桥涵水文第五章-大中桥孔径计算

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1、第五章第五章 大中桥孔径计算大中桥孔径计算武汉理工大学交通学院n1 河流和流域。n2 径流形成。n3 水文测验。注意流量计算的两种方法。n4 水文资料的搜集和整理。通过洪水调查资料计算洪水流量的方法第一章 回 顾第二章 回 顾n1 水文现象的特性和分析方法n2 几率和频率n3 频率分布 重现期与频率的换算n4 经验频率曲线n5 统计参数 三个统计参数对频率曲线的影响n6 理论频率曲线 皮尔逊理论频率曲线的推求n7 相关分析n1 根据流量观测资料推算设计流量 适线法 特大值的处理n2 根据地区经验公式推算设计流量 几个表格的运用n3 推理公式和经验公式 三个推理公式和两个经验公式第三章 回 顾n

2、1 潮汛和潮流n2 海岸和河口n3 波浪n4 波浪对桥桥梁墩台的作用力第四章 回 顾 hydraulic lumpclear headway computing section for hydrologywidth of river channel the permit velocity for no scour threshold velocitythe approach velocity during initial scour of pier navigation clearancemidstream of channel hydraulic radius partial pressur

3、e culvertvolume of runoffnet rainfallquantity of rainfall water-producing area storm duration intensity of rainstormsurface flowWatershedunderground water levelwave heightwave run-upwave set-upthe rising of local water surface in spate structures in river affecting the bridge engineering hydrology n

4、ormal depth critical depthuniform flow non-uniform flowcurrent determination by floatflood surveypeak discharge flood leveldesign flowdesign flow ratedesigned flood frequencysampling errorprobability density functionanabranch大中桥的孔径计算，主要是根据桥位断面的设计流量和设计水位，推算桥孔的最小长度和桥面中心最低标高，为确定桥孔设计方案，提供设计依据。第五章 大中桥孔径计

5、算建桥以后，河流受到桥头引道的压缩和墩台阻水的影响，改变了水流和泥沙运动的天然状态，引起河床的冲淤变形，导致水流对桥梁墩台基础的冲刷，危及桥梁安全。因此孔径的计算和布置，应以建桥前后桥位河段内水流和泥沙运动的客观规律为依据。目前所用的孔径计算方法，都是经验性，尚待改进。第五章 大中桥孔径计算大中桥的孔径计算，应符合桥位勘测规程的要求，除进行必要的水力计算以外.还必须结合桥位河段的实际情况，全面分析各种有关要素，进行技术经济比较后，研究确定。对于水力水文条件复杂的大桥，可借助水力模型试验，探求合理的桥孔设计方案。第五章 大中桥孔径计算一 桥位河段的水流图式 绝大多数的桥位是处于缓流河段。因此，水

6、力学中缓流河段的水流图式及其孔径计算方法，适用于大多数桥梁的孔径计算。第一节 桥位河段水流图式和桥孔布置原则桥位河段的水流图式(平面）第一节 桥位河段水流图式和桥孔布置原则桥位河段的水流图式(平面）第一节 桥位河段水流图式和桥孔布置原则河槽纵断面，缓流河段第一节 桥位河段水流图式和桥孔布置原则河槽纵断面，急流河段第一节 桥位河段水流图式和桥孔布置原则桥位河段的水流图式 说明桥位河段的水流图式如上页所示。桥位河段的平面，见图4一1a)和b)，河流的天然水而宽度为B，桥孔长度为L，正常水深(均匀流水深)为h0。由于桥孔对水漩的压缩，从桥位上游相当远处的断面起，水面就开始壅高，并呈a1型雍水曲线，无

7、导流堤时直到桥位上游大约一个桥孔长度L处的断面(有导流堤时则为上游坝端附近)，达到最大壅水高度Z。水流接近桥孔时，在宽度和深度方向都急剧收缩而呈“漏斗”状，无导流堤时直到桥位下游附近的断面有导流堤时则到桥位中线断面，水面最窄，流速最大，形成桥位河段的“颈口”，称为收缩断面。收缩断面下游，水流又逐渐扩散，到断面 才恢复天然状态。并且在水流收缩段的主流与河岸之间，由于水流分离现象，桥台上下游两侧将形成回水区域。第一节 桥位河段水流图式和桥孔布置原则二 桥孔布置原则 桥孔布置是桥位确定以后的重要工作。桥孔布置是否合理，可能会对桥梁安全、桥梁两侧引道及桥梁墩台的稳定、桥梁及引道工程投资、桥位两侧防洪排

