第五講-大中橋孔徑計算

大中橋孔徑計算第六章大中橋孔徑計算大中橋的孔徑計算，主要是根據(jù)橋位斷面的設計流量和設計水位，推算需要的橋孔的最小長度和橋面中心最低高程，為確定橋孔設計方案，提供設計依據(jù)。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，危及橋梁的安全。因此，孔徑的計算和布置，應以建橋前后橋位河段內水流和泥沙運動的客觀規(guī)律為依據(jù)。由于對這種客觀規(guī)律的認識還很不夠，目前所用的孔徑計算方法，都是建立在某種假定和實驗的基礎之上，帶有一定的經(jīng)驗性，尚待改進。但生產(chǎn)實踐表明，這些方法目前仍有實用價值。第五章大中橋孔徑計算橋孔長度

2橋位河段水流圖式和橋孔布置原則

31橋面高程

33計算實例

4一、橋位河段的水流圖式由于泥沙運動的復雜性，在假設和實驗的基礎上只建立了緩流河段（弗汝德數(shù)Fr＜1）的簡化水流圖式。弗汝德數(shù)(Fr)Froudemumber：流體內慣性力與重力的比值。用佛汝德數(shù)來判別明渠水流的流態(tài)：當Fr＜1，水流為緩流；Fr=1，水流為臨界流；Fr＞1，水流為急流。5.1橋位河段水流圖式和橋孔布置原則一、橋位河段的水流圖式

弗汝德數(shù)Fr:它表示過水斷面上單位重量液體具有的平均動能與平均勢能的比值,它也表示水流慣性力與重力的比值。Fr<1表示水流平均動能較小,重力占主導,水流為緩流;Fr>1表示水流的平均動能較大,慣性力占主導Fr<1的緩流河段的水流圖式,適于大多數(shù)橋梁的孔徑計算。

5.1橋位河段水流圖式和橋孔布置原則一、橋位河段的水流圖式橋孔對水流的壓縮，從橋位上游相當遠處的斷面①起，水面就開始壅高：無導流堤在橋位上游大約一個橋孔長度L處的斷面②達到最大壅水高度△z。水流接近橋孔時，急劇收縮而呈“漏斗”狀，無導流堤時直到橋位下游附近的③’（有導流堤時則到橋位中線斷面③），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，水流逐漸擴散，到斷面④才恢復天然狀態(tài)。5.1橋位河段水流圖式和橋孔布置原則一、橋位河段的水流圖式橋位河段的水流圖式，反映了建橋后水流和泥沙運動的變化，并表現(xiàn)了橋孔長度、橋前雍水和橋下沖刷三者之間的關系，應作為橋孔計算的分析依據(jù)。5.1橋位河段水流圖式和橋孔布置原則二、橋孔布置原則建橋后引起的流勢變化、河床變形和橋前壅水高度，應在兩岸農田、村鎮(zhèn)和堤防安全的容許范圍內；橋孔設計應考慮橋址上下游已建或擬建的水利工程、航道、碼頭和管線等引起的河床演變對橋孔的影響；橋孔設計應在保證橋梁安全運營的情況下，順暢宣泄包括設計洪水在內的各級洪水的水流和泥沙，避免河床產(chǎn)生不利變形，保證墩臺具有足夠的穩(wěn)定性，并做到經(jīng)濟；橋孔設計應滿足通航、流冰、流水、流木及其它漂浮物順暢通過橋下的要求；5.1橋位河段水流圖式和橋孔布置原則二、橋孔布置原則除非確有技術、經(jīng)濟依據(jù)并能改善橋梁的工作狀況時，一般天然河道不應輕易開挖或改移；橋孔布設應與天然河流斷面流量分配相適應。在灘槽穩(wěn)定的河段上，若橋孔需延伸到河灘上的，其左右河灘橋孔之比應近似等于左右河灘流量之比；在灘槽不穩(wěn)定的河段或橋址位于河彎段時，橋孔布設應考慮河床變形和流量不均勻的影響；在通航和筏運的河段上，應充分考慮河床演變所引起的航道變化，將通航孔布設在穩(wěn)定的航道上，必要時可預留通航孔；在主流深泓線上不宜設橋墩，在斷層、陷穴、溶洞等不良地質地段也不宜布設橋墩；5.1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抉帶的泥沙順利宣泄，避免河床產(chǎn)生不利于橋梁的變形，并能滿足通航、流冰和漂浮物安全通過的要求。(2)應與天然河流斷面的流量分配相適應，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。

(3)應根據(jù)橋位河段的天然特征，以及水上建筑物(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。

