基于绕行系数的明渠输水工程生产桥

李霞李少鹏顾光富秦丽娟任喜龙

摘要：生产桥设置间距会影响到南水北调中线干渠的输水能力，因此合理的生产桥布置须即能保证干渠的输水能力，又能满足两侧居民的生产生活需求。论文在对南水北调中线京石段生产桥布置合理性分析的基础上，提出了长距离明渠工程生产桥优化布设应遵循的一般原则；进而考虑不同桥梁间距对渠道输水能力的影响特性，结合最大绕行距离得到跨渠桥梁的最大间距，与公路桥统筹考虑，拟定生产桥布置备选方案，并进一步基于综合绕行系数最小原则，建立了生产桥布置决策模型，确定明渠输水工程生产桥的具体布设位置。最后以南水北调中线京石段李家庄桥和西杜村桥为例，简述了该方法在明渠输水工程实践中确定生产桥布置方案时的应用。基于综合绕行最小原则的布置方案决策模型适用于长距离输水渠道上生产桥的选址优化，应用前景广泛。

关键词：明渠输水工程；生产桥；输水能力；最大绕行距离；绕行系数

中图分类号：U641.2文献标志码：A文章编号：

16721683（2016）06015405

Decisionmaking model of optimal layout based on detouring coefficient for connection bridge in open channel water diversion project

LI Xia1，LI Shaopeng1，GU Guangfu2，QIN Lijuan3，REN Xilong4

（1.Civil & Transportation Institute of Hebei University of Technology，Tianjin 300410，China；2.Hebei Design Institute of Water Conservancy and Hydropower，Tianjin 300250，China；3.Hebei Academy of Fine Arts，Shijiazhuang 050700，China；4.Bei Fang Investigation，Design & Research CO.LTD，Tianjin 300222，China）

Abstract：The connection bridge spacing will influence the water conveyance capacity of the middle route of SouthtoNorth Water Transfer.Therefore，reasonable layout of the cross ditch bridge for residents on both sides should not only ensure the channel capacity but also cater for the daily needs of the residents at both sides.On the basis of the layout rationality analysis for the middle route of the SouthtoNorth Water Diversion project，this paper presented general principles of optimal layout about connection bridge on long distance open channel.And then，taking into account the influence of different characteristics of bridge spacing on channel capacity，the maximum distance of the cross ditch bridge was obtained combining with the longest tolerable detouring distance for residents，the connection bridge layout alternatives were drawn up，the layout decision model for selecting the site of connection bridges was established based on the principle of minimum synthetic detouring coefficient，and eventually the final specific location was determined.In the end，the method was applied to the case of the middle route of SouthtoNorth Water Transfer （from Beijing to Shijiazhuang），which was proved satisfying.Decisionmaking model of layout scheme，based on the principle of minimum synthetic detouring coefficient，has suitable and extensive application in site optimization of the connection bridge on long distance water transfer channel.

Key words：open channel water diversion project；connection bridge；water conveyance capacity；longest tolerable detouring distance；detouring coefficient

明渠输水工程隔断了渠道两侧的现状交通，公路桥的修建可恢复公路交通路网，但在人口村镇密集渠段，公路桥设置间距较大时，将给居民出行带来极大不便，故需在有利生产、方便生活的原则下，优化设置生产桥。生产桥布置位置合理与否，将直接影响居民的出行时间和出行便利性，跨渠桥梁设置间距合理与否，也将影响到渠道的输水能力[1]。本文在对典型明渠输水工程——南水北调中线工程上的生产桥设置合理性分析的基础上，通过对生产桥布置时需保证的跨渠桥梁最小间距、最大间距进行分析，提出了生产桥的备选方案拟定流程，进而建立了基于综合绕行系数的生产桥优化布置决策模型，实现对生产桥的设置位置和间距合理布置优化。

[BT（2+1]1[ZK（][JP+1]南水北调中线京石段生产桥设置合理性分析及布置建议[ZK）][BT）]

南水北调中线是国内代表性明渠长距离输水工程，京石段总干渠河北段全长2269 km，所经地区村镇密度较大，农用路网密集，为兼顾地方经济和交通事业的发展，共建设131座公路桥和110座生产桥，跨渠桥梁平均间距9414 m，间距小于600 m的桥梁达10处之多，桥梁数量偏多，桥梁间距较密。

