一种河道内桥墩有效阻水比的快速自动分析方法与流程

本发明涉及一种河道中桥墩有效阻水比率的快速自动分析方法，属于河流动力学及涉水建筑物水动力影响论证技术领域。

背景技术：

随着交通运输业的迅速发展，桥梁建设项目日益增多，河道内的这些桥墩占用了河道的过水断面，对水流产生阻滞作用，桥墩占用过水断面有效面积与原过水断面面积之比即为桥墩有效阻水比。有效阻水比定量反映了桥墩对水流的阻流情况，也可定性地反映出桥墩对所在河道水流动力的影响，在桥梁建设方案优选及可行性论证中具有十分重要的意义。

桥墩有效阻水比影响因素众多，不仅与桥墩形态、跨度、河宽、水流条件等密切相关，还受桥轴线与水流交角影响明显，在这些因素影响下，每个桥墩的阻水情况各异，需要逐一分析。传统的桥墩有效阻水比计算，往往采用手动方法：根据主流向选择参考过流断面后，结合河道地形及分析水位算出该水位下的过流面积；然后根据桥墩形态逐一过桥墩边缘作过流断面垂线，结合分析水位计算出桥墩的投影面积，最后计算出分析水位下的有效阻水比率。传统方法耗时耗力，不仅计算效率低，而且计算效率及准确度均受计算人员技能熟练度影响较大，从而计算结果可信度极不稳定。为满足桥墩阻水分析需求，发展一种河道内桥墩有效阻水比的快速自动分析方法，实现桥墩有效阻水比的快速准确计算是十分必要的。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服河道内桥墩有效阻水比计算方法步骤复杂、效率低下、准确度受计算人员技能熟练度影响大等不足，提供一种河道内桥墩有效阻水比的快速自动分析方法，实现河道内桥墩阻水比的自动化计算，提高其效率和精度。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种河道内桥墩有效阻水比的快速自动分析方法，包括以下步骤：

步骤s1、对包含n个桥墩的桥梁桥墩所在河段的岸线及一定范围(包含所有桥墩及可能的阻水分析断面)内水下地形进行预处理，生成地形三角网，设定阻水比分析水位z；

步骤s2、确定该河段主流线及阻水比分析参考过流断面，计算过水断面面积s总。

具体过程如下：

步骤s21、河段主流线可以从三方面获得，一是历史实测水流流速资料，二是模型试验或计算成果，三是直接根据滩槽格局，由主槽走向粗略判定。

步骤s22、过桥轴线与主流线交点作主流线的垂线，由该垂线在河岸之间的线段(记作lab)向河床作切面，所得剖面即为参考过水断面，lab即为过水断面顶线段。

步骤s23、计算过水断面面积s总：记lab两个端点坐标分别为a(a1,b1)、b(a2,b2)，对过水断面顶线段lab进行节点加密，采用距离dl_jm控制加密幅度，一般取dl_jm≤桥墩最小宽度。

步骤s24、由地形三角网对加密所得各节点进行插值，求得各节点高程hl_jm(m)，其中，各节点的坐标记为(xl(m),yl(m))，m为节点编号，节点总数记为ml。结合分析水位z，计算得各节点水深hl_jm(m)，进一步计算出过水断面面积：

hl_jm(m)＝z-hl_jm(m)，

步骤s3、将桥墩平面轮廓图及过水断面顶线段lab为整体进行坐标转换。

具体过程如下：

步骤s31、以端点a为轴，将桥墩和过水断面顶线段lab为整体进行旋转，旋转夹角：

步骤s32、转换后的平面以水流线为垂直y轴，以过水断面lab为水平x轴，过水断面顶线lab方程为y＝b1(b1为已知常数)。

步骤s4、在转换后平面系统中，将每个桥墩的阻水端点投影至过水断面，得到桥墩有效阻水区域的投影段集合。

具体过程如下：

步骤s41、在转换后平面系统中，对每一个桥墩：提取桥墩轮廓线节点x轴坐标xlk(n,i)，n、i分别为桥墩和桥墩轮廓线节点编号，表示第n个桥墩的第i个节点，n∈1,n，i为大于3的任意整数，简便起见取最大值为1000；将轮廓线节点x轴坐标值xlk(n,i)按大小排序，搜索出x轴坐标值最小和最大的两个节点，即为该桥墩的阻水端点，其x轴坐标值分别记录为xnmin和xnmax，将此二端点投影至过水断面，其垂足可表示为sn(xnmin,b1)、en(xnmax,b1)。

