论河流与桥渡的相互影响

1论河流与桥渡的相互影响摘要：桥渡不仅在国民经济生活中发挥着积极的交通功能，在防洪、抢险与救灾的紧要关头也显示出强大的支撑作用。在跨河桥梁的工程设计、维护、管理中，需要研究桥梁结构与河流的相互作用关系，以保证桥梁设计的经济性和运用的安全性。本文旨在研究河流与桥渡的相互影响，并主要从河流对桥渡与桥渡对河流的影响两个方面展开讨论，详细阐述河流与桥渡之间的密切关系。关键词：河流；桥渡；冲刷；洪水河流是地球上水分循环的重要路径，对全球的物质、能量的传递与输送起着重要作用。而桥梁是陆上交通道路（包括铁路与公路）跨河的纽带，是长大交通干线安全运营的重要节点。河流与桥渡是跨河桥设计中的一对矛盾统一体，相互影响相互作用，因此在跨河桥梁的工程设计、维护和管理中，需要研究桥梁结构和河流之间的相互关系，根据河流的洪水情势及河床的冲淤变化等进行设计，以保证桥梁设计的合理性、经济性、安全性等。1.河流对桥渡的影响河流对桥渡的影响主要表现在以下三方面：指定频率的洪水大小、河型及河床演变的幅度和速度。1.1指定频率的洪水大小2由于流域内降雨或融雪，短时间内大量径流汇入河道，导致流量激增、水位上涨的水文现象，称为洪水。洪水多发生在每年的夏秋季，常以洪峰流量表示洪水的大小，它是年序列中的一个随机变量，年际间变化很大。例如，长江中游的宜昌水文站过流断面，2003年最大洪峰流量为29993/ms，而历史上的1870年为1050003/ms。每条河流的各断面流量在年内也是变化的，例如宜昌水文站年内最小流量为2000~30003/ms，而汛期流量可达数万立方米每秒。洪水的大小对桥渡的影响完全不同，大洪水的动力作用强，在桥墩、桥台等结构周围形成很强的绕流阻力，引起周围河床的强烈冲刷，对桥梁基础稳定性造成威胁。因此，设计洪水的大小是桥渡设计必不可少的一部分。表公路桥涵路基设计洪水频率1.1.1洪水对桥墩的冲刷作用由于桥梁及其附属建筑改变了原有河道的局部形态，使桥梁所在河道局部变窄，河床由于桥梁建筑的修建开挖有所扰动。当遭遇洪水季节，大量洪水携带相当量的泥沙以较快的速度自上而下，在桥梁所在处由于河道的突然变窄，过水断3面的面积减小，一方面会在距桥址上游一定距离内发生整体横段面的壅水，桥前壅水随来流量的增大而增加，且流量越大，比降越陡，壅水的影响范围就越小；不同的桥型在相同流量下，桥墩阻水面积比越大，水位变化就越大；在壅水的始发部位即临界过渡区，由于水流速的减小一部分泥沙会在重力作用下沉降，而在桥墩部位水流速增大，形成漩涡对桥墩基础造成很大冲刷，带走基石，久而久之使桥墩基础不稳固，有可能使桥墩受力不均或者下沉从而使桥梁桥面板受拉，由于钢筋混凝土抗拉能力小，造成桥面有裂隙甚至开裂断开造成严重危害。因此对于桥梁的维护就显得至关重要，如武汉长江大桥，建成至今有五十多年，每年都需对桥墩的加固，向桥墩周围抛填几百吨的岩石。除此之外，洪水还会对钢筋混凝土的产生气蚀。当很大的水流流速通过桥墩时，在桥墩表面处会产生真空压使水体有一部分汽化产生气泡与桥墩粗糙面接触时破裂巨大瞬间气压使表面水泥剥落，减弱了桥墩的抗渗性与抗侵蚀性，还会有一部分水体中有害物质进入桥墩与其内部的钢筋反应，从而破坏桥墩。1.1.2洪水漂浮物对桥梁的冲撞在有流水、漂木、泥石流等漂浮物的河流中，会增加桥墩额外的负担，对桥梁产生不利影响。在设计桥孔和布置桥墩时应特别慎重，在桥墩上游端设破冰凌或其他防护设施，有时还应考虑小型水库溃决造成的影响。1.2河型横跨河流的桥渡或者渡槽等过河建筑物，由于台墩和引堤对水流的束狭作用，使河道中的水流情况发生变化促使河床发生相应的淤积变形。这种冲淤在许多情况下会严重影响桥渡的正常运转，桥渡设计时，必须事先作出预测，对附近河段的自然演变特点以及建桥后可能发生的变化必须有明确的认识，并在经济又安全可靠的基础上，对桥渡的位置进行选择。