工學橋涵水文1概論課件

1、橋涵水文學河流概論橋梁與結構教研室: 李 林第1頁，共39頁。教學目的和任務1）了解河流流域的有關概念；2）了解流域特征及其對徑流形成的影響；3）了解山區(qū)河流與平原河流各自的特點；4）掌握徑流形成過程的基本概念；5）掌握水文資料的收集與整理。特別是：洪水調查、形態(tài)斷面 的流速和流量計算。第2頁，共39頁。水力學與橋涵水文+第3頁，共39頁。水力學水文學研究關于地球上水的起源、存在、分布、循環(huán)、運動等變化規(guī)律，以及運用這些規(guī)律為人類服務的知識體系。研究液體處于靜止和運動狀態(tài)下的力學規(guī)律，并運用這些規(guī)律解決工程實際問題的一門科學。第4頁，共39頁。橋涵水文的特點：橋涵水文屬工程河川水文學范疇并具專

2、業(yè)性應用特點。主要依靠數(shù)理統(tǒng)計分析方法，分析實地調查勘測的河川水文資料，預示橋涵水文工程可能遭遇的未來水文趨勢、為橋涵設計提供必不可少的設計數(shù)據(jù)。水文學研究內(nèi)容：自然界各種水體（大氣水、地表水、地下 水）的存在、分布及循環(huán)變化規(guī)律的學科。 第5頁，共39頁。橋涵水文的研究意義：1）橋涵規(guī)劃設計階段 根據(jù)橋涵工程在使用年限內(nèi)河流可能發(fā)生的流量、水位和流速 進行分析和計算，從而確定橋涵工程的位置、規(guī)模和基本尺寸， 為整個橋涵工程的技術設計當好先行。2）橋涵施工階段 為保障橋涵施工的安全性與經(jīng)濟性，估算施工期設計洪水。3）橋涵運營階段 根據(jù)實際的河流水情編制相應的橋涵日常管理計劃和制度，復 核和修建

3、規(guī)劃設計階段的水文分析結果，確定是否需要對橋涵 工程進行相應的維修與改造，河床是否需要整治等。第6頁，共39頁。課程的主要內(nèi)容跨河構筑物過河點的選擇與確定設計流量的確定跨河構筑物孔徑的確定跨河構筑物基礎埋深河道中調治構筑物的設計第7頁，共39頁。橋與水？第8頁，共39頁。橋梁與水成溫三渡水大橋垮塌專家勘測結論：排除橋梁質量問題引發(fā)塌陷的可能。該橋一共有15個橋孔，只有5個橋孔排水，加之金馬河連續(xù)洪水， 在洪水集中連續(xù)沖刷下，兩個承重橋墩的基礎被淘蝕，加之重力 作用，所以出現(xiàn)了塌陷。因為新橋橋墩處于上游，橋墩基礎先于舊橋受到洪水沖刷，淘蝕 嚴重，因而首先出現(xiàn)塌陷。而舊橋處于下游，洪水到達時力量已

4、 減緩，因而受到淘蝕的情況不嚴重，所以在新橋出現(xiàn)險情后數(shù)小 時才垮塌。 其他看法：交通局認為是過度采砂。河道管理部門認為河流缺乏疏浚。第9頁，共39頁。東南雜木大橋發(fā)生坍塌中間有一處橋墩被大水沖毀，隨之有兩跨上部結構掉入水中。 水的流速大，造成橋梁下部基礎被沖毀，是沖刷深度大于基礎（擴大基礎）的埋深所致，糾其原因應該是橋梁設計時未考慮這 么大的水，橋跨布置過小，河床段面壓縮過大所致。橋梁與水第10頁，共39頁。橋梁與水1 墩臺埋置深度泥沙沖刷2 橋孔長度泄洪（設計流量）3 橋面標高設計水位第11頁，共39頁。主要內(nèi)容：河流和流域河川徑流的形成水文測驗水文資料的搜集與整理第二章 河川徑流第12頁

5、，共39頁。河流及流域第13頁，共39頁。河流的形成和分段1）定義：受重力作用沿河床流動的水流。2）河流的分段特性河源：河流的起點。（泉水、冰川、湖泊、沼澤、溪澗）上游：緊接河源或奔流于山谷中的河流上段。（落差大、 水流急、沖蝕力強、兩岸陡峻、河谷呈“V”形。）中游：上游以下的中間河段。（比降緩和、沖淤平衡、 河面逐漸開闊、河谷呈“U”形。）下游：緊接中游的下段。（河床底坡小、水流緩慢、泥 沙多淤積、河道蜿蜒曲折、斷面呈復式斷面。）河口：河流的終點。（河口處斷面擴大、水流速度驟減、 大量泥沙淤積形成三角洲。）沼澤冰川瀑布山澗峽 谷長江中游淮河下游段黃河河口1.河流第14頁，共39頁。1.河流河