步骤s42、将各对垂足按sn值大小排序，然后根据每个桥墩阻水端点的垂足sn和en确定每个桥墩对应的阻水投影线段，即为sn和en之间线段，n个桥墩合计得到n个投影线段ls1e1～lsnen；

步骤s43、对排序后的n个投影线段的端点(即n对垂足)进行搜索对比，去除投影后重叠部分，得到过水断面上桥墩有效阻水区域的顶线段(简称有效阻水段)集合，具体流程如下(参见图2)：

首先，设置有效阻水段总数nr初始值为n；

其次，对于n对垂足进行逐一判别，以第k对垂足((sk,ek)k∈1,n)为例：

依次对其后(j＝k+1,n)各对垂足，判断：sj是否介于sk和ej-1之间？

若否，则[sk,ej-1]为桥墩有效阻水区域在过水断面的投影，即为一个有效阻水段，进入下一对垂足判断k＝j；

若是，则有效阻水段总数nr-1，数据指针j＝j+1，对下一对垂足重复上述判断，至j＝n时截止。

步骤s433、得到nr个有效阻水段[xs(r),xe(r)]，共nr对端点，始、终端点坐标分别为(xs(r),b1)、(xe(r),b1)，其中r∈1,nr。

步骤s5、计算桥墩在过水断面上的投影面积s阻。

具体执行过程如下：

步骤s51、将nr个有效阻水段起止端点坐标反变换至原坐标系下；

各有效阻水段坐标反变换：

起始端点变换公式为：

终止端点变换公式为：

s52、对原坐标系下各投影线段进行节点加密，每段节点总数记为nvr，采用距离dr_jm(r)控制加密幅度，取dr_jm(r)≤线段对应桥墩宽度/2.0；

s53、对于原坐标下的nr个投影线段，由地形三角网对加密所得各节点进行插值，各节点坐标记为(xr(r,f),yr(r,f)，r＝1,…,nr，f＝1,…,nvr)，求得各节点高程hr_jm(r,f)，结合分析水位z，计算得各节点水深hr_jm(r,f)，进而计算得到有效阻水区域面积，公式如下：

hr_jm(r,f)＝z-hr_jm(r,f)

步骤s6、计算分析z水位下的桥墩有效阻水比，绘制阻水剖面图。

具体过程如下：

步骤s61、根据桥墩有效阻水比计算公式：r有效＝s阻/s总×100％，计算分析水位z下的有效阻水比。

步骤s62、根据过水断面顶线段lab节点坐标(xl(m),yl(m)，m∈1,ml)计算各节点至起始端点a的距离dis(m)：

起始点距离dis(1)＝0；

第2～nl节点距离：

步骤s63、根据过水断面顶线段lab的距离-高程((dis(m),hl_jm(m))，m∈1,ml)信息绘制过水断面剖面图；

步骤s64、确定nr个有效阻水段各端点((xs(r),xe(r)),r∈1,nr)的距离-高程信息，各端点距离即为转换坐标系下各端点的x坐标值，阻水段各端点高程h阻即为桥墩设计顶高程，可取任一高于分析水位的常数。

步骤s65、根据上述距离-高程信息绘制阻水断面数据系列，添加至过水断面剖面图，生成阻水断面剖面图。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

本发明克服河道内桥墩有效阻水比计算方法步骤复杂、效率低下、准确度受计算人员技能熟练度影响明显等不足，提供一种河道内桥墩有效阻水比的快速自动分析方法，实现河道内桥墩阻水比的自动化计算，提高其效率和精度。

附图说明

图1是本发明公开的一种河道内桥墩有效阻水比快速自动分析方法的步骤图；

图2是本发明中对各对桥墩投影线段进行重叠性分析获得有效阻水段的流程图；

图3是本发明实例桥墩平面布置图；

图4是实例工程水域水下地形及散点图；

图5是实例中工程水域生成的水下地形三角网；

图6是实例中过流断面lab位置图；

图7是实例中以过水断面端点a为顶点，以lab为轴的坐标转换图；

图8是实例中6号墩轮廓线节点与投影垂足对应关系图；

图9是实例中所有桥墩投影线段及细节图；

图10是实例中绘制工程前过流断面图；

图11是实例中绘制桥墩阻水断面图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例：

针对蕉门南支水道某桥梁设计方案进行有效阻水比分析，本实例中在近西岸的主槽两侧布有2组主墩，在近东岸的浅滩区设有3组边墩，所有桥墩均采用分离式上下分幅布置，主墩单墩平面为矩形，尺寸9.5×14.5m，边墩单墩平面为圆角矩形，尺寸6×10m，桥墩设计顶高程为13.5m，桥墩平面布置如图3所示，设定分析水位为0m。