41.2.1位于顺直微弯型河段的桥渡顺直微弯型河段的主要演变特点为：河槽中常常形成犬牙交错的边滩，在水流与河床的作用下，边滩不断向下游移动发展，深槽将出现与桥渡面的左右岸。其左右岸均可能发生严冲刷。1.2.2位于蜿蜒（弯曲）型河段的桥渡自然条件下蜿蜒型河段在流经桥渡的时候，在主流顶冲及弯道环流作用下，弯顶将不断崩塌下移，曲率半径将逐渐变小，甚至会发生自然裁弯。这类河段的深槽紧靠凹岸，河槽最深点一般出现在弯顶稍下游，由于水位变化所引起的顶冲点的变化和弯顶的后退下移，使最深点位置也发生改变。同时，由于曲率半径变小，深槽也会变得更深。在放任弯道自由发展的情况下，经过一段时间，桥渡断面的某一侧就要遭受较大冲刷。1.2.3位于游荡型河段的桥渡游荡型河段河道中洲滩棋布，汊道纵横，主槽变化快，河段极不稳定。这类河段随着主流的摆动，河槽横断面剧烈的变化，河渡所在断面的任何地方，都有可能变成深槽、心滩或边滩。若桥位桥位、桥孔设计不当，将会造成桥台冲毁、泄流孔易位等。由于游荡型河流的不稳定性，也可以通过一定的通过一定的治理将其转换为弯曲性河型。工程案例：黄河下游游荡型河道的河型转化河床堆积抬高和两岸不受约束，是造成黄河下游游荡性河型的基本原因。而其他因素如泥沙易冲易淤、洪峰猛涨猛落、流量变幅大、洪峰含沙量大等皆为辅5助因素。根据分析，游荡性河道转化的条件为：①改变来水来沙条件，减少冲刷能力。②加固河床边界，增强抗冲能力。当抗冲力大于冲刷力时，可使游荡性河流转化为稳定的河道。因此，可以通过水土保持、修建水库等措施，改变来水来沙条件而使游荡性河道转化；亦可在水沙条件大体不变情况下，通过修建河道整治工程等加固边界，提高抗冲能力使游荡性河道转化。①改变水沙条件，促使游荡性河道河型转化汉江自丹江口水库到汉口总长603km，其中丹江口至皇庄223km为游荡性河道，皇庄至汉口380km为蜿蜒河道。1959年建成丹江口水库，经1960~1967年滞洪运用、1968~1988年蓄水运用，丹皇段从游荡性河道转化为分汉型河道，皇汉段从蜿蜒河道变为微弯河型。②改变边界条件，促使游荡性河道河型转化在铁谢至高村游荡性河段，通过多年来不断的整治，已有3个河段的流路大体得到控制，分别是铁谢一伊洛河口、花园口一马渡、新店集一高村，这3个河段目前已基本表现出弯曲性河道的特性，主流线趋于弯曲，摆动范围大幅度减少。特别是铁谢一伊洛河口河段，位置在黄河下游游荡性河段的最上端，虽然河床比降相对更陡些，但在合理的河道整治工程作用下，河道的游荡摆动特性得到了有效的控制，基本上实现了河型由游荡性向弯曲性的转化。1.2.4分叉型河段的桥渡分叉河段多存在于较大河流中，下游河谷宽阔处，流量变幅不大，含沙量不高，其中水河槽，平面呈窄宽相同的莲藕状。窄段为单一河槽，水深较大。水流流出窄段进入宽段，由于河身比较宽广，有条件使边滩充分发育，在水流作用下，边滩被切割成江心滩，滩顶不断淤高并生长植物，就形成江心洲，将水流分成两股或者多股。汊道中水深较浅，在分叉口和回流口处会形成浅滩。江心洲在水流作用下，洲头不断后退，洲尾不断延伸，因此整个江心洲在不断缓慢下移，并由于此冲彼淤而产生横向摆动，在移动过程中，江心洲产生合并或分解。随着江心洲的冲淤变化，两岸将发生相应的崩塌和淤涨，同时岸线不断向弯曲发展，由于分沙情况的变化，各股汊道发生周期性的兴衰交替现象，一叉道的发展常伴随着另一汊道的衰退。61.3河床演变的幅度和速度河床形态在水流作用、泥沙运动条件下发生变化，并因此改变水、沙运动的过程，称为河流演变。演变的动力是水流，实质是泥沙运动，结果是河床变形，因此河流演变是水流、泥沙与河床相互作用的结果。天然河流河床演变是必然的，只是演变幅度和速度不同。相对于山区河流而言，平原河流的平面变形幅度和速度比较大，桥渡设计中如果对其估计不足，设计的桥长偏短或泄流孔位置不当等，则河流平面变形将会造成路基冲毁，以扩大泄流断面。因而河床演变的分析对桥渡的设计是必不可少的。1.3.1河流的水力特征（1）天然河流的水力学特征①水流非恒定：天然河道水流在大时间尺度上是非恒定流。