6、川徑流：受重力作用沿河床流動的水流。1）河流的形成和分段分段河谷形態(tài)河床物質比降流速侵蝕堆積流量水位變化上游V基巖礫石大大下切小大中游寬U中粗砂中中側蝕中中下游寬淺U細砂淤泥小小堆積大小第15頁，共39頁。第16頁，共39頁。2.水文現(xiàn)象的特點基本概念4）水文現(xiàn)象：降水、入滲、徑流、蒸發(fā)等現(xiàn)象的統(tǒng)稱。2）徑流：降水在重力作用下沿一定路徑流動的水流。3）河川徑流：在河槽內(nèi)流動的水流。1）降水：地球上的雨、雪、冰、雹等現(xiàn)象。第17頁，共39頁。2.水文現(xiàn)象的特點水文現(xiàn)象的特點1）隨機性：水文現(xiàn)象發(fā)生的數(shù)值大小及發(fā)生的時間都具有一 定的偶然性，難以運用演繹方法確定其必然性的 因果關系。2）周期性：水

7、文現(xiàn)象的重現(xiàn)性只存在長期的平均關系只能表 示出相對的重現(xiàn)可能性大小，難以確定肯定的重 現(xiàn)規(guī)律。3）地區(qū)性：同一地理特性的地區(qū)，河川徑流特性相似，同一 水文現(xiàn)象的變化規(guī)律亦因地而異。第18頁，共39頁。3.橋涵水文的研究方法1）成因分析法： 根據(jù)水文現(xiàn)象的成因規(guī)律，由其影響因素預報、預測水文情 勢。如降雨徑流預報法、河流洪水演算法預報等。2）數(shù)理統(tǒng)計法： 把水文現(xiàn)象當作隨機變量，用概率論和數(shù)理統(tǒng)計的方法解決 水文問題。是目前廣泛應用的基本方法之一。3）地理綜合法： 水文現(xiàn)象主要受氣候因素的影響，而氣候因素在地理分布上 是有規(guī)律的，因此可分析綜合出某一地區(qū)水文現(xiàn)象的地區(qū)規(guī) 律，找出經(jīng)驗公式或畫出等

8、值線圖，用于解決無資料流域的 水文計算問題。第19頁，共39頁。河流及流域第20頁，共39頁。1.河流的基本特征河流的基本特征1） 河長L ：自河源至河口的長度長，可從地形圖上量出；2） 彎曲系數(shù) ：河道全長與河源到河口的直線長度之比。3）河流橫斷面：即過水斷面，指垂直于主流方向，橫切河 道，河底線與水面線之間所包圍的平面。高水位中水位低水位河床：河谷底部（谷底）有水流的部分。主槽：河流在低水位時水流通過的部分。邊灘：由可移動的泥沙淤積而成。河槽：河流宣泄洪水及輸送泥沙的主要通道，洪水期間河槽床面上有推 移質運動，植物不易生長。河灘：高洪水位時的水流通道，通常長有雜草、灌木或耕植有農(nóng)作物， 在

9、洪水期無明顯的底沙運動。單式斷面：只有主槽而無灘地 一槽一灘一槽兩灘復式斷面：有主槽有灘地 第21頁，共39頁。5）河流縱斷面：沿河流中泓面的剖面。1.河流的基本特征深泓線：河流中沿水流方向各橫斷面最大水深點的連線。河道縱比降：任意河段兩端（水面或水底）的高差h稱為落差， 單位河長的落差。（包括水面比降、河底比降）第22頁，共39頁。2.河流的流域流域的邊界線就是四周地面山脊線或分水線。河流某斷面以上的集水區(qū)域，稱為該斷面以上河段的流域或匯水區(qū)。 第23頁，共39頁。2.河流的流域流域面積F ： 指地面分水線所包圍的水平面積，可在地形圖上用 求積儀量出。以km計。 1）山區(qū)匯水面積勾繪法在地形

10、圖上尋找河流周邊的分水脊線，并將其連接起來，直至將橋位點的上游河流（含全部支流）全部包括在內(nèi)，其閉合圈的范圍就是所調查橋位的匯水區(qū)。2）平原區(qū)匯水面積勾繪法平原區(qū)地形圖上等高線稀疏，分水界線不易劃分，因此通常可根據(jù)村莊地勢高于周圍田地的特點，勾繪出匯水區(qū)。第24頁，共39頁。3）流域面積的計算方法2.河流的流域方格法：在大比例尺地形圖按橋位所在斷面勾繪出流域邊線；定出方格的面積，再按照流域圖形中具有的方格數(shù)計算流域面積，所定方格越小，計算越準確，但工作量則比較大。求積儀法：在大比例尺地形圖按橋位所在斷面勾繪出流域邊線，用量測圖形面積的專用儀器(求積儀),在圖上直接量算面積。 第25頁，共39頁