(4)應盡可能照顧當?shù)氐陌l(fā)展規(guī)劃，與農田水利設施和生態(tài)環(huán)境保護相配合。建橋后的橋前壅水，不得對兩岸河堤、農田、村鎮(zhèn)造成威脅。在平原地區(qū)尤為重要，往往以橋前壅水的允許高度作為橋孔長度的控制因素。5.1橋位河段水流圖式和橋孔布置原則二、橋孔布置原則

(5)應按《技術標準)中的規(guī)定，對跨徑在60m以下的橋孔，盡可能采用標準跨徑。

(6)應注意地質情況，橋梁的墩臺基礎避免設在斷層、溶洞等不良地質處。

(7)應考慮施工條件和經(jīng)濟效益及生態(tài)環(huán)境效益，作全面的技術經(jīng)濟比較，選擇合理的橋孔設計方案。5.1橋位河段水流圖式和橋孔布置原則三、各類河段上的橋孔布設

1、河段的分類河流受很多因素的影響，各個河段既有共同的性質，又有不同的特點。一條大河流的各個河段往往具有不同的特征。橋位選擇、橋孔設計和各項水文計算等，都需要了解橋位河段的這種客觀規(guī)律，以便提出切合實際的設計方案。根據(jù)河段的穩(wěn)定情況及河床的變形特征，對河段進行分類，就是為了滿足橋位設計的要求。河段分類表見表6-1-1。山區(qū)河流平原區(qū)河流山前區(qū)河流河口5.1橋位河段水流圖式和橋孔布置原則三、各類河段上的橋孔布設

1、河段的分類橋位河段的類型，可參照表列河段特性結合實際情況判別，一般應在橋位上游不小于3～4倍河床寬度，下游不小于2倍河床寬度的范圍內，進行觀察分析；對于彎曲的河段，在上游至少要包括一個河灣。河段穩(wěn)定性及變形程度，可用50年左有的演變過程，作為衡量標準。5.1橋位河段水流圖式和橋孔布置原則三、各類河段上的橋孔布設

2、不同河段橋孔布設特點各類河段具有不同的特性，對橋孔布置也有不同的要求，可結合橋位河段的實際情況布設橋孔，表6-1-2可作參考。①河源一號冰川是烏魯木齊河的源頭，位于125公里處的天格爾山中，海拔3860.476米，長約2,2公里，平均寬500米，面積1.8平方公里。新疆天山一號冰川四、各類河段的形態(tài)和橋梁②上游山區(qū)大峽谷長江三峽支流干鉤子河③山區(qū)河流開闊段④山口沖積扇⑤沖積漫流河段⑥黃土高原河段⑦山前變遷性河段⑧長江三加州河網(wǎng)地區(qū)河流⑨潮汐河口河段⑩近岸波5.1橋位河段水流圖式和橋孔布置原則四、各類河段的形態(tài)和橋梁5.1橋位河段水流圖式和橋孔布置原則萬縣長江大橋大跨度鋼筋砼箱形拱橋，全長856.12m，橋寬24m；單孔跨長江，凈跨420m。三峽庫區(qū)蓄水至175米后，拱座及部分拱圈、橋墩淹沒，拱圈與水面形成斜交，不足18米通航凈高。部分拱圈和橋墩容易受到失控或違規(guī)航行的船舶撞擊，威脅大橋和過往船舶的安全。5.1橋位河段水流圖式和橋孔布置原則6.1橋位河段水流圖式和橋孔布置原則6.1橋位河段水流圖式和橋孔布置原則5.1橋位河段水流圖式和橋孔布置原則5.2橋孔長度

橋孔長度定義：沿著設計水位的水面線，兩橋臺前緣之間（埋入式橋臺則為兩橋臺護坡坡面之間）的水面寬度，稱為橋孔長度L?？鄢繕蚨諏挾龋ㄈ匝卦婢€）后，則稱為橋孔凈長Lj。橋孔長度的確定，首先應滿足排洪和輸沙的要求，即保證設計洪水及其所挾帶的泥沙能從橋下順利通過，并從安全和經(jīng)濟兩方面著眼，同時應綜合考慮橋孔長度、橋前壅水和橋下沖刷的相互影響。設計水位上，兩橋臺前緣之間的水面寬度，稱為橋孔長度（L），扣除全部橋墩寬度（順橋方向）后，稱為橋孔凈長（Lj）。橋孔長度的確定，首先應滿足排洪和輸沙的要求，保證設計洪水及其所挾帶的泥沙從橋下順利通過，并綜合考慮橋孔長度、橋前壅水和橋下沖刷的相互影響。橋孔長度的計算方法：①用橋下過水面積計算（沖刷系數(shù)法），②用橋孔凈長度經(jīng)驗公式計算。一、用橋下過水面積計算（沖刷系數(shù)法）原理：利用橋位斷面的設計流量Qs和設計水位Hs，根據(jù)水力學的連續(xù)性原理（Q=Av）求出橋下順利宣泄設計洪水時所需要的最小過水面積，用以確定橋孔的最小長度。沖刷完成過程：建橋后橋孔壓縮水流，橋下流速增大到一定時，橋下河槽開始沖刷，水深增加，橋下過水面積逐漸擴大，流速逐漸下降，沖刷減緩，直到停止。別列柳伯基假定：橋下過水面積擴大到使橋下流速等于天然河槽流速時，橋下沖刷級停止。5.2橋孔長度

