008年前该河段实测值5.4‰低，即使河床d₉₀取0.20m时，计算得到河床比降为4.6‰，仍较2008年前该河段实测值5.4‰低。

(4)而实际情况是，近年来在工程阻隔、上游细沙补给增多、河段挖沙等多因素影响下，成兰铁路石亭江特大桥河段河床d₉₀仅为0.11m，计算得到河床比降为2.36‰，大大低于2008年前该河段实测值5.4‰。

通过上述计算表明，成兰铁路石亭江特大桥河段属于典型的河段实测比降I_0i较计算值I_i大的情况，甚至存在河段上段实测比降I_0i较计算值I_i小、下段实测比降I_0i较计算值I_i大的情况，符合可能下切型河流特征。即在变化环境下(自然条件改变或人类活动干扰)会发生河床下切，甚至剧烈下切，与实际相符。

以上所述只是用图解说明本发明的一些原理，并非是要将本发明局限在所示和所述的具体方法和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改均属于本发明所申请的专利范围。

Claims

1.变化环境下山前河流桥梁整体冲刷预测方法，包括如下步骤：

(2)按下式计算造床流量下不同河段平衡比降I_i：

(4)进行桥梁冲刷计算。

2.如权利要求1的变化环境下山前河流桥梁整体冲刷预测方法，其特征是：所述步骤(3)中，若河段实测值I_0i与计算值I_i沿程均相当，则判断该河段属于较稳定区；若河段实测值I_0i与计算值I_i偏差较大，则判断该段河较不稳定区；若出现河段实测值I_0i较计算值I_i大或河段上段实测值I_0i较计算值I_i小、下段实测值I_0i较计算值I_i大的情况，则该河段属于可能下切型河流；若出现河段实测值I_0i较计算值I_i小或河段上段实测值I_0i较计算值I_i大、下段实测值I_0i较计算值I_i小的情况，则该河段属于可能淤积型河流。

3.如权利要求2的变化环境下山前河流桥梁整体冲刷预测方法，其特征是：所述步骤(4)中，当桥梁处于较稳定区时，按常规方法计算桥梁局部冲刷和桥梁一般冲刷，不考虑河段整体冲刷影响。

4.如权利要求2的变化环境下山前河流桥梁整体冲刷预测方法，其特征是：所述步骤(4)中，当桥梁处于较不稳定区时，桥梁冲刷计算需考虑河段的整体失稳与冲刷问题，桥梁极限冲刷深度ΔH按下式计算：

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