工學(xué)橋涵水文1概論課件

1、橋涵水文學(xué)河流概論橋梁與結(jié)構(gòu)教研室: 李 林第1頁(yè)，共39頁(yè)。教學(xué)目的和任務(wù)1）了解河流流域的有關(guān)概念；2）了解流域特征及其對(duì)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(diǎn)；4）掌握徑流形成過(guò)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(diào)查、形態(tài)斷面 的流速和流量計(jì)算。第2頁(yè)，共39頁(yè)。水力學(xué)與橋涵水文+第3頁(yè)，共39頁(yè)。水力學(xué)水文學(xué)研究關(guān)于地球上水的起源、存在、分布、循環(huán)、運(yùn)動(dòng)等變化規(guī)律，以及運(yùn)用這些規(guī)律為人類服務(wù)的知識(shí)體系。研究液體處于靜止和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的力學(xué)規(guī)律，并運(yùn)用這些規(guī)律解決工程實(shí)際問(wèn)題的一門(mén)科學(xué)。第4頁(yè)，共39頁(yè)。橋涵水文的特點(diǎn)：橋涵水文屬工程河川水文學(xué)范疇并具專

2、業(yè)性應(yīng)用特點(diǎn)。主要依靠數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法，分析實(shí)地調(diào)查勘測(cè)的河川水文資料，預(yù)示橋涵水文工程可能遭遇的未來(lái)水文趨勢(shì)、為橋涵設(shè)計(jì)提供必不可少的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。水文學(xué)研究?jī)?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(xué)科。 第5頁(yè)，共39頁(yè)。橋涵水文的研究意義：1）橋涵規(guī)劃設(shè)計(jì)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(jìn)行分析和計(jì)算，從而確定橋涵工程的位置、規(guī)模和基本尺寸， 為整個(gè)橋涵工程的技術(shù)設(shè)計(jì)當(dāng)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(jì)性，估算施工期設(shè)計(jì)洪水。3）橋涵運(yùn)營(yíng)階段 根據(jù)實(shí)際的河流水情編制相應(yīng)的橋涵日常管理計(jì)劃和制度，復(fù) 核和修建

3、規(guī)劃設(shè)計(jì)階段的水文分析結(jié)果，確定是否需要對(duì)橋涵 工程進(jìn)行相應(yīng)的維修與改造，河床是否需要整治等。第6頁(yè)，共39頁(yè)。課程的主要內(nèi)容跨河構(gòu)筑物過(guò)河點(diǎn)的選擇與確定設(shè)計(jì)流量的確定跨河構(gòu)筑物孔徑的確定跨河構(gòu)筑物基礎(chǔ)埋深河道中調(diào)治構(gòu)筑物的設(shè)計(jì)第7頁(yè)，共39頁(yè)。橋與水？第8頁(yè)，共39頁(yè)。橋梁與水成溫三渡水大橋垮塌專家勘測(cè)結(jié)論：排除橋梁質(zhì)量問(wèn)題引發(fā)塌陷的可能。該橋一共有15個(gè)橋孔，只有5個(gè)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(gè)承重橋墩的基礎(chǔ)被淘蝕，加之重力 作用，所以出現(xiàn)了塌陷。因?yàn)樾聵驑蚨仗幱谏嫌?，橋墩基礎(chǔ)先于舊橋受到洪水沖刷，淘蝕 嚴(yán)重，因而首先出現(xiàn)塌陷。而舊橋處于下游，洪水到達(dá)時(shí)力量已

4、 減緩，因而受到淘蝕的情況不嚴(yán)重，所以在新橋出現(xiàn)險(xiǎn)情后數(shù)小 時(shí)才垮塌。 其他看法：交通局認(rèn)為是過(guò)度采砂。河道管理部門(mén)認(rèn)為河流缺乏疏浚。第9頁(yè)，共39頁(yè)。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(jié)構(gòu)掉入水中。 水的流速大，造成橋梁下部基礎(chǔ)被沖毀，是沖刷深度大于基礎(chǔ)（擴(kuò)大基礎(chǔ)）的埋深所致，糾其原因應(yīng)該是橋梁設(shè)計(jì)時(shí)未考慮這 么大的水，橋跨布置過(guò)小，河床段面壓縮過(guò)大所致。橋梁與水第10頁(yè)，共39頁(yè)。橋梁與水1 墩臺(tái)埋置深度泥沙沖刷2 橋孔長(zhǎng)度泄洪（設(shè)計(jì)流量）3 橋面標(biāo)高設(shè)計(jì)水位第11頁(yè)，共39頁(yè)。主要內(nèi)容：河流和流域河川徑流的形成水文測(cè)驗(yàn)水文資料的搜集與整理第二章 河川徑流第12頁(yè)

