ch4-2橋孔水力計(jì)算+孔徑設(shè)計(jì)

1、2022/7/231 學(xué)時(shí)：24（hrs.）； 時(shí)間：2019.2.25-2019.5.14 教師： 齊梅蘭 橋 渡 設(shè) 計(jì)Bridge Hydraulics2022/7/2324.1 設(shè)計(jì)洪水4.2 橋孔布設(shè)4.3 橋梁孔徑與水力計(jì)算孔徑設(shè)計(jì)Ch.4 橋渡設(shè)計(jì)2022/7/234.3.1 河流基本水力學(xué)參數(shù) (無(wú)橋) Ch.44.3.2 橋址河段水力計(jì)算34.3 橋梁孔徑與水力計(jì)算4.3.3 孔徑設(shè)計(jì)計(jì)算2022/7/234.3.1 河流基本水力學(xué)參數(shù) (無(wú)橋)（1）過(guò)流斷面：由自由水面與濕周包圍的區(qū)域面積計(jì)算可用分、總計(jì)算法，用垂線劃分?jǐn)嗝?。?fù)式斷面應(yīng)區(qū)分主槽過(guò)流和灘地過(guò)流。已知:河槽幾何

2、形狀 (測(cè)量各點(diǎn)河床高程及其橫向位置獲得)、水位線圖 4.8 過(guò)流斷面42022/7/232）斷面平均流速、水深斷面平均流速v ：已知流量、水位、河槽形狀引入謝才公式、已知河道縱坡單一斷面：按上式計(jì)算復(fù)式斷面：劃分主槽、灘地，分別按上式計(jì)算(4-1)(4-2)54.3.1 河流基本水力學(xué)參數(shù) (無(wú)橋)上式中: hi = 第i條垂線的水深各垂線平均流速v ：斷面平均水深 h ：水面寬度過(guò)流斷面面積2022/7/23復(fù)式斷面v ，h 計(jì)算圖64.3.1 河流基本水力學(xué)參數(shù) (無(wú)橋)2022/7/23面積計(jì)算表74.3.1 河流基本水力學(xué)參數(shù) (無(wú)橋)2022/7/23Uc 、 Ut計(jì)算步驟：將斷面

3、河床高程和水位均繪于同一圖中 劃分主槽與灘地求主槽平均水深： hc=Ac/Bc求灘地平均水深： ht=At/Bt求主槽平均流速： 求灘地平均流速： 84.3.1 河流基本水力學(xué)參數(shù) (無(wú)橋)2022/7/23全斷面平均流速 v 計(jì)算：求主槽平均流速： 求灘地平均流速： 求主槽流量：Qc= Uc Ac求灘地流量： Qt= Ut At 求全斷面流量：Q= Qt + Qc 求全斷面平均流速：U= Q/A94.3.1 河流基本水力學(xué)參數(shù) (無(wú)橋)2022/7/23橋址河段水流圖：平面：上游收縮段 橋址被壓縮 下游擴(kuò)散段縱面：上游壅高， 橋址收縮， 下游復(fù)原4.3.2 橋址河段水力計(jì)算 10（1）水力現(xiàn)

4、象縱斷面擴(kuò)散恢復(fù)收縮下降壅水2022/7/2311平面收縮段和擴(kuò)散段長(zhǎng)度；垂向水面壅高和降低幅度橋孔的壓縮程度、洪水大小影響水流的以下變化：4.3.2 橋址河段水力計(jì)算 2022/7/2312足夠大1倍橋孔長(zhǎng)上游影響區(qū)外LuLdLc下游影響區(qū)外4Lc收縮、擴(kuò)散段長(zhǎng)度？收縮段4.3.2 橋址河段水力計(jì)算 2022/7/2313上游： 因水流受到橋結(jié)構(gòu)物阻礙，動(dòng)能減小，而勢(shì)能（壓能）增大，表現(xiàn)為水位升高，稱為壅水。橋下： 因橋孔壓縮了過(guò)流斷面面積，流速增大，動(dòng)能增大，而勢(shì)能減小，表現(xiàn)為水位降低。下游： 因水流出橋孔后，過(guò)流寬度（面積）增大，而流速減小，動(dòng)能減小，而勢(shì)能增大，表現(xiàn)為水位升高，恢復(fù)至天

