橋涵水文大中橋孔徑計算.ppt

第五章 大中橋孔徑計算,武漢理工大學交通學院,1 河流和流域。 2 徑流形成。 3 水文測驗。 注意流量計算的兩種方法。 4 水文資料的搜集和整理。 通過洪水調(diào)查資料計算洪水流量的方法,第一章 回 顧,第二章 回 顧,1 水文現(xiàn)象的特性和分析方法 2 幾率和頻率 3 頻率分布 重現(xiàn)期與頻率的換算 4 經(jīng)驗頻率曲線 5 統(tǒng)計參數(shù) 三個統(tǒng)計參數(shù)對頻率曲線的影響 6 理論頻率曲線 皮爾遜理論頻率曲線的推求 7 相關分析,1 根據(jù)流量觀測資料推算設計流量 適線法 特大值的處理 2 根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗公式推算設計流量 幾個表格的運用 3 推理公式和經(jīng)驗公式 三個推理公式和兩個經(jīng)驗公式,第三章 回 顧,1 潮汛和潮流 2 海岸和河口 3 波浪 4 波浪對橋橋梁墩臺的作用力,第四章 回 顧,hydraulic lump clear headway computing section for hydrology width of river channel the permit velocity for no scour threshold velocity the approach velocity during initial scour of pier navigation clearance midstream of channel,hydraulic radius partial pressure culvert volume of runoff net rainfall quantity of rainfall water-producing area storm duration,intensity of rainstorm surface flow Watershed underground water level,wave height wave run-up wave set-up the rising of local water surface in spate structures in river affecting the bridge engineering hydrology normal depth critical depth uniform flow non-uniform flow,current determination by float flood survey peak discharge flood level design flow design flow rate designed flood frequency sampling error probability density function anabranch,大中橋的孔徑計算，主要是根據(jù)橋位斷面的設計流量和設計水位，推算橋孔的最小長度和橋面中心最低標高，為確定橋孔設計方案，提供設計依據(jù)。,第五章 大中橋孔徑計算,建橋以后，河流受到橋頭引道的壓縮和墩臺阻水的影響，改變了水流和泥沙運動的天然狀態(tài)，引起河床的沖淤變形，導致水流對橋梁墩臺基礎的沖刷，危及橋梁安全。因此孔徑的計算和布置，應以建橋前后橋位河段內(nèi)水流和泥沙運動的客觀規(guī)律為依據(jù)。目前所用的孔徑計算方法，都是經(jīng)驗性，尚待改進。,第五章 大中橋孔徑計算,大中橋的孔徑計算，應符合橋位勘測規(guī)程的要求，除進行必要的水力計算以外.還必須結合橋位河段的實際情況，全面分析各種有關要素，進行技術經(jīng)濟比較后，研究確定。對于水力水文條件復雜的大橋，可借助水力模型試驗，探求合理的橋孔設計方案。,第五章 大中橋孔徑計算,一 橋位河段的水流圖式 絕大多數(shù)的橋位是處于緩流河段。因此，水力學中緩流河段的水流圖式及其孔徑計算方法，適用于大多數(shù)橋梁的孔徑計算。,第一節(jié) 橋位河段水流圖式和橋孔布置原則,橋位河段的水流圖式(平面）,第一節(jié) 橋位河段水流圖式和橋孔布置原則,橋位河段的水流圖式(平面）,第一節(jié) 橋位河段水流圖式和橋孔布置原則,河槽縱斷面，緩流河段,第一節(jié) 橋位河段水流圖式和橋孔布置原則,河槽縱斷面，急流河段,第一節(jié) 橋位河段水流圖式和橋孔布置原則,橋位河段的水流圖式 說明 橋位河段的水流圖式如上頁所示。