可表示为：0tQ②水流为三维、非均匀流。可表示为：0xf，0yf，0zf③水流为二相流动水、泥沙分别属于液、固二相，且它们的密度、粘滞性、连续性明显不同，属于固液二相流动。④水、沙运动非平衡一般情况下，河道中的水、沙来量是不均衡的，不平衡是绝对的，平衡是相对的、短时的或短距离的。⑤水流、河床相互作用，不断变化受水沙不平衡影响，水流河床之间处于相互作用不断变化之中。水沙不平衡改变水流的边界条件，边界条件又来影响水流的运动。⑥河床阻力变化河床阻力包括了表面摩擦力、桥梁结构阻力和沙坡阻力，且沙坡阻力有时占有重要的比例。（2）桥渡河段水力学7跨河桥梁在河槽中设有路基、桥台、桥墩时，水流通道被侵占，过流断面面积减小，称为桥梁压缩。桥梁压缩引起的水流变化特点，可分三段描述：①桥孔断面，由于过流净宽减小，水流单宽流量和流速增大；②桥孔上游段，平面上水流调整流向，受阻局部流线弯曲，形成桥台头部绕流，受阻力影响，上游流速减小，水面壅水，形成壅水区域，有时在桥台与河岸相交的角落还会形成漩涡，接近桥孔处流速增大，形成较大的水面比降；③桥孔下游，过流断面迅速扩大，水流向边岸扩散，常形成回流。桥墩、台周围水流更具特点，平面表现为绕流，垂向具有强烈的流线弯曲，合成三维涡状流。除在平面上表现为绕流外，桥墩上游面，一定水深以下的水流遇桥墩形成向下的折冲水流，底部水流受河床面、桥墩、折冲流共同作用，形成马蹄形涡流。桥墩下游面，因水流分离，形成尾涡流。1.3.2泥沙运动河流中参与运动的不仅仅是水，还有泥沙由于泥沙的运动，才会导致河床演变。（1）泥沙的起动在水流作用下，床面泥沙颗粒失去平衡，由静止开始运动，称为泥沙的起动，它是泥沙运动和河床变形开始的临界状态。此时水流的垂线平均速度称为起动流速，用v0表示。我国常用的起动流速公式有张瑞瑾公式：5.072.0714.0)101005.66.17()(dhddhscU当泥沙处于斜坡上时，起动流速以上式乘以系数K表示，即ccKUU'若斜坡沿水流向下，起动流速减小，1K,若斜坡沿水流向上，则1K。桥渡在水中的结构会扰动水流，使这里的泥沙更容易起动，具有更小的起动流速，称为始冲流速，用scU表示且cscUU（2）泥沙的沉降泥沙沉降的速度与水沙密度差、泥沙粒径、流态、颗粒形状有关，可用下式计算：8gdwss72.1其中，s,分别为水，沙密度。1.3.3河流演变规律在一定水流条件下，河床上的泥沙颗粒失稳，并沿水流方向运动位移，则原位置河床面的高程降低，称为河床冲刷侵蚀。水流悬浮的泥沙固体颗粒，因液、固二相具有密度差，不能完全跟随水流运动时，则在其较大的重力作用下沉降。泥沙沉降至河床面，则河床高程升高，称为河床淤积。河床两岸的横向冲刷或淤积，使河床在平面上发生弯曲、顺直或游荡变形，称为河床的平面变形。2.桥渡对河流的影响桥渡结构中直接与河流接触的部分，是下部的桥台、桥墩、承台及其基础，大桥泄流孔长度以其两端的桥台控制，上部结构梁体通常以一定的净空远离水面。处于河流中的下部结构，对水流边界产生了影响，从而改变了局部水流状态。水流状态的改变又作用于河床，引起局部河床变形。桥渡对河流演变的影响主要表现为：①束窄过流断面，上游产生壅水，甚至洪水漫滩、改道，下流两岸淘刷，河流产生横向变形；②墩、台阻挡水流，使局部水流集中，动力增大，引起河床局部冲刷，即纵向变形；③墩、台强迫水流改变方向，导致河道主流迁移，主河槽左右摆动。2.1桥渡对河床演变的影响在自然情况下，河床演变的速率受自然演变控制，而桥渡河段的河床演变除了9自然演变以外，还有桥渡扰流形成的演变，以河床纵向冲刷为主。桥渡引起的冲刷现象，几乎是耦合发生的，时间上难以截然分开，但因其冲刷机理有明显的不同，在工程设计中，为了计算方便，将冲刷分解为两种。2.1.1一般冲刷河上建桥，桥孔压缩水流，导致桥孔上游水流急剧集中地流入桥孔，桥下流水断面因压缩而减小，在桥孔稍下游处形成收缩断面，为通过建桥前同样大