杨泽君
天津市水务规划勘测设计有限公司，天津 300110
摘要：本文首先详细介绍了水工模型实验方法相关概论和基础流程，同时根据目前公路桥梁在方案设计过程中，所产生的设计能力薄弱、方案设计与经济矛盾、桥梁统筹性不足以及施工图设计缺陷等相关问题开展详细探索和研究，进而有效总结出水工模型实验对公路桥梁设计中的实际作用。
关键词：水工模型实验；公路桥梁；方案设计；安全隐患
在城市发展和建设过程中，水利工程模型技术以及数据实验环节，在我国大型公路桥梁设计中被广泛的应用，并且随着我国高速公路和桥梁行业的不断发展和进步，水工模型实验环节成为桥梁方案设计的重要基础环节和核心条件。
一、水工模型实验方法
在公路以及桥梁方案结构设计过程中，其数据信息模型在实际方案规划以及生产制作方面上，并且按照公路桥梁方案设计问题具体性质和相关任务，进一步选择基础模型类型和数据比例，进一步开展模型方案设计。同时在实验场地需要使用水泥物质、砂石物质、木材物质、钢材物质、塑料物质等相关材质制作成基础模型。其中核心数据布置和测试系统结构中，需要按照基础模型试验要求，在预定区域或者横截面结构上布置测试地点，进而设置测量水位、核心流速、结构压强、结构流态以及地形设备，并且以此作为基础，取得初始测试读取信息数据，进而开展预备试验。
道路桥梁方案设计过程中，需要使用已知的数据资料，进一步明确其是否与初始原型详细规划，而其系统必要时需要针对基础信息进行详细修改和调整，比如：针对河流和桥梁进行数据模型试验时，需要针对河床结构按照数据的实际测量资料开展一系列验证，进而确保河流结构的相似特点。除此之外，实际开展桥梁道路结构研究时，首先需要针对初始结构方案进行详细试验，详细观察河道水流变化实际状态，进一步测量各个项目水利结构要素。同时实际开展道路桥梁方案设计时，需要根据原始方案所产生问题，进一步参考基础建设工程研究结构，针对其模型开展一系列项目优化和提升，并且逐步开展结构优化。最后根据在工程试验方案计划实施过程中，需要根据其总结开展项目试验[1]。
二、公路桥梁设计问题
（一）设计能力薄弱
在公路以及桥梁方案设计过程中，其所存在的隐患和问题需要进一步进行详细探索和研究。
第一，我国目前大多数桥梁以及公路方案设计过程中，其技术人员的设计基础水平具有明显联系，其中如果专业技术人员和方案设计人员不具备强大的专业技巧和综合技术能力，会在桥梁方案设计过程中忽略重要问题和不足。第二，公路与桥梁在方案设计方面上需要充分结合桥梁具体地质结构、水文环境体积自然气候等相关外界影响因素，同时如果方案设计人员缺少相应的专业技术能力和工作经验，进而会引发安全以及结构质量问题，进而留下安全风险和隐患。与此同时，如果方案设计设计过于理想化，会与现实操作产生摩擦和碰撞，进而产生风险隐患。
（二）方案设计与经济矛盾
在桥梁和道路方案设计过程中，其设计与经济之间会存在矛盾性隐患问题，其主要原因则是由于更多的理想方案设计与经济投入之间的问题和不足，最终在方案施工过程中更无法有效实现全部的方案设计想法。而在经济成本控制较低的情况下，需要在保证材料质量的同时，选择更低的经济成本，但是在实际操作和应用过程中，过度低廉的建筑材料会影响公路和桥梁的基础质量水平，最终产生方案设计相关隐患和问题[2]。现阶段，无论是何种行业和建筑领域的竞争现状相对较大，其经济资源以及经济压力都向开源节流方向转移。所以为了进一步节省经济成本、进一步压缩建筑工作状态，能够进一步为方案设计人员以及施工人员带来约束和限制，所以，造建筑工程实际工作中无法体现全面性，进而埋下安全隐患和问题。
（三）桥梁统筹性不足