8、涝、桥梁上、下游若干范围内经济发展等造成直接或间接影响，应慎重对待。第一节 桥位河段水流图式和桥孔布置原则二 桥孔布置原则 1.应保证设计洪水和它所挟带的泥沙顺利宣泄，避免河床产生不利于桥梁的变形，并能使通航船舶、流冰和漂浮物安全通过。2.应与天然河流断面的流量分配相适应.即两侧河滩的冲刷前桥下过水面积之比应大致等于两侧河滩的流量之比。第一节 桥位河段水流图式和桥孔布置原则二 桥孔布置原则 3.应根据桥位河段的天然特征以及水工建筑物(已建或拟建的)可能引起的影响，考虑河床变形和水流变化对桥梁的影响。桥孔布设应结合桥位河段实际情况，河段分类表可作为参考。4 应充分考虑不同建桥方案对河道产生的不利

9、变形影响，选择最小影响的方案，或在设计中采取措施.避免河道的不利变形。第一节 桥位河段水流图式和桥孔布置原则二 桥孔布置原则5.在影响国计民生的航运通道或水运枢纽附近建桥时，应充分考虑桥孔布设对航运或港口发展的长远影响，经政治、军事、经济、技术全面分析论证后，确定桥孔孔径，并将通航孔布设在稳定的航道上.必要时.还应预留备用通航航孔。6 应尽可能照顾当地的发展规划.与农田水利设施相配合。建桥后的桥前塞水，不得对两岸河堤、农田、村镇造成威胁。这一点在平原地区尤为重要，那里在建桥时往往以桥前壅水的允许高度作为桥孔长度的控制因素。第一节 桥位河段水流图式和桥孔布置原则二 桥孔布置原则7.对跨径在60m

10、以下的桥孔，尽可能采用标准跨径。8.应注意地质情况.桥梁的墩台基础避免设在断层、溶洞等不良地质处。9.应考虑施工条件和经济效益.作全面的技术经济比较，选择合理的桥孔设计方案。第一节 桥位河段水流图式和桥孔布置原则三 各类河段上桥孔布设 对河流按照其形态特征、水文泥沙、河床演变特征进行分类，见河段分类表。第一节 桥位河段水流图式和桥孔布置原则三 各类河段上桥孔布设对应着不同类型河段，桥孔布设的要求不一样。一般桥孔最好不要压缩河槽，考虑河床演变，特别是凹岸的冲刷，壅水高度不影响邻近地区。是否适合一河一桥。第一节 桥位河段水流图式和桥孔布置原则第一节 复 习桥位河段水流和泥沙特点？大、中桥桥位布置应

11、注意哪些问题?为什么要进行河段分类?我国河段分为几类?它们是根据什么原则分类的?试比较稳定性与次稳定性河段上桥位总体布设的一般要求，看有何区别?本节课到此结束！第二节 桥孔长度桥孔净长：设计水位以上两桥台之间的水面宽度称为桥孔长度，以L表示。扣除全部桥墩宽度后称为桥孔净长。桥孔长度的确定，应满足排水和输沙的要求，综合考虑桥孔长度、桥前壅水和桥下冲刷的相互影响。目前，我国桥孔长度的计算方法有冲刷系数法和经验公式法。一过水面积法（冲刷系数法）n原理原理：利用桥位断面的设计流量和设计水位，根据水力学的连续性原理，推求桥下顺利泄洪所需要的最小过水面积，用以确定桥孔的最小长度。第二节 桥孔长度一过水面积

12、法（冲刷系数法）建桥后水流和河槽的变化过程建桥后水流和河槽的变化过程建桥后，桥孔压缩了水流，桥下流速增大，水流挟沙能力增强，河槽开始冲刷.随着冲刷后桥下水深的增加，过水面积扩大，流速降低，河槽冲刷将相应减缓直至停止，这就是建桥后水流和河槽的变化过程建桥后水流和河槽的变化过程。第二节 桥孔长度一过水面积法（冲刷系数法）别列柳伯斯基假定：别列柳伯斯基假定：别列柳伯斯基于1875年提出了如下假定假定:当桥下过水断面扩大，使桥下流速等于天然河槽流速时，桥下冲刷将停止.他建议用天然河槽平均流速作为河槽冲刷停止时的平均流速。因此，计算桥孔长度时，常采用天然河槽的平均流速作为设计流速。第二节 桥孔长度一过水

13、面积法（冲刷系数法）建桥后，设计水位Hs下过水面积的组成如下图所示。其中桥墩所占的面积阻挡水流，墩台侧面产生涡流所占的面积形成滞流区而阻断水流，只有剩余部分才是桥下实际泄流(排洪或输沙)的面积，称为有效过水面积。第二节 桥孔长度一过水面积法（冲刷系数法）根据桥下过水面积的变化情况，采用下列符号建立桥孔长度的计算公式。第二节 桥孔长度第二节 桥孔长度过水面积法（冲刷系数法）n冲刷系数P 公式中引入冲刷系数P表示河槽的冲刷程度或桥孔对河流的压缩程度，是桥孔长度计算中的控制因素，应结合桥位河段类型、桥前壅水和桥下冲刷的要求选定。第二节 桥孔长度过水面积法（冲刷系数法）第二节 桥孔长度过水面积法（冲刷