从恢复原有交通功能的角度出发，对总干渠穿越的现有公路，均应修建跨渠公路桥，故跨渠桥梁的优化布置重点是生产桥的优化布设。南水北调工程设计审查过中，虽经多部门、多层次现场调查，对增设生产、生活便桥的必要性进行了论证研究，但因各级主管部门、地方政府、审查单位、沿线群众对生产桥的认识不一，且南水北调工程受国家政策影响较大，生产桥设置方案仍存在以下问题。（1）全线大部分渠段生产桥数量偏多，布设间距较密；局部渠段，又未能充分考虑居民不同出行方式下的可承受最大绕行距离，给该渠段两侧居民出行造成不便。（2）全线生产桥设置间距偏小，相关部门为了减少生产桥桥墩的阻水影响，不得不选择了建设成本较高的大跨径结构一跨过渠。（3）生产桥修建标准确定时，未能充分立足于道路的实际实用功能，致使部分生产桥超载超限严重。

基于此，过水断面较大的长距离明渠调水工程，生产桥布置方案决策时应遵循以下原则。（1）规划设计阶段应充分重视跨渠桥梁间距及生产桥设置位置的优化，需同时考虑总干渠的输水能力及居民的出行方便性要求。跨渠桥梁设置间距过小，桥墩的阻水影响较大，其结构选择时将不得不选择造价较高的大跨径桥梁，造成了不必要的经济浪费；设置间距过大，又给渠道两侧居民出行造成不便，增加绕行距离及出行时间。（2）生产桥的建设标准确定，应在相应道路的使用功能和使用主体详细调查的基础上，将公路桥和生产桥统筹考虑，对沟通村与村之间交通需求的生产桥、对公路桥设置间距大于机动车交通绕行距离时，考虑提高生产桥建设标准。不同出行方式下，居民可忍受最大绕行距离差异较大，而生产桥一般情况下修建标准较低，不能满足被截断机动车交通出行，一旦公路桥的设置间距超过机动车出行的可忍受最大绕行距离，将对生产桥埋下超载超限的隐患。

综上所述，生产桥的优化布置需根据跨渠公路桥的布置、渠道沿线村庄的分布和当地路网现状，从满足输水渠道水头要求、交通需求及经济合理的角度出发，充分考虑跨渠桥梁间距设置影响因素，构建生产桥布置决策模型，进行生产桥等级及设置位置的定量化研究。

2跨渠桥梁的设置间距研究

2.1跨渠桥梁的设置最小间距

目前，大多数长距离输水渠道修建时，往往一味考虑居民的出行方便性，逢路设桥，而明渠输水工程渠道宽度较大时，从经济角度考虑，其上设置的生产桥应选择多跨结构，桥墩入渠，必将缩小渠道的过水面积，增加局部水头损失，进而对渠道的输水能力造成不利影响。多跨跨渠桥梁设置间距越小，多个桥梁联合产生的阻水作用越明显。通过对不同桥梁间距下对渠道水位变化规律的研究发现[2]，桥梁结构形式既定情况下即相同桥梁阻水面积下，渠道输水能力的降幅与桥梁间距相关但呈非线性关系，当桥梁间距时l≥1 000 m，跨渠桥梁对干渠输水能力不会产生明显影响；当800 m≤l<1 000 m时，跨渠桥梁设置对渠道的输水能力影响较小；当600 m≤l<800 m时，桥梁间距变小，跨渠桥梁设置对输水能力的不利影响明显变大，当l≤600 m时，桥梁对渠道输水能力有非常显著的不利影响[3]。明渠输水工程确定跨渠桥梁最小间距时，可综合考虑渠道的性质、使用任务，渠道沿线的居民点分布及当地路网现状等因素，确定跨渠桥梁设置的最小间距。考虑南水北调供水工程的重要性，在保证公路桥设置的前提下，应将600 m作为南水北调中线跨渠桥梁的设置最小间距的参考数值，有条件的局部路段，跨渠桥梁设置最小间距宜大于800 m。

2.2跨渠桥梁的设置最大间距

跨渠桥梁布置间距偏小，势必影响渠道的输水能力，[JP2]间距偏大处又给渠道两侧居民的出行造成不便。在设置最小间距限制的前提下，生产桥的设置应根据跨渠公路桥的布置和渠道沿线村庄的分布，充分考虑各村镇的人口数量以及渠道两侧居民的出行特征，在有利生产、生活方便的原则下，优选将生产桥设置于居民横向穿越强度较大的地址，且跨渠桥梁设置间距应满足居民最大可忍受绕行距离的要求。

2.2.1最不利绕行点位置

如图1，A、B两点为渠道上的两相邻跨渠桥梁的拟定位置。[JP2]设相邻跨渠桥梁设置间距为l，渠道宽度为b，居民单次出行起点距跨渠桥梁A桥头A1的距离为x1，渠道对岸单次出行终点距跨渠桥梁A桥头A2的距离为x2，不同渠段渠道宽度b并不完全相同，但其相对于跨渠桥梁间距要小一些，可设为常数，结合图示可确定最不利绕行距离的绕行点位置[4]。