5、然水位。4.3.2 橋址河段水力計(jì)算 2022/7/232022/7/23144.3.2 橋址河段水力計(jì)算 （2）橋下斷面水深 hq、流速 vq橋下橫斷面橋址河段縱斷面1） hq近似按無(wú)橋時(shí)的均勻流水深 h0考慮，即hq h02）面積 AqAq = (B0-Bb) h0B0B0: 無(wú)橋時(shí)斷面寬度； Bb: 橋、臺(tái)阻水總寬度。3） Uq= Q / Aq 2022/7/2315壅水計(jì)算原理：符合流體力學(xué)的連續(xù)原理、運(yùn)動(dòng)及能量方程。一維、恒定流連續(xù)方程：能量方程：4.3.2 橋址河段水力計(jì)算 （3）橋上游壅水高度2022/7/232022/7/23164.3.2 橋址河段水力計(jì)算 （3）橋上游壅水高

6、度橋址河段縱斷面建橋后水面線無(wú)橋水面線建橋后升高的水位與天然時(shí)水位之差稱為壅水高度。其中差值最大的稱為最大壅水高度，記為Z。2022/7/231）壅水?dāng)嗝嫠?、流速取斷?（上游）、 （橋孔下游，圖中）能量方程：連續(xù)方程：(4-3)4.3.2 橋下水力計(jì)算2022/7/2317橋下橫斷面縱斷面擴(kuò)散恢復(fù)收縮下降壅水2022/7/23測(cè)管水頭擴(kuò)大損失(4-7)18最大壅水高：4.3.2 橋址河段水力計(jì)算 收縮損失2022/7/23將能量損失比率及動(dòng)能壓縮系數(shù)等影響合并為一個(gè)系數(shù)，則有壓縮系數(shù) 天然斷面平均流速橋下斷面平均流速經(jīng)驗(yàn)公式 1：(4-8)194.3.2 橋址河段水力計(jì)算 2022/7/2

7、3表4-4 壅水系數(shù) 取值204.3.2 橋址河段水力計(jì)算 河段特征阻擋流量/設(shè)計(jì)流量（%）壓縮系數(shù)河灘很小的山區(qū)河流10 0.05河灘較小的半山區(qū)河流11300.07河灘中等的平原河流31500.10河灘較大的低洼區(qū)河流500.152022/7/23橋下斷面水面壅高值(Zq)可近似計(jì)為(4-11)21254.3.2 橋址河段水力計(jì)算 2022/7/23224.3.3 孔徑設(shè)計(jì)計(jì)算 橋高：以梁底高程 Zb 表示。（1）孔徑橋孔長(zhǎng)度（簡(jiǎn)稱橋長(zhǎng)）和高度?？紤]設(shè)計(jì)洪水、設(shè)橋后的水流變化、河床變化。橋長(zhǎng)：設(shè)計(jì)水位時(shí)兩端橋臺(tái)前緣間距離。橋長(zhǎng)軌底橋墩低水位高水位設(shè)計(jì)水位橋臺(tái)2022/7/23安全凈空指高出

8、設(shè)計(jì)水位+h 的最小空間高度（規(guī)范）。梁底高程 = 設(shè)計(jì)水位 + 橋下凈空= 安全凈空+ h（2）橋下凈空234.3.3 孔徑設(shè)計(jì)計(jì)算 軌底橋墩低水位高水位設(shè)計(jì)水位橋臺(tái)2022/7/23（3）梁底高程 Zb (4-12)還需注意：流冰、通航河流的最小凈跨和凈空要求244.3.3 孔徑設(shè)計(jì)計(jì)算 設(shè)計(jì)水位表4-5 凈空安全值橋梁底設(shè)計(jì)洪水凈空值(m)校核洪水凈空值(m)一般情況0.500.25有漂流物 1.501.00有泥石流1.00 -2022/7/23h 水位超高（4）254.3.3 孔徑設(shè)計(jì)計(jì)算 = 壅水高度+波浪爬高+彎道水面超高等。壅水高度 如前2022/7/23264.3.3 孔徑設(shè)計(jì)

9、計(jì)算 波浪高水面波浪高、路堤邊坡波浪爬高： 與浪程、風(fēng)速、平均水深有關(guān)。確定方法：調(diào)查、試驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。2022/7/23彎道橫向環(huán)流凸岸凹岸hy凸凹xzzy1JzhP1P2FT彎道平面彎道中水柱受力R凹岸凸岸橫向流速垂線分布彎道水面超高寫(xiě)出隔離體的橫向受力平衡矢量方程：274.3.3 孔徑設(shè)計(jì)計(jì)算 2022/7/23zy1JzhP1P2FT彎道中水柱受力離心力為： (4-14) (4-13) (4-16) (4-15)將（4-14）-（4-16）代入（4-13），忽略橫比降的二次小量，得： (4-17)284.3.3 孔徑設(shè)計(jì)計(jì)算 2022/7/23h 近似計(jì)算式：彎道水面寬彎道曲率半徑