一、用橋下過水面積計算Q=AV流量采用設計流量QS水位采用設計水位HS過水斷面面積A及流速V？建橋后過水斷面面積及流速的變化：橋孔水流壓縮橋下流速增大橋下河槽開始沖刷橋下過水面積增大橋下流速減小趨于穩(wěn)定天然河槽平均流速vS5.2橋孔長度

一、用橋下過水面積計算橋下過水面積的組成：μ——因墩臺側面渦流阻水而引起的橋下過水面積折減系數(shù)，壓縮系數(shù)。計算橋孔長度，通常采用天然河槽平均流速作為設計流速，即一般沖刷完成后的橋下平均流速。沖刷系數(shù)法計算要素：Qs—設計流量；Vs—設計流速；Ad—沖刷前橋墩所占的橋下過水面積；Ax—沖刷前墩臺側面渦流所占的橋下過水面積；Ay—沖刷前橋下有效的過水面積，不包括渦流及橋墩面積；Aj—沖刷前橋下凈水面積，不包括橋墩所占過水面積，Aj=Ay+Ax；Aq—沖刷前橋下毛過水面積，包括有效過水面積及橋墩和渦流所占過水面積，Aq=Ay+Ax+Ad=Aj+Ad；μ—因墩臺側面渦流阻水而引起的橋下過水面積折減系數(shù)，又稱壓縮系數(shù)，μ=Ay/Aj；μ=1-0.375Vs/lj(lj為橋墩凈間距）λ—因橋墩阻水引起的橋下過水面積折減系數(shù)，λ=Ad/Aq，一般寬淺河段，可認為λ=b/lb為橋墩寬度，l為橋墩中心間距。5.2橋孔長度

一、用橋下過水面積計算橋下過水面積的組成：λ——因橋墩阻水而引起的橋下過水面積折減系數(shù)。p——沖刷系數(shù)，沖刷前后橋下過水面積之比。沖刷后橋下有效過水面積、凈過水面積和毛過水面積分別為P*Ay、P*Aj和P*Aq。5.2橋孔長度

一、用橋下過水面積計算根據(jù)水流連續(xù)性原理：所以：又因為：所以：5.2橋孔長度

一、用橋下過水面積計算各類河段沖刷系數(shù)建議值第一步：利用上述公式求出橋下通過設計洪水時所需的最小過水面積；第二步：在橋位斷面圖上布設選定的橋孔設計方案，計算實有的橋下過水面積，若等于或稍大于上述公式計算的過水面積，則設計方案滿足所需要的橋下最小過水面積，其實有的橋孔凈長即為所求的橋孔長度。步驟：沖刷系數(shù)p表示橋下河槽的沖刷程度，也表示橋孔對水流的壓縮程度，是橋孔長度計算的控制因素。p取值:平原穩(wěn)定性河段水流河床穩(wěn)定，不宜壓縮，p取較小值；山前區(qū)變遷性河段因水流寬淺，多擺動，p值可取稍大些；平原河段不應大于1.2，山前區(qū)變遷性河段不應大于1.4。沖刷系數(shù)法適用于細顆粒、均勻的砂質河床、平原穩(wěn)定性河床。5.2橋孔長度

二、用橋孔凈長度經(jīng)驗公式計算1974年至1976年，交通部“大中橋孔設計”研究課題，組織全國交通部門全面進行橋孔水文調查，編制了《大中橋孔設計研究報告》，提出了橋孔凈長度計算公式，這些公式經(jīng)多次驗證、修訂，先后寫入三次修訂的(公路橋位勘測設計規(guī)范)(1982年、1991年)和(公路工程水文勘測設計規(guī)范)(2002年)，推薦在全國公路橋位勘測設計中應用。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(與流向垂直的橫斷面)必須具有的橋孔最小凈長度。應當注意以下兩點，這里算出的是橋孔最小凈長度，實際橋孔長度(橋臺前墻之間設計水位上的水面寬度)為將算出的最小橋孔凈長度再加所有橋墩的寬度；另外，算出的最小橋孔凈長度是指水流與橋軸正交時的長度，如果是斜橋，則應換算為斜橋軸線方向的長度。6.2橋孔長度

