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摘要：结合偃师西环伊洛河特大桥水工模型实验，介绍了水工模型实验的设计制作及实验对设计的指导作用。
关键词：水工模型；实验；特大桥；设计
中图分类号：U466.1文献标识码：A文章编号：
一、引言
水利工程模型实验是用模型来模拟自然的地型、地物和水工结构，用比拟的水流量来验证设计的水工结构物的可靠性，并用实验取得的数据来指导水工结构物的设计与施工。其在中国大型水利工程建设设计中应用较多，但在高等级公路设计中应用较少。在偃师西环伊、洛河特大桥设计中，由于线位处于伊洛河夹河滩，洛河桥位于滞洪区范围，水文条件非常复杂，专家对两个桥的长度及夹河滩段路堤行洪防护意见分岐较大，为此决定通过水工模型实验来验证设计方案的合理性。
二、 问题的提出
偃师西环路由偃师市东效杨湾村西自北向南跨越洛河、伊河和两河间夹滩地区，洛河桥位于焦枝铁路洛河桥下游3.2km处，原方案为27m×30m预应力空心板桥，伊河桥位于焦枝铁路伊河桥下游4.5km处，原方案为25m×30m预应力空心板桥，两桥间以7km路堤相连，见图1。此段地形南高北低，洪水漫滩流势复杂，伊、洛河两岸均设有堤防，但标准不高、质量较差，遇较大洪水均可能发生决口。
图1 地理位置
在规划选线阶段曾由洛阳水利勘测设计院进行水文计算，由于桥址河段伊河、洛河洪水交汇，遇特大洪水伊、洛河夹滩滞洪区的自然决溢，伊河洪水沿路堤北上倒灌洛河，伊、洛河桥下游河道逐年淤积抬高，两岸河滩地和植树造林，降低了河道排洪能力，增加了大堤决口机率，这些都会对伊洛河桥及夹滩路堤处水位产生影响，并对伊、洛河特大桥及夹河滩路堤的设计起控制作用，而且这些影响仅靠资料分析难以确定，因此须开展长河段的水工模型试验，详细模拟地形、地物并进行各种条件下的洪水演进，以便获得较为准确的成果。
试验任务：（1）确定伊河、洛河及夹河滩的水位及流速分布，采用洪水组合为伊河0.3%+洛河0.3%，伊河1%+洛河1%；（2）对焦枝铁路至伊河桥段伊河堤加固到百年一遇防洪标准情况下，伊河0.3%+洛河0.3%，伊河1%+洛河1%组合，沿堤及桥位处的水位及流速分布；（3）相同洪水组合情况下，洛河桥1568m桥长，816m桥长两种方案桥位处水位、流速分布及河道变形。
三、模型设计与制作
3.1模型相似条件
试验为局部动床模型试验，原型水流虽挟带一定悬移质泥沙，但绝大部分为冲泻质，并不直接参与河床变形，而推移质运动则是造成河床冲淤变形的主导因素，动床部分按推移质进行模型设计。模型参考文献进行设计，不仅考虑水流运动相似和泥沙运动相似两部分，还要兼顾河型相似条件。水流运动相似需依据重力相似和乞求力相似条件，由重力相似条件可分别推出流量比尺λQ、时间比尺λt、流速比尺λv和水平、垂直几何比尺λL、λh。由阻力相似条件可得出糙率系数比尺λn。
泥沙运动相似必须使泥沙满足起动相似条件、单宽输沙率相似条件，即可求出泥沙粒径比尺λd、起动流速比尺λul、单宽输沙率比尺λqt、冲淤时间比尺λt2。模型选用比尺汇总见表1。
表1模型比尺汇总表
3.2模型制作、量测
模型制作精细，注意近岸地物、浅滩及滩地构筑物逼真，特别是河道内微地型及岸边阻水处，除依据实测地形图外，还加强现场勘察。两河上桥梁严格按设计图（旧桥现场量测）精细制作。
模型进口由50m长的管道将水流输入量水堰内，通过矩形薄壁进行量测。模型入口处设有10m长消力池，使水流平顺地进入模型，模型沙采用煤厂生产精煤屑和碎石加糙。