在道路桥梁方案设计过程中，设计人员需要针对桥梁道路建设安全性、系统性以及美观性等相关方面开展方案计划。其中桥梁结构安全性以及稳定性成为关键性因素，所以一旦桥梁方案设计者无法进行综合考虑其施工安全时期的安全问题和不足，会进而影响道路桥梁建设过程中的基础耐久性，一定程度上会影响道路以及桥梁基础建设的整体安全系数和综合使用时间[3]。除此之外，在道路和桥梁基础建设过程中，其方案设计者通常会过度追求桥梁基础美观性，进而造成桥梁方案设计以及建筑施工的综合矛盾，逐渐成为桥梁后期方案设计的综合因患之一。
（四）施工图设计缺陷
第一，公路桥梁施工方案设计过程中，常见建设材料为混凝土材质，但是其系统实际操作和应用过程中，混凝土基础振捣密度与基础标准之间产生差异性，因此一旦其材质内部所产生预应力后，会导致管道安装以及铺设整体密度过大，混凝土浇灌的整体结构密度无法达到基础标准，造成桥梁建设后期出现出现麻面、孔洞等相关问题，进而构成桥梁和道路的安全问题和隐患。第二，桥梁基础建设过程中，其裂缝问题同样成为公路桥梁方案设计隐患问题之一，进而成为桥梁混凝土普遍问题和不足。同时桥梁产生裂缝后会减少混凝土基础强度和刚度，进而不断影响结构使用功能性，进而引起钢筋锈蚀问题，最终造成混凝土碳化问题，不断减少桥梁建筑材料的基础耐久性之，最终不断影响道路桥梁的基础承载能力以及最常使用年限。第三，公路以及桥梁在方案设计中，其预应力管道位置的设计和安装如果不够准确，进而会造成建筑施工出现问题、困难等，比如：管道局部弯曲等情况，从而产生反感设计位置与实际施工不符，最终在桥梁基础建设后期出现结构性裂缝，进而形成安全风险和隐患。第四。针对桥梁和道路路基技术处理过程中，针对桥头路基开展处理无法达到后，会产生一定程度的安全问题和风险，最终影响车辆行驶安全性。
三、水工模型实验流程
我国某市高速公路主要由城市东郊横跨洛河、伊河两条河流，所以需要针对两条河流建立横跨桥梁工程，其中桥梁位置需要安放在河流下游的3.2 公里处,因此初始设计方案需要搭建出规格为27X30m的基础预应力空心板桥结构。另一座桥梁则需要安装在伊河下游4.5公里处,所以初始设计方案中，桥梁则需要建设成规格25X30m的预应力空心板桥结构[4]。两座桥梁之间经过建设后，其间距至少为7米，并且使用路堤结构相互链接。
但是由于地形南高北低,河流结构形态十分复杂，极易产生洪水风险，所以伊、洛河两河道岸边需要设置提防结构,一次有效保证河流安全系数，然而工程实施过程中，其安全标准无法达到实际高度，桥梁基础建设水平和质量同样相对较差，一旦遇到大型洪水，则可能会产生决口问题。虽然方案规划中已经根据伊河洪水运行沿线以及实际情况增加树木种植面积，但是随着河流基础河道高度逐年提升，河道两边树林随之提升，一定程度上减少了河道洪水基础排放能力，一定程度上提高堤坝大堤决口几率, 进而针对河道桥梁以及基础水位造成不良影响。
（一）模型条件建设
为了进一步了解河道洪水以及桥梁建设实际情况，因此桥梁施工建设之前需要根据河流局部动床开展数据模型试验,其中河流原型结构中，水流在运动过程中虽然会携带一定程度的泥沙和杂质，但是绝大部分属于冲泻杂质，并不会直接影响河床结构或者导致形变问题，加上对于河床结构来说，推移物质的运动模式是导致河床冲淤形变的主要外部因素，因此模型建立过程中，应该以推移物质为主要模型数据开展方案结构设计。实际开展模型数据方案设计时，不仅需要综合考虑水流运动以及泥沙运动相似两个结构部分，一定程度上还需要综合兼顾河流形态中相似条件。其中河流水流运动的相似性则需要根据水流自身重力数据以及阻力数据相互计算，并且由重力数据可以进一步推算出流量占比[5]。
（二）模型制作