14、系数法）用上述公式，即可求出桥下通过设计洪水时所需最小过水面积。然后，在桥位断面图(河流横断面图)上布设选定的桥孔设计方案，计算实有的桥下净过水面积(或毛过水面积)，若等于或稍大于上述公式计算的Aj，(或Aq)，则表明设计方案符合所需要的桥下最小过水面积，其对应的桥孔净长L,，(或桥孔长度L)即为所求的桥孔长度。否则，应重新选定桥孔设计方案，重复上述计算，直到符合桥下最小过水面积的要求为止.对于桥孔轴线与水流方向斜交的桥梁，实有的桥下过水面积应以垂直于水流方向的投影面来计算。第二节 桥孔长度一 过水面积法（冲刷系数法）冲刷系数法自五十年代引入我国以来，一直沿用至今，适用于泥沙运动不强烈而以排水

15、为主的河段，但对于泥沙运动强烈的不稳定河段以及宽滩性河段，采用冲刷系数来控制桥长的计算往往难以切合实际.为此，我国研究总结了适合我国河流的半经验半理论公式.第二节 桥孔长度 二 经验公式法我国桥渡水文工作者于1976年对全国306座桥梁的调查资料分析.从允许单宽流量和输沙平衡等方面出发，建立了一套适合我国各类河段的桥孔长度计算公式，并于1982年正式编入公路桥位勘测设计规程。这些公式算出的桥孔长度是指在一定的水力、泥沙及河床条件下，通过设计洪水流量时，桥下过水断面必须具有的桥孔最小净长度。第二节 桥孔长度第二节 桥孔长度 二 经验公式法1.对于有明显河槽的各类河段 第二节 桥孔长度 二 经验公

16、式法2.对于无明显河槽的变迁性、游荡性河段 记基本河宽为B0，引入与设计洪水频率有关的系数Cp，得最小桥孔净长度为：B0，Cp分别为：得桥孔最小净长度为：第二节 桥孔长度桥面标高：桥面标高：桥面高程以桥面标高定量表示。桥面标高桥面标高是指桥面中心线的最低标高。它由设计水位、壅水、波浪、流冰、漂浮物、桥下净高和桥梁上部构造的建筑高度、桥头接线及对桥高有影响的其它因素等情况确定。第三节 桥面标高一、引起桥下水位升高的因素1 雍水2 波浪3 其他因素4 急流槽中的水流冲击高度第三节 桥面标高一 引起桥下水位升高的因素1 壅水 建桥后，河道水流受到挤压，形成壅水。最大壅水高度的位置，无导流堤时在桥中心

17、上游一倍L(桥长)处，有导流堤时大约在导流堤上游端部附近。第三节 桥面标高1）桥前最大壅水高度Z 根据水力学的能量守恒原理，建立桥前最大壅水断面和桥下收缩断面的能量方程可得Z,由于桥位处的水位及河床变化非常复杂，很多因素难以定量求得，至今仍有待实验研究。目前在实际工作中，多采用近似公式计算。第三节 桥面标高1）桥前最大壅水高度Z 过去常常采用的近似公式如下：第三节 桥面标高最新的公路工程水文勘测设计指南推荐公式：第三节 桥面标高1）桥前最大壅水高度Z公式中：2）桥下壅水高度Z 桥下雍水高度Z的取值，可根据洪水和土质参照下表选取。第三节 桥面标高3）雍水曲线 在缓坡河渠中，桥前最大壅水断面上游将

18、出现壅水水面曲线，一般是水力学中的a1型曲线，可以近似看作二次抛物线进行计算。示意图如下：第三节 桥面标高第三节 桥面标高3）雍水曲线 壅水曲线的全长L和任意断面A处壅水高度可用下式计算：2 波浪 波峰：波浪凸起的最高点 波谷：波浪凹下的最低点 波浪高度：相邻两波峰与波谷的高差（垂直距离）h称波浪高度。侵袭高度：波浪从静水位沿斜坡爬升的最大高度，称为波浪的侵袭高度。波浪长度：相邻两波峰与波谷的水平距离称波浪长度。浪程：波浪传播的距离 波浪的大小与风速、风向、浪程、水深及桥位处的自然环境等都有直接关系。在水库、湖泊及河岸较宽阔的水域或洪水持续时间很久的河流上均需考虑波浪对桥高和路堤高的影响。第三