模型的尾水位控制，采用稳水效果好、操作方便的插板式尾门，将尾水位最大误差控制在0.5mm以内，水位测量采用固定测针及滑动测针测量，流速场采用浑水流速仪测量。
四、验证及试验
为确保试验的准确性，利用已有1982年伊洛河洪水资料，对模型进行验证，以检验模型设计的合理性，保证试验的可靠性。经验证同1982年洪水相比，上下游水位曲线基本符合，但水位普遍高30～50cm，这是由于1998年地形较1982年河床均抬高50cm左右，表明模型河床地形相似性好，加糙适当，满足水流阻力相似条件。又和洛河白马寺水文站1982年实测流速进行对比，模型实测最大流速6.04m/s，平均流速5.01m/s，计算最大洪峰流量5428m3/s，实测资料最大流速6m/s，平均流速4.99m/s，最大洪峰流量5380m3/s，模型与实测值基本符合。从淹没范围看，模型所体现淹没范围与1982年水淹范围基本一致。
试验设计洪水组合有正常年份洪水、百年一遇洪水及三百年一遇洪水，根据方案比较及洪水组合共进行了8组试验。
五、试验结果及设计指导
试验结果和原计算结果对比如表2。
（1）从结果对比可看出洛河桥实验水位比计算水位降低了3.4m。伊河桥实验水位比计算水位降低了2.03m，这样就不仅降低了桥高，同时桥头填土高度也大大降低，可降低造价约662万元。
表2试验成果对比表
（2）洛河桥位于洛河滞洪区范围，两岸现有间距约2km，設计初期对洛河桥（27×30）816m桥长和（52×30）1566m桥长两个方案争议较大。从试验结果看：816m桥长，壅水高度0.6m，壅水长度1100m；1566m桥长，壅水高度0.35m。短桥长壅水增加不多，对上游工程无影响。1566m桥长，河势与无桥基本一致，816m桥长，桥位上游河槽右侧滩地上主流略向左偏移，右侧路堤前后水流缓慢，对滩内路堤没有大的冲刷。在设计中将桥向右岸增加了3孔，桥长增加为906m，同时对左岸路堤及桥台进行了部分防护。伊洛桥因考虑对左岸大堤进行加固，不考虑洪水漫溢大堤，所以设计时将堤外2孔减去移至洛河桥，两桥共减少桥长720m，降低造价约1800万元。伊河桥从试验看，建桥前后冲淤形态变化不大，大水时有桥无桥河势基本一致，证明伊河桥桥位是合理的。
（3）焦枝铁路与洛界高速公路夹河滩路堤间距2～3km，之间有较多村镇和良田，现有此段伊河堤为20年一遇防洪能力，20年一遇以上洪水均会发生漫溢决堤，为保护此段村镇及焦枝铁路、偃师西环路安全，计算和试验时均考虑了对伊河左岸大堤加固至百年一遇搞洪能力的方案。百年一遇伊河洪水位计算和试验结果分别为135.7和134.45，降低了1.25m，使此段3km大堤加固高度大大降低。从对夹河滩村镇保护、高速路路堤高度、行洪防护等方面综合考虑，决定采用加固此段伊河堤的方案，同时夹河滩约7km的路堤标高可大大降低，并不必增加过洪涵洞和沿路堤防护，又降低造价约1200万元。
因伊河桥壅水高0.65m，长度750m，为不降低现有堤防标准，对右岸大堤桥上游750m进行了加高，从水流走势看左岸冲刷较大，在左岸大堤加固设计中也对此部分加强了防护。
从本试验结果可看出，试验的经济效益是显著的，对桥长、桥位、桥面高度的合理确定，具有极大的指导意义。应该说对高等级公路跨越大江大河特别是水文条件复杂的河段的特大桥，很有必要用水工模型实验来验证方案的合理性，来具体指导大桥和引道设计。
参 考 文 献
〔1〕赵业安，张红武，张俊华.偃师西环路伊河、洛河特大桥及夹河滩路堤设计水文泥沙分析报告。黄委会黄河水利科学研究院，2010。
〔2〕李昌华，金德春.河工模型实验。人民交通出版社，1987。