如图1所示，本发明一种河道内桥墩有效阻水比的快速自动分析方法具体包括以下步骤：

步骤s1、对拟建桥墩所在蕉门南支河段的岸线及一定范围(包含所有桥墩及可能的阻水分析断面，本实例中所取范围为桥梁上游238m至下游302m)内水下地形进行预处理，得到工程水域水下地形及散点如图4所示，并生成地形三角网如图5所示；

步骤s2、确定工程所在河段的主流线及阻水比分析参考过流断面，计算过水断面面积s总。

步骤s21、根据历史流速资料(主要参考主槽水域)确定该河段主流线，本例中工程河段主流线方向约为正南偏东14.68°。

步骤s22、过桥轴线与主流线的交点作主流线的垂线，该垂线与河岸两侧堤岸交点分别记为a(a1,b1)、b(a2,b2)，过线段lab向河床作切面，所得剖面即为参考过水断面，平面图中以其顶线lab表示，如图6所示。线段lab各端点坐标为已知量，本例中，a1＝38456410.8002；b1＝2512955.3689；a2＝38457253.0768；b2＝2513175.9547。

步骤s23、计算过水断面面积s总：对过水断面顶线段lab进行节点加密，采用距离dl_jm控制加密幅度，一般取dl_jm≤桥墩最小宽度，本例中桥墩最小宽度为6m，将线段lab均匀加密为201(nl)个节点(坐标记为(xl(i),yl(i)),i＝1,201)，加密幅度dl_jm约为4.3534m。

步骤s24、由地形三角网对加密所得各节点进行插值，其中，各节点的坐标记为(xl(m),yl(m))，m为节点编号，节点总数记为ml，求得各节点高程hl_jm(m)，即可得0m下水深hl_jm(m)，进一步计算出过水断面面积：

hl_jm(m)＝0-hl_jm(m)，

计算得本例中工程位置过水断面面积s总为4171.71m²。

步骤s3、将桥墩平面轮廓图及过水断面顶线段lab为整体进行坐标转换，如图7所示。

步骤s31、以端点a为轴，将桥墩和过水断面顶线段lab为整体进行旋转，旋转夹角：该角度相等于主流线与正南向的夹角，为14.68°。

步骤s32、转换后的平面以水流线为垂直y轴，以过水断面为lab水平x轴，过水断面顶线lab方程为y＝b1＝2512955.3689。

步骤s4、在转换后平面系统中，将每个桥墩的阻水端点投影至过水断面，得到桥墩有效阻水区域的投影段集合。

步骤s41、在转换后平面系统中，对每一个桥墩：提取桥墩轮廓线节点x轴坐标(xlk(n,i)，n、i分别表示第n个桥墩的第i个节点，本例中河道内共有10个桥墩，n值最大为10，i为大于3的任意整数，本例中i最大值为100。将轮廓线节点x轴坐标值xlk(n,i)按大小排序，搜索出x轴坐标值最小和最大的两个节点，即为该桥墩的阻水端点，其x轴坐标值分别记录为xnmin和xnmax，将此二端点投影至过水断面，其垂足可表示为sn(xnmin,b1)、en(xnmax,b1)。

以桥墩轮廓较为复杂的6号墩为例，其各节点坐标xlk(n,i)见表1所示。

表16号墩轮廓线节点x坐标

经排序分析，6号墩轮廓线各节点中x值最小的为第35个节点xlk(6,35)，x值最大的为第13个节点xlk(6,13)，则有x6min＝xlk(6,35)＝38457092.24，x6max＝xlk(6,13)＝38457098.53，则6号墩投影垂足为s6(38457092.24,2512955.3689)、e6(38457098.53,2512955.3689)，如图8所示。