橋位河段的平面，見圖4一1a)和b)，河流的天然水而寬度為B，橋孔長度為L，正常水深(均勻流水深)為h0。由于橋孔對水漩的壓縮，從橋位上游相當遠處的斷面起，水面就開始壅高，并呈a1型雍水曲線，無導流堤時直到橋位上游大約一個橋孔長度L處的斷面(有導流堤時則為上游壩端附近)，達到最大壅水高度Z 。水流接近橋孔時，在寬度和深度方向都急劇收縮而呈“漏斗”狀，無導流堤時直到橋位下游附近的斷面有導流堤時則到橋位中線斷面 ，水面最窄，流速最大，形成橋位河段的“頸口”，稱為收縮斷面。收縮斷面下游，水流又逐漸擴散，到斷面 才恢復天然狀態(tài)。并且在水流收縮段的主流與河岸之間，由于水流分離現(xiàn)象，橋臺上下游兩側將形成回水區(qū)域。,第一節(jié) 橋位河段水流圖式和橋孔布置原則,二 橋孔布置原則 橋孔布置是橋位確定以后的重要工作。橋孔布置是否合理，可能會對橋梁安全、橋梁兩側引道及橋梁墩臺的穩(wěn)定、橋梁及引道工程投資、橋位兩側防洪排澇、橋梁上、下游若干范圍內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展等造成直接或間接影響，應慎重對待。,第一節(jié) 橋位河段水流圖式和橋孔布置原則,二 橋孔布置原則 1.應保證設計洪水和它所挾帶的泥沙順利宣泄，避免河床產(chǎn)生不利于橋梁的變形，并能使通航船舶、流冰和漂浮物安全通過。 2.應與天然河流斷面的流量分配相適應.即兩側河灘的沖刷前橋下過水面積之比應大致等于兩側河灘的流量之比。,第一節(jié) 橋位河段水流圖式和橋孔布置原則,二 橋孔布置原則 3.應根據(jù)橋位河段的天然特征以及水工建筑物(已建或擬建的)可能引起的影響，考慮河床變形和水流變化對橋梁的影響。橋孔布設應結合橋位河段實際情況，河段分類表可作為參考。 4 應充分考慮不同建橋方案對河道產(chǎn)生的不利變形影響，選擇最小影響的方案，或在設計中采取措施.避免河道的不利變形。,第一節(jié) 橋位河段水流圖式和橋孔布置原則,二 橋孔布置原則 5.在影響國計民生的航運通道或水運樞紐附近建橋時，應充分考慮橋孔布設對航運或港口發(fā)展的長遠影響，經(jīng)政治、軍事、經(jīng)濟、技術全面分析論證后，確定橋孔孔徑，并將通航孔布設在穩(wěn)定的航道上.必要時.還應預留備用通航航孔。 6 應盡可能照顧當?shù)氐陌l(fā)展規(guī)劃.與農(nóng)田水利設施相配合。建橋后的橋前塞水，不得對兩岸河堤、農(nóng)田、村鎮(zhèn)造成威脅。這一點在平原地區(qū)尤為重要，那里在建橋時往往以橋前壅水的允許高度作為橋孔長度的控制因素。,第一節(jié) 橋位河段水流圖式和橋孔布置原則,二 橋孔布置原則 7.對跨徑在60m以下的橋孔，盡可能采用標準跨徑。 8.應注意地質(zhì)情況.橋梁的墩臺基礎避免設在斷層、溶洞等不良地質(zhì)處。 9.應考慮施工條件和經(jīng)濟效益.作全面的技術經(jīng)濟比較，選擇合理的橋孔設計方案。,第一節(jié) 橋位河段水流圖式和橋孔布置原則,三 各類河段上橋孔布設 對河流按照其形態(tài)特征、水文泥沙、河床演變特征進行分類，見河段分類表。,第一節(jié) 橋位河段水流圖式和橋孔布置原則,三 各類河段上橋孔布設 對應著不同類型河段，橋孔布設的要求不一樣。 一般橋孔最好不要壓縮河槽，考慮河床演變，特別是凹岸的沖刷，壅水高度不影響鄰近地區(qū)。是否適合一河一橋。,第一節(jié) 橋位河段水流圖式和橋孔布置原則,第一節(jié) 復 習,橋位河段水流和泥沙特點？ 大、中橋橋位布置應注意哪些問題? 為什么要進行河段分類?我國河段分為幾類?它們是根據(jù)什么原則分類的? 試比較穩(wěn)定性與次穩(wěn)定性河段上橋位總體布設的一般要求，看有何區(qū)別?,本節(jié)課到此結束！,第二節(jié) 橋孔長度,橋孔凈長：設計水位以上兩橋臺之間的水面寬度稱為橋孔長度，以L表示。扣除全部橋墩寬度后稱為橋孔凈長。 橋孔長度的確定，應滿足排水和輸沙的要求，綜合考慮橋孔長度、橋前壅水和橋下沖刷的相互影響。目前，我國橋孔長度的計算方法有沖刷系數(shù)法和經(jīng)驗公式法。