〔3〕吴铁林，查斌，伊延武.偃师西环路伊河、洛河特大桥水文计算报告。洛阳水利勘测设计院报告，2010。
关键词：水工模型；实验；特大桥；设计
中图分类号：U466.1文献标识码：A文章编号：
一、引言
水利工程模型实验是用模型来模拟自然的地型、地物和水工结构，用比拟的水流量来验证设计的水工结构物的可靠性，并用实验取得的数据来指导水工结构物的设计与施工。其在中国大型水利工程建设设计中应用较多，但在高等级公路设计中应用较少。在偃师西环伊、洛河特大桥设计中，由于线位处于伊洛河夹河滩，洛河桥位于滞洪区范围，水文条件非常复杂，专家对两个桥的长度及夹河滩段路堤行洪防护意见分岐较大，为此决定通过水工模型实验来验证设计方案的合理性。
二、 问题的提出
偃师西环路由偃师市东效杨湾村西自北向南跨越洛河、伊河和两河间夹滩地区，洛河桥位于焦枝铁路洛河桥下游3.2km处，原方案为27m×30m预应力空心板桥，伊河桥位于焦枝铁路伊河桥下游4.5km处，原方案为25m×30m预应力空心板桥，两桥间以7km路堤相连，见图1。此段地形南高北低，洪水漫滩流势复杂，伊、洛河两岸均设有堤防，但标准不高、质量较差，遇较大洪水均可能发生决口。
图1 地理位置
在规划选线阶段曾由洛阳水利勘测设计院进行水文计算，由于桥址河段伊河、洛河洪水交汇，遇特大洪水伊、洛河夹滩滞洪区的自然决溢，伊河洪水沿路堤北上倒灌洛河，伊、洛河桥下游河道逐年淤积抬高，两岸河滩地和植树造林，降低了河道排洪能力，增加了大堤决口机率，这些都会对伊洛河桥及夹滩路堤处水位产生影响，并对伊、洛河特大桥及夹河滩路堤的设计起控制作用，而且这些影响仅靠资料分析难以确定，因此须开展长河段的水工模型试验，详细模拟地形、地物并进行各种条件下的洪水演进，以便获得较为准确的成果。
试验任务：（1）确定伊河、洛河及夹河滩的水位及流速分布，采用洪水组合为伊河0.3%+洛河0.3%，伊河1%+洛河1%；（2）对焦枝铁路至伊河桥段伊河堤加固到百年一遇防洪标准情况下，伊河0.3%+洛河0.3%，伊河1%+洛河1%组合，沿堤及桥位处的水位及流速分布；（3）相同洪水组合情况下，洛河桥1568m桥长，816m桥长两种方案桥位处水位、流速分布及河道变形。
三、模型设计与制作
3.1模型相似条件
试验为局部动床模型试验，原型水流虽挟带一定悬移质泥沙，但绝大部分为冲泻质，并不直接参与河床变形，而推移质运动则是造成河床冲淤变形的主导因素，动床部分按推移质进行模型设计。模型参考文献进行设计，不仅考虑水流运动相似和泥沙运动相似两部分，还要兼顾河型相似条件。水流运动相似需依据重力相似和乞求力相似条件，由重力相似条件可分别推出流量比尺λQ、时间比尺λt、流速比尺λv和水平、垂直几何比尺λL、λh。由阻力相似条件可得出糙率系数比尺λn。
泥沙运动相似必须使泥沙满足起动相似条件、单宽输沙率相似条件，即可求出泥沙粒径比尺λd、起动流速比尺λul、单宽输沙率比尺λqt、冲淤时间比尺λt2。模型选用比尺汇总见表1。
表1模型比尺汇总表
3.2模型制作、量测
模型制作精细，注意近岸地物、浅滩及滩地构筑物逼真，特别是河道内微地型及岸边阻水处，除依据实测地形图外，还加强现场勘察。两河上桥梁严格按设计图（旧桥现场量测）精细制作。
模型进口由50m长的管道将水流输入量水堰内，通过矩形薄壁进行量测。模型入口处设有10m长消力池，使水流平顺地进入模型，模型沙采用煤厂生产精煤屑和碎石加糙。
模型的尾水位控制，采用稳水效果好、操作方便的插板式尾门，将尾水位最大误差控制在0.5mm以内，水位测量采用固定测针及滑动测针测量，流速场采用浑水流速仪测量。