10、 (4-19)294.3.3 孔徑設(shè)計(jì)計(jì)算 兩岸水位差h： (4-18)2022/7/23橋長(zhǎng)的確定受以下影響： 1）河床沖刷、 2）壅水、 3）河流穩(wěn)定控制。凈孔徑（橋長(zhǎng)）Lj ：不含橋臺(tái)間各阻水墩寬；毛孔徑（橋長(zhǎng)）L： 含橋臺(tái)間各阻水墩寬 。墩迎水面寬（5）橋長(zhǎng)304.3.3 孔徑設(shè)計(jì)計(jì)算 2022/7/231）受沖刷控制設(shè)：無(wú)橋設(shè)計(jì)洪水時(shí)過(guò)流斷面面積 A0, 建橋后的過(guò)流斷面面積 Aq定義：沖刷系數(shù)P: P = A0 / Aq聯(lián)合連續(xù)方程求解，可得橋下流速vq(4-20)橋孔凈長(zhǎng)(橋下過(guò)水寬) : Lj = Aq / hq(4-21)河型P山區(qū)峽谷段開(kāi)闊段1.0-1.21.1-1.4山前

11、穩(wěn)定段變遷段1.2-1.41.2-1.8平原1.1-1.4314.3.3 孔徑設(shè)計(jì)計(jì)算 表4-6 沖刷系數(shù)值2022/7/232）受壅水控制橋前壅水最大高度Z(4-22)Z 允許值根據(jù)防洪要求、橋梁高度等確定。隱含于關(guān)系式：(4-23)324.3.3 孔徑設(shè)計(jì)計(jì)算 2022/7/233）受河流穩(wěn)定性控制經(jīng)驗(yàn)式：有明顯河槽(4-26)如西北、華北游蕩河槽洪水頻率系數(shù)下標(biāo)C表示河槽，P 表示設(shè)計(jì)分析河流橫向演變趨勢(shì)、經(jīng)驗(yàn)公式，等.334.3.3 孔徑設(shè)計(jì)計(jì)算 (4-25)2022/7/233）受河流穩(wěn)定性控制344.3.3 孔徑設(shè)計(jì)計(jì)算 河段類別 K n穩(wěn)定 0.84 0.90次穩(wěn)定 0.95 0

12、.87不穩(wěn)定 0.69 1.59表4-7 式（4-25）系數(shù)和指數(shù) break2022/7/23本 講 重 點(diǎn)1) 橋址河段水力學(xué)特征；2） 水力學(xué)變量計(jì)算的基本原理和方法；3） 橋孔長(zhǎng)度、控制因素、相關(guān)計(jì)算4） 橋孔高度設(shè)計(jì)考慮的因素、凈空安全值取值條件、水面超高分類5） 基本概念：橋長(zhǎng)定義、沖刷系數(shù)、壅水354.3.3 孔徑設(shè)計(jì)計(jì)算 2022/7/231 思考題（1）橋渡設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)的表示方法?（2）設(shè)計(jì)洪水由哪兩因素表示?（3）設(shè)計(jì)洪水與校核洪水的區(qū)別?（4）洪水重現(xiàn)期的單位？（5）洪水頻率分析中的洪水樣本如何選??？（6）橋孔布設(shè)的內(nèi)容及其與河流演變的關(guān)系？（7）橋位河段水流變化特征及其

13、原因？（分橋上游、橋下和橋下游）36第四次 思考題+ 作業(yè)習(xí)題（解答題）2022/7/232 解答題(交作業(yè))（1）某橋設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為P=1%，建成于2010年，請(qǐng)問(wèn)該橋何時(shí)將遇設(shè)計(jì)洪水？為什么？（2）某鐵路跨河橋的橋位位于曲率半徑R為1000m的平原河灣附近，河流上無(wú)漂浮物、泥石流和通航需求。前期水文勘測(cè)得出的橋軸線河槽橫斷面如圖1所示，河床縱比降為0.02%，主槽糙率0.02，河灘糙率0.025，橋下河床為中值粒徑為2mm的中等密實(shí)覆蓋層。已知該橋的設(shè)計(jì)洪水位為157.8m，在預(yù)可行性研究階段，設(shè)計(jì)人員初步擬定該橋采用532m等跨簡(jiǎn)支梁橋形式，橋墩寬度為2.5m，橋軸線與水流正交，梁底高程159.0m。請(qǐng)回答以下問(wèn)題：3