,過水面積法（沖刷系數(shù)法） 原理：利用橋位斷面的設計流量和設計水位，根據(jù)水力學的連續(xù)性原理，推求橋下順利泄洪所需要的最小過水面積，用以確定橋孔的最小長度。,第二節(jié) 橋孔長度,過水面積法（沖刷系數(shù)法） 建橋后水流和河槽的變化過程 建橋后，橋孔壓縮了水流，橋下流速增大，水流挾沙能力增強，河槽開始沖刷.隨著沖刷后橋下水深的增加，過水面積擴大，流速降低，河槽沖刷將相應減緩直至停止，這就是建橋后水流和河槽的變化過程。,第二節(jié) 橋孔長度,過水面積法（沖刷系數(shù)法） 別列柳伯斯基假定：別列柳伯斯基于1875年提出了如下假定:當橋下過水斷面擴大，使橋下流速等于天然河槽流速時，橋下沖刷將停止.他建議用天然河槽平均流速作為河槽沖刷停止時的平均流速。因此，計算橋孔長度時，常采用天然河槽的平均流速作為設計流速。,第二節(jié) 橋孔長度,過水面積法（沖刷系數(shù)法） 建橋后，設計水位Hs下過水面積的組成如下圖所示。其中橋墩所占的面積阻擋水流，墩臺側面產(chǎn)生渦流所占的面積形成滯流區(qū)而阻斷水流，只有剩余部分才是橋下實際泄流(排洪或輸沙)的面積，稱為有效過水面積。,第二節(jié) 橋孔長度,過水面積法（沖刷系數(shù)法） 根據(jù)橋下過水面積的變化情況，采用下列符號建立橋孔長度的計算公式。,第二節(jié) 橋孔長度,第二節(jié) 橋孔長度,過水面積法（沖刷系數(shù)法）,沖刷系數(shù)P 公式中引入沖刷系數(shù)P表示河槽的沖刷程度或橋孔對河流的壓縮程度，是橋孔長度計算中的控制因素，應結合橋位河段類型、橋前壅水和橋下沖刷的要求選定。,第二節(jié) 橋孔長度,過水面積法（沖刷系數(shù)法）,第二節(jié) 橋孔長度,過水面積法（沖刷系數(shù)法） 用上述公式，即可求出橋下通過設計洪水時所需最小過水面積。然后，在橋位斷面圖(河流橫斷面圖)上布設選定的橋孔設計方案，計算實有的橋下凈過水面積(或毛過水面積)，若等于或稍大于上述公式計算的Aj，(或Aq)，則表明設計方案符合所需要的橋下最小過水面積，其對應的橋孔凈長L,，(或橋孔長度L)即為所求的橋孔長度。 否則，應重新選定橋孔設計方案，重復上述計算，直到符合橋下最小過水面積的要求為止.對于橋孔軸線與水流方向斜交的橋梁，實有的橋下過水面積應以垂直于水流方向的投影面來計算。,第二節(jié) 橋孔長度,一 過水面積法（沖刷系數(shù)法） 沖刷系數(shù)法自五十年代引入我國以來，一直沿用至今，適用于泥沙運動不強烈而以排水為主的河段，但對于泥沙運動強烈的不穩(wěn)定河段以及寬灘性河段，采用沖刷系數(shù)來控制橋長的計算往往難以切合實際.為此，我國研究總結了適合我國河流的半經(jīng)驗半理論公式.,第二節(jié) 橋孔長度,二 經(jīng)驗公式法 我國橋渡水文工作者于1976年對全國306座橋梁的調(diào)查資料分析.從允許單寬流量和輸沙平衡等方面出發(fā)，建立了一套適合我國各類河段的橋孔長度計算公式，并于1982年正式編入公路橋位勘測設計規(guī)程。 這些公式算出的橋孔長度是指在一定的水力、泥沙及河床條件下，通過設計洪水流量時，橋下過水斷面必須具有的橋孔最小凈長度。,第二節(jié) 橋孔長度,第二節(jié) 橋孔長度,二 經(jīng)驗公式法 1.對于有明顯河槽的各類河段,第二節(jié) 橋孔長度,二 經(jīng)驗公式法 2.對于無明顯河槽的變遷性、游蕩性河段 記基本河寬為B0，引入與設計洪水頻率有關的系數(shù)Cp，得最小橋孔凈長度為：,B0， Cp分別為：,得橋孔最小凈長度為：,第二節(jié) 橋孔長度,橋面標高：橋面高程以橋面標高定量表示。 橋面標高是指橋面中心線的最低標高。 它由設計水位、壅水、波浪、流冰、漂浮物、橋下凈高和橋梁上部構造的建筑高度、橋頭接線及對橋高有影響的其它因素等情況確定。,第三節(jié) 橋面標高,一、引起橋下水位升高的因素 1 雍水 2 波浪 3 其他因素 4 急流槽中的水流沖擊高度,第三節(jié) 橋面標高,一 引起橋下水位升高的因素 1 壅水 建橋后，河道水流受到擠壓，形成壅水。最大壅水高度的位置，無導流堤時在橋中心上游一倍L(橋長)處，有導流堤時大約在導流堤上游端部附近。