5、，共39頁(yè)。河流及流域第13頁(yè)，共39頁(yè)。河流的形成和分段1）定義：受重力作用沿河床流動(dòng)的水流。2）河流的分段特性河源：河流的起點(diǎn)。（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(qiáng)、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(kāi)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(fù)式斷面。）河口：河流的終點(diǎn)。（河口處斷面擴(kuò)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(zhǎng)江中游淮河下游段黃河河口1.河流第14頁(yè)，共39頁(yè)。1.河流河

6、川徑流：受重力作用沿河床流動(dòng)的水流。1）河流的形成和分段分段河谷形態(tài)河床物質(zhì)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(cè)蝕中中下游寬淺U細(xì)砂淤泥小小堆積大小第15頁(yè)，共39頁(yè)。第16頁(yè)，共39頁(yè)。2.水文現(xiàn)象的特點(diǎn)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(dòng)的水流。3）河川徑流：在河槽內(nèi)流動(dòng)的水流。1）降水：地球上的雨、雪、冰、雹等現(xiàn)象。第17頁(yè)，共39頁(yè)。2.水文現(xiàn)象的特點(diǎn)水文現(xiàn)象的特點(diǎn)1）隨機(jī)性：水文現(xiàn)象發(fā)生的數(shù)值大小及發(fā)生的時(shí)間都具有一 定的偶然性，難以運(yùn)用演繹方法確定其必然性的 因果關(guān)系。2）周期性：水

7、文現(xiàn)象的重現(xiàn)性只存在長(zhǎng)期的平均關(guān)系只能表 示出相對(duì)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(yè)，共39頁(yè)。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(yù)報(bào)、預(yù)測(cè)水文情 勢(shì)。如降雨徑流預(yù)報(bào)法、河流洪水演算法預(yù)報(bào)等。2）數(shù)理統(tǒng)計(jì)法： 把水文現(xiàn)象當(dāng)作隨機(jī)變量，用概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法解決 水文問(wèn)題。是目前廣泛應(yīng)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(yàn)公式或畫(huà)出等

8、值線圖，用于解決無(wú)資料流域的 水文計(jì)算問(wèn)題。第19頁(yè)，共39頁(yè)。河流及流域第20頁(yè)，共39頁(yè)。1.河流的基本特征河流的基本特征1） 河長(zhǎng)L ：自河源至河口的長(zhǎng)度長(zhǎng)，可從地形圖上量出；2） 彎曲系數(shù) ：河道全長(zhǎng)與河源到河口的直線長(zhǎng)度之比。3）河流橫斷面：即過(guò)水?dāng)嗝?，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(shí)水流通過(guò)的部分。邊灘：由可移動(dòng)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(zhì)運(yùn)動(dòng)，植物不易生長(zhǎng)。河灘：高洪水位時(shí)的水流通道，通常長(zhǎng)有雜草、灌木或耕植有農(nóng)作物， 在

9、洪水期無(wú)明顯的底沙運(yùn)動(dòng)。單式斷面：只有主槽而無(wú)灘地 一槽一灘一槽兩灘復(fù)式斷面：有主槽有灘地 第21頁(yè)，共39頁(yè)。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(diǎn)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(zhǎng)的落差。（包括水面比降、河底比降）第22頁(yè)，共39頁(yè)。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(yè)，共39頁(yè)。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(jì)。 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(lái)，直至將橋位點(diǎn)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(diào)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(shì)高于周?chē)锏氐奶攸c(diǎn)，勾繪出匯水區(qū)。第24頁(yè)，共39頁(yè)。3）流域面積的計(jì)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(jì)算流域面積，所定方格越小，計(jì)算越準(zhǔn)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(cè)圖形面積的專用儀器(求積儀),在圖上直接量算面積。 第25頁(yè)，共39頁(yè)