19、节 桥面标高第三节 桥面标高2 波浪 1）桥位处的波浪高度 有调查资料时，以调查到的波浪高度的三分之二计算。调查困难时，以有关经验公式计算：第三节 桥面标高经验公式中需要参数：KF系数，当 时为2.42 时为2.30D为计算浪程，Vw为水面十米以上多年所测洪水期间自记2min平均最大风速。第三节 桥面标高2 波浪 1）桥位处的波浪高度计算浪程D、平均水深（沿浪程方向平均水深）和风速相互关联，一般用风玫瑰图推求。第三节 桥面标高第三节 桥面标高2）路堤或导流堤边坡处的爬高 水面受风力作用呈起伏波动，并沿风向传播，形成波浪，下图所示。第三节 桥面标高第三节 桥面标高第三节 桥面标高3）斜向的波浪爬

20、高 当波浪斜向侵袭时,若边坡系数m大于1，斜向角度大于30度，则可以用以下经验公式近似计算：3 其它除壅水和波浪外，还应考虑其它因素产生的水面壅高。如河湾水面横比降引起水位超高，常以其一半计入.河流的淤积、局部股流壅高、水拱现象等，一般以调查和实测确定.第三节 桥面标高4 急流河槽桥墩水流冲击高度 急流河槽非a1型壅水曲线，不存在桥前壅水高度，但要计算桥墩迎水面水流溅起的高度。其中h0、v0分别为河槽的天然水深和水流冲击速度。第三节 桥面标高二 桥下净空安全值第三节 桥面标高二 桥下净空安全值第三节 桥面标高三 通航河流的桥下净空通航河段的设计最高通航水位根据具体情况确定。一般如下：通航河段的

21、设计最高通航水位，一至四级航道采用5%频率的洪水位;五至六级航道采用10%频率的洪水位。设计最低通航水位具有一定的通航保证率，（即以多年水位保证率曲线中高于设计最低通航水位的天数百分率来表示），一般一二级航道为9799，三四级航道为9598，五六级航道为9095。第三节 桥面标高第三节 桥面标高三 通航河流的桥下净空不通航河流桥下净空 第三节 桥面标高三 通航河流的桥下净空 第三节 桥面标高三 通航河流的桥下净空 通航河段桥下净空三 通航河流的桥下净空通航保障率第三节 桥面标高第三节 桥面标高第三节 桥面标高 通航河段上，应考虑同时满足泄掉设计洪水和桥下通航净空的要求，采用式(5-3-12)和

22、(5-3-14)计算结果的较大值。洪水范围以内的河滩路堤标高，应考虑设计水位、壅水高度、波浪侵袭高度和水面横坡等的因素影响，按公路桥位勘测设计规程要求确定。第三节 桥面标高由于我国地域辽阔，航道复杂，因此，有如下特殊规定:(1)天然河流的设计最高通航水位可采用规范表格规定的各级洪水重现期水位。(2)山区河流如经多年水文资料查证，出现高于设计最高通航水位历时很短，则根据具体情况，三级航道的标准可降为10年一遇，四、五级航道可降为5年一遇，六、七级般道可按2-3年一遇标准执行。(3)综合利用的排灌和引水渠道、运河和河网航道、通航的水利枢纽上游和下游、渠化河流的设计最高通航水位可按全国内河通航标准规

23、定执行。(4)有国防要求或流放木排的航道，其通航标准可与有关部门协商确定。第三节 桥面标高本节课到此结束！例5411 桥孔长度2 桥孔布设图3 桥面最低高程第四节 计算示例第四节 计算示例第四节 计算示例第四节 计算示例第四节 计算示例第四节 计算示例第四节 计算示例第四节 计算示例第四节 计算示例课 堂 习 题已知:某桥桥下为通航河流，最大桥墩间距120m,河道通航等级为级;经计算，河道设计水位（高程）为863.00m,河道设计最高通航水位（高程）为860.50m;桥为T型梁，结构高度为1.20m;桥面铺装厚度为0.12m,人行道高度0.20m,护栏高度1.2m;桥前最大雍水高1.26m，浪高0.82m,水拱高度0.65m。试求桥面最低高程。复 习确定桥梁孔径有哪两种方法？桥梁修建前后，桥位河段和水流图式会发生什么变化?试述桥孔布置的主要原则与要求。什么是桥孔长度和桥孔净长?目前有哪几种计算方法?桥孔长度的确定应考虑哪些因素?如何确定桥面最低高程?影响桥面最低高程的因素有哪些?n1 桥位河段水流图示和桥孔布置原则n2 桥孔长度n3 桥面标高n4 计算示例本 章 小 结本节课到此结束！