,第三節(jié) 橋面標高,1）橋前最大壅水高度Z 根據(jù)水力學的能量守恒原理，建立橋前最大壅水斷面和橋下收縮斷面的能量方程可得Z,由于橋位處的水位及河床變化非常復雜，很多因素難以定量求得，至今仍有待實驗研究。 目前在實際工作中，多采用近似公式計算。,第三節(jié) 橋面標高,1）橋前最大壅水高度Z 過去常常采用的近似公式如下：,第三節(jié) 橋面標高,最新的公路工程水文勘測設計指南推薦公式：,第三節(jié) 橋面標高,1）橋前最大壅水高度Z,公式中：,2）橋下壅水高度Z 橋下雍水高度Z的取值，可根據(jù)洪水和土質(zhì)參照下表選取。,第三節(jié) 橋面標高,3）雍水曲線 在緩坡河渠中，橋前最大壅水斷面上游將出現(xiàn)壅水水面曲線，一般是水力學中的a1型曲線，可以近似看作二次拋物線進行計算。示意圖如下：,第三節(jié) 橋面標高,第三節(jié) 橋面標高,3）雍水曲線 壅水曲線的全長L和任意斷面A處壅水高度可用下式計算：,2 波浪 波峰：波浪凸起的最高點 波谷：波浪凹下的最低點 波浪高度：相鄰兩波峰與波谷的高差（垂直距離）h稱波浪高度。 侵襲高度：波浪從靜水位沿斜坡爬升的最大高度，稱為波浪的侵襲高度。 波浪長度：相鄰兩波峰與波谷的水平距離稱波浪長度。 浪程： 波浪傳播的距離 波浪的大小與風速、風向、浪程、水深及橋位處的自然環(huán)境等都有直接關系。在水庫、湖泊及河岸較寬闊的水域或洪水持續(xù)時間很久的河流上均需考慮波浪對橋高和路堤高的影響。,第三節(jié) 橋面標高,第三節(jié) 橋面標高,2 波浪 1）橋位處的波浪高度 有調(diào)查資料時，以調(diào)查到的波浪高度的三分之二計算。 調(diào)查困難時，以有關經(jīng)驗公式計算：,第三節(jié) 橋面標高,經(jīng)驗公式中需要參數(shù)： KF系數(shù)，當 時為2.42 時為2.30,D為計算浪程，Vw為水面十米以上多年所測洪水期間自記2min平均最大風速。,第三節(jié) 橋面標高,2 波浪 1）橋位處的波浪高度,計算浪程D 、平均水深（沿浪程方向平均水深）和風速相互關聯(lián)，一般用風玫瑰圖推求。,第三節(jié) 橋面標高,第三節(jié) 橋面標高,2 ）路堤或導流堤邊坡處的爬高 水面受風力作用呈起伏波動，并沿風向傳播，形成波浪，下圖所示。,第三節(jié) 橋面標高,第三節(jié) 橋面標高,第三節(jié) 橋面標高,3 ）斜向的波浪爬高 當波浪斜向侵襲時,若邊坡系數(shù)m大于1，斜向角度大于30度，則可以用以下經(jīng)驗公式近似計算：,3 其它 除壅水和波浪外，還應考慮其它因素產(chǎn)生的水面壅高。如河灣水面橫比降引起水位超高，常以其一半計入. 河流的淤積、局部股流壅高、水拱現(xiàn)象等，一般以調(diào)查和實測確定.,第三節(jié) 橋面標高,4 急流河槽橋墩水流沖擊高度 急流河槽非a1型壅水曲線，不存在橋前壅水高度，但要計算橋墩迎水面水流濺起的高度。 其中h0、v0分別為河槽的天然水深和水流沖擊速度。,第三節(jié) 橋面標高,二 橋下凈空安全值,第三節(jié) 橋面標高,二 橋下凈空安全值,第三節(jié) 橋面標高,三 通航河流的橋下凈空 通航河段的設計最高通航水位根據(jù)具體情況確定。一般如下： 通航河段的設計最高通航水位，一至四級航道采用5%頻率的洪水位;五至六級航道采用10%頻率的洪水位。 設計最低通航水位具有一定的通航保證率，（即以多年水位保證率曲線中高于設計最低通航水位的天數(shù)百分率來表示），一般一二級航道為9799，三四級航道為9598，五六級航道為9095。,第三節(jié) 橋面標高,第三節(jié) 橋面標高,三 通航河流的橋下凈空 不通航河流橋下凈空,第三節(jié) 橋面標高,三 通航河流的橋下凈空,第三節(jié) 橋面標高,三 通航河流的橋下凈空 通航河段橋下凈空,三 通航河流的橋下凈空 通航保障率,第三節(jié) 橋面標高,第三節(jié) 橋面標高,第三節(jié) 橋面標高,通航河段上，應考慮同時滿足泄掉設計洪水和橋下通航凈空的要求，采用式(5-3-12)和(5-3-14)計算結果的較大值。洪水范圍以內(nèi)的河灘路堤標高，應考慮設計水位、壅水高度、波浪侵襲高度和水面橫坡等的因素影響，按公路橋位勘測設計規(guī)程要求確定。,第三節(jié) 橋面標高,由于我國地域遼闊，航道復雜，因此，有如下特殊規(guī)定