11、。3.河段分類按地形特點(diǎn)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(kāi)闊河段：河面較寬，有邊灘，有時(shí)也有不大的河漫灘和明顯 階地，有的地方也會(huì)出現(xiàn)河心灘和沙洲，必降較緩，河床泥砂 較細(xì)；4）峽谷河段：河床狹窄，河岸陡峭，中、枯水位河槽無(wú)明顯區(qū)別。第26頁(yè)，共39頁(yè)。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(cè)窄深，凸岸側(cè)為寬而高的邊灘，過(guò)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(kāi)闊，有時(shí)河槽高出地面，靠?jī)蓚?cè)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(yè)，共39頁(yè)。河川徑流第28頁(yè)，共39頁(yè)。1.河川徑流形成過(guò)程及影響因素1）降水過(guò)程 降雨量的大小起決定性的作用。 2）流入滲過(guò)程 降雨開(kāi)始時(shí)，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(guò)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(guò)程 匯入河溝的水，由小溝到支流，由支流到干流，最后達(dá)到流域 出口斷面。河川徑流形成過(guò)程河川徑流形成過(guò)程第29頁(yè)，共39頁(yè)。1.河川徑流形成過(guò)程及影響因素河川徑流影響因素1）降水-強(qiáng)度越大，歷時(shí)愈短，徑流量越大。2）蒸發(fā)-蒸發(fā)強(qiáng)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(zhì)、植被、湖泊 人 類 活 動(dòng)修建水庫(kù)、水土保持第30頁(yè)，共39頁(yè)。2.河川徑流的表示方法1）流量（Q）：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)河流某一斷面的水量（m/s）。洪峰流量：洪水期的瞬時(shí)最大流量。2）徑流總量（W）：時(shí)段T內(nèi)通過(guò)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(shí)段的徑流深度與降水量之比。 第31頁(yè)，共39頁(yè)。3.我國(guó)河流水量的補(bǔ)給類型1）雨源類 秦嶺、淮河以南到臺(tái)灣、海南島、云南廣大地區(qū) 特點(diǎn)：一年內(nèi)徑流量的變化與降水變化完全一致；夏天雨季 來(lái)臨，流量增大；入秋后雨季結(jié)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(guò)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(bǔ)給以融雪為主，年流量過(guò)程線成單峰形。第32頁(yè)，共39頁(yè)。河川水文資料的收集與整理方法第33頁(yè)，共39頁(yè)。1.水位（水面高程）觀測(cè)水尺（水準(zhǔn)尺） 水位 = 水尺零點(diǎn)（相對(duì)）高程 + 水尺讀數(shù) 觀測(cè)：通常每日三次（7、12、19h）； 水位漲落變化很大時(shí)：每小時(shí)測(cè)一次； 水位漲落變化不大時(shí)：每日8h測(cè)一次； 自記水位計(jì) 能自動(dòng)記錄水位的連續(xù)變化過(guò)程，畫(huà) 在記錄紙上，或直接輸進(jìn)計(jì)算機(jī)內(nèi)貯 存或計(jì)算。第34頁(yè)，共39頁(yè)。2.流量觀測(cè)斷面測(cè)量1）定義：計(jì)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(yīng)選在近似于均勻流的河段上； 應(yīng)盡量靠近調(diào)查的歷史洪水位； 數(shù)量應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要而定，一般可在橋位上下游各選一個(gè)； 必須垂直于洪水流向。3）方法：測(cè)水位；（水準(zhǔn)儀）沿水面寬度取若干點(diǎn)測(cè)水深，得河底高程； 測(cè)深工具：測(cè)深桿、測(cè)深錘、回聲測(cè)深儀。連接各測(cè)深點(diǎn)，繪出過(guò)水?dāng)嗝鎴D。1010501512100201530025151000寛淺河道窄深河道-52515n1000水面寬（m）最小測(cè)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(yè)，共39頁(yè)。2.流量觀測(cè)流速測(cè)量1）浮標(biāo)法選擇順直河段，布設(shè)基本測(cè)流斷面；在上游斷面投放浮標(biāo)，在基線D處記錄浮標(biāo)經(jīng)上下游斷 面的時(shí)間t，河段長(zhǎng)度L，得流速 ； 如上法在上浮標(biāo)斷面沿水面寬度每隔一定距離投放浮標(biāo)， 得沿過(guò)水?dāng)嗝鎸挾鹊牧魉俜植?；vm(i-1) 、vmi-相鄰浮標(biāo)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(yè)，共39頁(yè)。2.流量觀測(cè)流速測(cè)量2）流速儀法儀器：旋杯式流速儀、旋漿式