11、。3.河段分類按地形特點分類：山區(qū)河流1）平面上多急彎，寬窄相間，河床穩(wěn)固；2）河流縱斷面多呈凸形，比降陡緩相間；3）開闊河段：河面較寬，有邊灘，有時也有不大的河漫灘和明顯 階地，有的地方也會出現(xiàn)河心灘和沙洲，必降較緩，河床泥砂 較細；4）峽谷河段：河床狹窄，河岸陡峭，中、枯水位河槽無明顯區(qū)別。第26頁，共39頁。3.河段分類平原河流1）河床橫斷面多呈寬淺矩形，通常灘槽分明，河彎處呈斜角形， 凹岸側窄深，凸岸側為寬而高的邊灘，過渡段有淺灘、沙洲；2）中泓線與河道中線一般不重合；3）河谷開闊，有時河槽高出地面，靠兩側堤防束水；4）沖積層厚，枯水期河槽中露出泥沙堆積體；5）由于河流多河彎，淺灘連續(xù)

12、分布，故河床縱斷面亦深淺相間。第27頁，共39頁。河川徑流第28頁，共39頁。1.河川徑流形成過程及影響因素1）降水過程 降雨量的大小起決定性的作用。 2）流入滲過程 降雨開始時，部分雨水被地面植物截流，部分滲入地表土中， 部分被蓄留在坑洼中。3）坡面漫流過程 流域蓄滲完成后，剩余雨水沿坡面形成坡面漫流。4）河槽集流過程 匯入河溝的水，由小溝到支流，由支流到干流，最后達到流域 出口斷面。河川徑流形成過程河川徑流形成過程第29頁，共39頁。1.河川徑流形成過程及影響因素河川徑流影響因素1）降水-強度越大，歷時愈短，徑流量越大。2）蒸發(fā)-蒸發(fā)強度大，降雨前土壤含水量小，徑流量越小。3）下墊面因素

13、自然地理因素地形、土壤、地質、植被、湖泊 人 類 活 動修建水庫、水土保持第30頁，共39頁。2.河川徑流的表示方法1）流量（Q）：單位時間內(nèi)通過河流某一斷面的水量（m/s）。洪峰流量：洪水期的瞬時最大流量。2）徑流總量（W）：時段T內(nèi)通過河流某一斷面的徑流體積（m）。3）徑流深度（Y）：徑流總量折算成全流域面積的平均水深（mm ）。4）徑流系數(shù)（）：某一時段的徑流深度與降水量之比。 第31頁，共39頁。3.我國河流水量的補給類型1）雨源類 秦嶺、淮河以南到臺灣、海南島、云南廣大地區(qū) 特點：一年內(nèi)徑流量的變化與降水變化完全一致；夏天雨季 來臨，流量增大；入秋后雨季結束，流量逐漸下降。2）雨雪源

14、類 華北、東北、西北地區(qū) 河流每年有兩次汛期，年流量過程線成雙峰形。3）冰雪源類 西北地區(qū)新疆、青海等地的河流 河流水量補給以融雪為主，年流量過程線成單峰形。第32頁，共39頁。河川水文資料的收集與整理方法第33頁，共39頁。1.水位（水面高程）觀測水尺（水準尺） 水位 = 水尺零點（相對）高程 + 水尺讀數(shù) 觀測：通常每日三次（7、12、19h）； 水位漲落變化很大時：每小時測一次； 水位漲落變化不大時：每日8h測一次； 自記水位計 能自動記錄水位的連續(xù)變化過程，畫 在記錄紙上，或直接輸進計算機內(nèi)貯 存或計算。第34頁，共39頁。2.流量觀測斷面測量1）定義：計算流量所依據(jù)的河流橫斷面，稱為

15、水文（形態(tài)）斷面。2）選擇原則： 應選在近似于均勻流的河段上； 應盡量靠近調查的歷史洪水位； 數(shù)量應根據(jù)實際需要而定，一般可在橋位上下游各選一個； 必須垂直于洪水流向。3）方法：測水位；（水準儀）沿水面寬度取若干點測水深，得河底高程； 測深工具：測深桿、測深錘、回聲測深儀。連接各測深點，繪出過水斷面圖。1010501512100201530025151000寛淺河道窄深河道-52515n1000水面寬（m）最小測深垂線數(shù)n值窄深河道水面寬度（斷面平均水深）寬淺河道第35頁，共39頁。2.流量觀測流速測量1）浮標法選擇順直河段，布設基本測流斷面；在上游斷面投放浮標，在基線D處記錄浮標經(jīng)上下游斷 面的時間t，河段長度L，得流速 ； 如上法在上浮標斷面沿水面寬度每隔一定距離投放浮標， 得沿過水斷面寬度的流速分布；vm(i-1) 、vmi-相鄰浮標流速 v1、vn -兩岸近岸區(qū)流速 -流速系數(shù) 斜坡岸邊=0.7、陡岸=0.8-0.9、死水區(qū)=0.6。第36頁，共39頁。2.流量觀測流速測量2）流速儀法儀器：旋杯式流速儀、旋漿式