[发明专利]基于桥梁上下游水位差的桥墩绕流阻力等效糙率概化方法

说明书

基于桥梁上下游水位差的桥墩绕流阻力等效糙率概化方法，在桥墩的上游、桥墩处和下游建立1号至3号观测断面，通过1号至3号观测断面的水位Z₁、Z₂及Z₃、过水断面面积A₁、A₂及A₃、天然河道糙率n、流量Q，首先推求桥前水流收缩、桥下水流束窄引起的局部水头损失系数ζ_s、桥后水流扩散等引起的局部水头损失ζ_e和沿程水头损失h_f，然后计算桥墩绕流阻力引起的局部水头损失h_jF，反推获得桥墩绕流阻力等效糙率n_t，本发明从局部水头损失和沿程水头损失的分析入手，构建桥墩绕流阻力等效糙率反演方法，概化后的等效糙率能够用于桥梁集群后叠加壅水的经验计算、数值模拟和物理模型试验，有利于对桥墩阻力概化方法提供验证数据。

技术领域

本发明涉及一种等效糙率概化方法，具体涉及一种基于桥梁上下游水位差的桥墩绕流阻力等效糙率概化方法。

背景技术

“等效”一般是指不同的物理现象、模型、过程等具有相同的物理意义、作用效果或物理规律。对于水利工程领域的研究，“等效”作为一种常用的研究手段，是在物理效果相似或相同的前提条件下，改变问题研究的角度，用较简单的因素代替较复杂的因素，从而将陌生的、复杂的问题转换成熟悉的、易处理的问题，促进水利难点问题的简化求解。就河道糙率相关的问题而言，最典型的当属植被水流阻力的等效糙率研究，由于传统的曼宁公式不能直接用来计算水生植物引起的河道水流阻力增效部分，因而该问题在国内外都有广泛的研究。唐洪武，槐文信等从不同角度分别建立了等效综合曼宁糙率系数和等效植物附加曼宁系数的计算公式。蒋北寒等从细节上提出刚性植被等效附加阻力系数以及植被等效综合阻力系数的计算方法。郑爽等过水流的室内水槽系列试验和量纲分析理论，给出了淹没状态下含柔性水生植物河道的等效曼宁糙率系数经验公式。水生植物水流阻力等效糙率的提出，大大简化了此类河道植物阻水问题的分析，也为其他河道阻水建筑物的行洪影响分析，提供了参考。

涉水桥墩或桥墩群是另一种常见的河道阻水因素，其相对于阻水植物的阻水特性存在一定的差异性。河道水流流经涉水桥墩或桥墩群时，水流流线在桥墩的上游收缩、下游扩散，加上墩体本身的绕流阻力影响，使桥址处河段局部阻力增大，汛期时可能形成较为明显的桥梁上下游水位差。《河道管理范围内建设项目防洪评价报告编制导则(试行)》明确规定，“对占用河道断面，影响洪水下泄的阻水建筑物，应进行壅水计算”。但桥梁壅水计算复杂，桥墩形态与分布、河道压缩程度、河流上游行近流速、来流流量、下游水位、道糙率、河床底坡和桥址断面形状等都会影响壅水的高度，加上桩墩数值模拟计算中存在的“大水域、小尺度”的矛盾，以及天然桥梁壅水量级受物理模型比例尺的影响、难以通过室内试验精确测量等，导致经验公式之间、公式和试验、公式和数值计算结果等大多都存在一定的差异性。夏丽丽等在对不同跨河桥梁进行防洪评价审查的实际工作中发现：某些大桥的跨度、桥墩直径、来流条件等近似，例如桥跨30m，桥墩直径1.4～1.6m，阻水面积5％左右，有的评价报告计算的最大壅水高度5～8cm，而有些评价报告计算的壅水高度为15～20cm，使审查者难以判断其计算成果的合理性。