四、验证及试验
为确保试验的准确性，利用已有1982年伊洛河洪水资料，对模型进行验证，以检验模型设计的合理性，保证试验的可靠性。经验证同1982年洪水相比，上下游水位曲线基本符合，但水位普遍高30～50cm，这是由于1998年地形较1982年河床均抬高50cm左右，表明模型河床地形相似性好，加糙适当，满足水流阻力相似条件。又和洛河白马寺水文站1982年实测流速进行对比，模型实测最大流速6.04m/s，平均流速5.01m/s，计算最大洪峰流量5428m3/s，实测资料最大流速6m/s，平均流速4.99m/s，最大洪峰流量5380m3/s，模型与实测值基本符合。从淹没范围看，模型所体现淹没范围与1982年水淹范围基本一致。
试验设计洪水组合有正常年份洪水、百年一遇洪水及三百年一遇洪水，根据方案比较及洪水组合共进行了8组试验。
五、试验结果及设计指导
试验结果和原计算结果对比如表2。
（1）从结果对比可看出洛河桥实验水位比计算水位降低了3.4m。伊河桥实验水位比计算水位降低了2.03m，这样就不仅降低了桥高，同时桥头填土高度也大大降低，可降低造价约662万元。
表2试验成果对比表
（2）洛河桥位于洛河滞洪区范围，两岸现有间距约2km，設计初期对洛河桥（27×30）816m桥长和（52×30）1566m桥长两个方案争议较大。从试验结果看：816m桥长，壅水高度0.6m，壅水长度1100m；1566m桥长，壅水高度0.35m。短桥长壅水增加不多，对上游工程无影响。1566m桥长，河势与无桥基本一致，816m桥长，桥位上游河槽右侧滩地上主流略向左偏移，右侧路堤前后水流缓慢，对滩内路堤没有大的冲刷。在设计中将桥向右岸增加了3孔，桥长增加为906m，同时对左岸路堤及桥台进行了部分防护。伊洛桥因考虑对左岸大堤进行加固，不考虑洪水漫溢大堤，所以设计时将堤外2孔减去移至洛河桥，两桥共减少桥长720m，降低造价约1800万元。伊河桥从试验看，建桥前后冲淤形态变化不大，大水时有桥无桥河势基本一致，证明伊河桥桥位是合理的。
（3）焦枝铁路与洛界高速公路夹河滩路堤间距2～3km，之间有较多村镇和良田，现有此段伊河堤为20年一遇防洪能力，20年一遇以上洪水均会发生漫溢决堤，为保护此段村镇及焦枝铁路、偃师西环路安全，计算和试验时均考虑了对伊河左岸大堤加固至百年一遇搞洪能力的方案。百年一遇伊河洪水位计算和试验结果分别为135.7和134.45，降低了1.25m，使此段3km大堤加固高度大大降低。从对夹河滩村镇保护、高速路路堤高度、行洪防护等方面综合考虑，决定采用加固此段伊河堤的方案，同时夹河滩约7km的路堤标高可大大降低，并不必增加过洪涵洞和沿路堤防护，又降低造价约1200万元。
因伊河桥壅水高0.65m，长度750m，为不降低现有堤防标准，对右岸大堤桥上游750m进行了加高，从水流走势看左岸冲刷较大，在左岸大堤加固设计中也对此部分加强了防护。
从本试验结果可看出，试验的经济效益是显著的，对桥长、桥位、桥面高度的合理确定，具有极大的指导意义。应该说对高等级公路跨越大江大河特别是水文条件复杂的河段的特大桥，很有必要用水工模型实验来验证方案的合理性，来具体指导大桥和引道设计。
参 考 文 献
〔1〕赵业安，张红武，张俊华.偃师西环路伊河、洛河特大桥及夹河滩路堤设计水文泥沙分析报告。黄委会黄河水利科学研究院，2010。
〔2〕李昌华，金德春.河工模型实验。人民交通出版社，1987。
〔3〕吴铁林，查斌，伊延武.偃师西环路伊河、洛河特大桥水文计算报告。洛阳水利勘测设计院报告，2010。