先假定居民出行的起讫点均紧挨跨线干渠，确定最不利绕行距离的出发点时，将出发点至同侧桥梁桥头的距离x1看作函数自变量。当x1≤l/2时，绕行距离y=x1+b+x2-[KF（]b2+（x2-x1）2[KF）]，因[SX（]dy[]dx1[SX）]=1+[b2+（x2-x1）2][SX（]1[]2[SX）]（x2-x1）>0，故绕行距离函数单调递增， 则x1取最大值l/2时，绕行距离最大；当l/2≤x1≤l时，绕行距离y=（l-x1）+（l-x2）+b-[KF（]b2+（x1-x2）2[KF）]，[SX（]dy[]dx1[SX）]=-1-[b2+（x1-x2）2]-[SX（]1[]2[SX）]（x1-x2）<0 ，故x1取最小值l/2时，绕行距离最大。因此，最不利出发点的位置应位于两相邻跨渠桥梁的中间位置E点。同理，可确定最不利绕行距离的终点位置也为两相邻跨渠桥梁的中间位置D点。

沿线居民出行的出发点和终点并不是紧贴跨线干渠，多数为GB1B2F的跨越，此时绕行长度距[JP2]离为GB1+b+B2F-FG，其值小于EB1+b+B2D-DE即相邻跨渠桥梁间距l，则可确定，最不利绕行情况是由两相邻跨渠桥梁中点C点的一侧D点绕行到另一侧E点，最大绕行距离为l。

2.2.2跨渠桥梁的设置最大间距确定

由两侧居民出行最不利的绕行情况下，最大绕行距离与相邻两跨渠桥梁间距一致。在最不利绕行起讫点存在的情况下，生产桥设置时，可与公路桥统筹考虑，跨渠桥梁间距即居民跨渠出行最大绕行距离不应大于居民可忍受的最大绕行距离[5]。出行方式不同，居民可忍受的最大绕行距离不同，因此，需根据当地居民的出行特征，计算居民可忍受综合最大绕行距离。

居民可忍受综合最大绕行距离如下：

dmax=d1j1+d2j2+…+dnjn[JY]（1）

[JP2]式中：d1、d2、…、dn为步行、自行车、电动车、摩托车、农用机械出行等出行方式下居民可忍受的最大绕行距离；j1、j2、…、jn为相应出行方式在居民总出行中所占的比重。具体参数取值需参照待优化渠段实际交通调查结果或出行强度相似地区调查结果取值。

渠段两侧的村镇居民点分布各异，最不利绕行情况不存在时，渠道两侧居民实际出行的最大绕行距离是小于生产桥布设间距的。故生产桥布设时，在满足居民实际出行绕行距离均小于居民可忍受综合最大绕行距离的前提下，生产桥设置最大间距可根据渠道两侧起讫点分布情况适当调整。

3生产桥布置备选方案确定

公路桥布置方案确定后，然后参照跨渠桥梁的设置最小间距和最大间距的要求，初步拟定跨渠桥梁数为n的生产桥布置方案，即在跨渠桥梁数为n的条件下，结合明渠输水工程渠道两侧地方路网的分布、地方社会经济水平、村镇密度等，拟定生产桥的所有可能布设位置和布设组合方案，n的初始值为1。针对某一跨渠桥梁数为n布置方案，将跨渠桥梁方案影响区域范围内的主要村镇质心位置[3]作为出行的起讫点，确定各出行起讫点之间的最短路径，并计算其最短绕行距离[6]，是否均不大于居民可忍受最大绕行距离，如均满足居民出行方便性的要求，则将该布设方案作为生产桥的布置备选方案。将所有生产桥数为的布置方案计算完毕后，如均不满足居民出行方便性的要求，则需将生产桥数增加为n+1，重新确定布置方案。生产桥布置备选方案拟定流程图见图2。

6结论

明渠输水工程跨渠桥梁优化布置设计时，为减小渠道对现状路网交通的影响，等级公路与渠道相交位置，均设置公路桥，而后为方便渠道两侧居民出行以及两侧地区的生产、生活，基于综合绕行系数最小的原则进行明渠输水工程生产桥布置方案设计，可有效避免生产桥选址的随意性，有利于做好地方等外路网的重新规划、调整，避免跨渠桥梁间距过大给居民出行造成不便，也可有效避免跨渠桥梁间距过小对渠道输水能力的不利影响，避免随意设置生产桥引起的工程费用增加；而且，将公路桥和生产桥统筹考虑，校核跨渠桥梁设置方案起讫点间最短路径是否满足机动车出行最大绕行距离要求，有助于确定哪些生产桥需要提高建设标准。总之，该方法可用于长距离输水渠道上生产桥设置间距、位置及等级的优化决策，必要时，公路桥布置也可参照该方法进行选址优化。

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