步骤s42、本桥梁方案共有10个桥墩位于河道内(n＝10)，则有10对垂足((sn,en),n＝1,10)，将各对垂足按sn值大小排序，相应地，得到10个投影线段ls1e1、ls2e2、ls3e3、ls4e4、ls5e5、ls6e6、ls7e7、ls8e8、ls9e9、ls10e10(下标s1、e1为线段端点，即垂足，其它同)，但这些线段可能存在相互重叠，并非都形成有效阻水断面，如ls1e1和ls2e2之间存在重叠部分线段(s2,e1)，如图9所示。

步骤s43、对10个投影线段的起止端点(也就是所有的垂足)进行搜索对比，去除投影后重叠部分，得到过水断面上桥墩实际阻水区域的顶线段(简称有效阻水段)集合，具体流程如下，参见图2：

首先，设置有效阻水段总数nr初始值为nr＝10；

其次，对于10对垂足进行逐一判别：

对于(s1,e1)判断，s2介于s1和e1之间否？是，则ls1e2为有效阻水段，有效阻水段总数nr＝9，数据指针j＝3；

对于(s3,e3)判断，s4介于s3和e3之间否？是，则ls3e4为有效阻水段，有效阻水段总数nr＝8，数据指针j＝5；

对于(s5,e5)判断，s6介于s5和e5之间否？是，则ls5e6为有效阻水段，有效阻水段总数nr＝7，数据指针j＝7；

对于(s7,e7)判断，s8介于s7和e7之间否？是，则ls7e8为有效阻水段，有效阻水段总数nr＝6，数据指针j＝9；

对于(s9,e9)判断，s10介于s9和e9之间否？是，则ls9e10为有效阻水段，有效阻水段总数nr＝5，数据指针j＝11，j>n，结束判断程序。

最后，得到5个有效阻水段，ls1e2、ls3e4、ls5e6、ls7e8、ls9e10，nr＝5。

步骤s5、计算桥墩在过水断面上的投影面积s阻；

步骤s51、将5个有效阻水段起止端点坐标反变换至原坐标系下；

各有效阻水段坐标反变换：

起始端点变换公式为：

终止端点变换公式为：

本例中，nr＝5，a1＝38456410.8002；b1＝2512955.3689；a2＝38457253.0768；b2＝2513175.9547，θ＝14.68°。

步骤s52、对原坐标系下r(＝5)个投影线段进行节点加密(每段节点总数记为nvr,r＝1,6))，采用距离dr_jm(r)控制加密幅度，dr_jm(r)≤线段对应桥墩宽度/2.0，本例中每投影段均分为5段，统一nvr＝6，dr_jm(r)取值分别为3.362m、3.362m、1.51m、1.512m、1.512m。

步骤s53、对于原坐标下的5个投影线段，由地形三角网对加密所得各节点(坐标记为(xr(r,f),yr(r,f)),r∈1,5；f∈1,6)进行插值，求得各节点高程即为0m分析水位下的水深hr_jm(r,f)，进一步计算得到有效阻水区域面积：

hr_jm(r,f)＝z-hr_jm(r,f)

s阻＝111.37+60.62+14.71+17.42+10.4＝214.52(m²)

步骤s6、计算桥墩有效阻水比，绘制阻水剖面图。

步骤s61、根据桥墩有效阻水比计算公式：r有效＝s阻/s总×100％，计算得0m水位下的桥墩有效阻水比为：

r有效＝214.52/4171.71×100％＝5.14％。

步骤s62、根据过水断面顶线段lab节点坐标((xl(m),yl(m)),m∈1,201)计算各节点至起始端点a(西侧堤岸)的距离dis(m)(m∈1,201)：

起始点距离dis(1)＝0；

第2～201(nl)节点距离：

步骤s63、根据过水断面顶线段lab的距离-高程((dis(m),hl_jm(m)),m∈1,nl)信息绘制过水断面剖面图，如图10所示；

步骤s64、确定5个有效阻水段ls1e2、ls3e4、ls5e6、ls7e8、ls9e10的距离-高程信息，各端点距离即为转换坐标系下端点的x值，如线段ls5e6端点s5、e6距离即为以过水断面为x轴的垂足s5、e6的x值，所有阻水段高程信息(h阻即为桥墩设计顶高程，本例中为13.5m，可简化取一个高于分析水位的常数，本例取5m；

步骤s65、根据上述距离-高程信息绘制阻水断面数据系列，添加至过水断面剖面图，生成阻水断面剖面图，如图8所示。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。