在模型制作和构建过程中，需要保证其精细程度，不仅需要详细了解和关注河岸地质结构、河滩结构以及河岸建筑数目的逼真水平，还需要针对河道内部的微小地形变化、岸边阻水位置进行详细规划和制作，除此之外，模型建立过程中还需要实际探测地形结构图，不断强化河流现场的勘探次数和详细程度。其河流结构模型的进口位置上需要使用长度为50米的管道将水流全面灌入至水堰内, 并且利用薄壁结构开展数据测量和计算。河道模型的入口位置上需要设计和安装尺寸为10米左右的长消力池区域，进而保证水流进入模型区域的平稳性，而模型内部结构的沙石物质则需要使用专业的精煤屑和碎石等。模型结构中的尾部区域应该增加水位控制功能，积极引进稳定水位、操作便利的插板式尾门技术,将尾水位置的最大数据误差严格控制在0.5毫米以内，同时模型内部结构中的水位测量设备应该固定在测试点，保证固定水位测量技术与滑动水位测量技术的同时开展，为了进一步保证模型建立以及试探数据的精准程度，需要借助现有的河道洪水资料以及基础建设形势开展一系列综合验证和总结，从根本上检验模型建立和方案涉及的科学性、可行性。
四、水工模型实验结论
从数据测量结果的数据对比进行综合分析，最终得出相关结论：河流桥梁在实际水位计算过程中，实验水位被预算计算水位降低至少3.4米左右。所以一旦使用模型河道结构以及水流处理技术，不仅有效减少桥梁告诉，一定程度上同样降低桥头填土实际高度，进一步降低桥梁经济造价。而其桥梁高度设计方案在初期，针对桥梁实际情况需要设计出至少两种方案模式，但是经过模型试探所得到的相关结论来看，如果桥身长度为800米左右，那么壅水高度需要保证在0.6米,其水流长度则达到1100米。如果桥身长度达到1566米，壅水高度则达到0.35米，此时水流增加总量不会产生较大波动，因此针对河流上游建设工程并无明显影响。而1566米长的桥身自身河流形态与无桥情况基本相同，而800米左右的桥身，其自身位置的上游区域则会向左移动，右侧路基水流流速降低，对于河岸的冲刷情况大幅度降低[6]。
桥梁模型设计过程中，需要根据桥身以及河流情况，在右侧岸边增加至少3孔位置，同时针对岸边左侧以及桥台结构开展技术防护。但是由于桥梁的左侧岸边不断开展技术加固，所以并不将洪水漫溢大堤问题作为主要思考方向，因此实际开展方案设计是，应该讲桥梁堤外2孔减少或者移动至其它桥梁结构上，其中两座桥梁长度一共减少720米左右，经济造价大幅度降低。根据桥梁建筑实验结果来看，桥梁建设之前河流与建设后河流冲淤形态变化较小，一旦产生洪水时，桥梁建设与无桥状态基本相同，进一步说明桥梁位置设置的合理性。
在桥梁模型建设过程中，除了需要考虑河流流速以及堤坝问题，公路基础建设同样成为桥梁建设的重要影响因素，其中铁路和公路距离河流堤坝至少为2-3公里左右，然而在相距之间存在着较多城市和农田，所以需要较高程度的洪水抵抗能力和综合基础，为了进一步保护乡村、城市以及高速公路的基础安全系数，模型建立和数据计算过程中，首先需要充分考虑河岸堤坝稳固程度，进一步制定出适合河流建设、防护洪水的综合方案。模型建立和虚拟实验过程中，首先需要从河流保护、高速公路路堤高度、洪水防护能力等相关方面进行综合考虑，最终决定使用河堤加固技术，进一步满足河堤建设计划方案，同时河流河滩面积通过技术处理，其路堤标准高度会不断降低，因此在河堤结构设计时，不会过度增加防护结合，进一步降低经济造价。加上河流桥梁壅水高为0.65m,整体长度需要建设为750m,因此为了有效保证河流建设堤坝基础标准，需要针对大堤桥上游750m位置进行高度增加，而从河流水流走势来看，堤坝左岸冲刷情况相对较大，进而在河流左岸需要不断增加堤坝加固方案设计，从根本上提升桥梁安全性和稳定性。
结束语：
由此可见，经过模型以及数据实验最终得出相关结论：在桥梁以及公路方案设计中，水工模型实验的经济效果和设计科学性十分明显，能够有效针对桥梁长度、桥梁位置以及高度进行科学、合理的规划和明确。
参考文献：
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[6]雷震霄. 新疆某水利枢纽工程引水闸水工模型试验研究[J]. 陕西水利, 2020, No.232(05):28-31.