二、用橋孔凈長度經(jīng)驗公式計算1．對于有明顯河槽的各類河段5.2橋孔長度

二、用橋孔凈長度經(jīng)驗公式計算2．對于無明顯河槽的變遷性、游蕩性河段河槽寬度Bc（或兩岸間的寬度）是選定橋孔長度的重要參考因素，但是，我國新疆、青海、內蒙等地大型沖積扇及戈壁攤上的一些變遷性河流，無明顯的河床形態(tài)，灘槽難分；另外，平原游蕩性河流也有類似河床形態(tài)，河床寬淺，水流擺動不定。水流橫向擺動的范圍大大超過多年泄洪需要的河槽寬度（習慣上稱為基本河寬B0）。通過我國新疆、青海、內蒙、河北等地實橋調查資料，回歸分析得到基本河寬B0與多年洪水平均流量Q和河床質平均粒徑d存在下列關系：5.2橋孔長度

二、用橋孔凈長度經(jīng)驗公式計算2．對于無明顯河槽的變遷性、游蕩性河段5.2橋孔長度

二、用橋孔凈長度經(jīng)驗公計算這些經(jīng)驗公式只有一定的理論依據(jù)，應用數(shù)理統(tǒng)計法根據(jù)我國公路橋梁的實際資料制定的，形式簡單，便于應用。橋孔凈長確定后，即可根據(jù)斷面形態(tài)、主流位置、通航要求、河床演變趨勢、橋位河段地質等盡量選用合理的標淮跨徑，在橋位縱斷面團上和橋位地形因上進行合理的橋孔布沒，使橋下實際的水面寬度等于或稍大于計算的橋孔長度。橋孔布置應先河槽后河灘，這樣才能滿足排洪輸沙的需要．確保橋梁的安全。5.3橋面高程

橋面高程是指橋面中心線上最低點的高程，必須滿足橋下通過設計洪水、流冰、流木和通航的要求，并且應該考慮壅水、波浪、水拱、河灣凹岸水面超高以及河床淤積等各種因素引起的橋下水位升高。

一、引起橋下水位升高的因素1．壅水建橋后，天然水流受到橋孔壓縮，橋前形成壅水，天然水面(正常水深)以上壅起的高度，稱為壅水高度。最大壅水高度的位置，無導流堤時大約在橋位中線上游一個橋孔長度（L）附近；有導流堤時大約在導流堤的上游堤端附近。5.3橋面高程

一、引起橋下水位升高的因素1．壅水

(1)橋前最大壅水高度△Z

根據(jù)水力學原理，列出圖6-1-1中最大壅水高度斷面②和收縮斷面③(或下游斷面④)的能量方程，應該能夠解出△Z。但是，由于橋位附近的水流及河床變形非常復雜，能量損失等很多因素難以準確地求得，至今仍是有待研究的課題。最新《公路工程水文勘測設計指南》推薦試用下式計算橋前最大壅水高度：5.3橋面高程一、引起橋下水位升高的因素5.3橋面高程一、引起橋下水位升高的因素5.3橋面高程一、引起橋下水位升高的因素(2)橋下壅水高度△Z′橋下壅水高度度△Z′是指橋下斷面處的壅水高度，可根據(jù)洪水情勢和土質易沖程度參照表5-3-2取值。5.3橋面高程一、引起橋下水位升高的因素(3)壅水曲線最大壅水斷面以下的壅水曲線，對于緩坡（i＜ik）河流為a1型壅水曲線，曲線的精確繪制可按水力學中的“水面曲線繪制方法”進行，但在橋位設計中，一般可近似地看作二次拋物線進行計算，如圖5-3-1所示。5.3橋面高程一、引起橋下水位升高的因素壅水曲線的全長L和任意斷面處壅水高度△ZA可按下列公式計算：5.3橋面高程一、引起橋下水位升高的因素2.波浪水面受風的作用而呈現(xiàn)起伏波動，并沿風向傳播，形成波浪，如圖5-3-2所示。橋位處波浪的大小與風速、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、湖泊以及河岸較寬的水域或洪水持續(xù)時間很久的河流上均需要考慮波浪對橋高的影響。5.3橋面高程一、引起橋下水位升高的因素

（1）橋位處的波浪高度橋位處河流洪水的波浪高度一般通過調查確定。計算橋面高程時，以橋位處靜水面以上，波浪高度的三分之二計入。另外，行進波在墩前受阻，還應計入波高增大。調查困難時，可按有關規(guī)范或設計手冊推薦的方法確定，用公式計算。計算公式如下：5.3橋面高程一、引起橋下水位升高的因素

（1）橋位處的波浪高度5.3橋面高程一、引起橋下水位升高的因素

（1）橋位處的波浪高度風速資料可由氣象站搜集，但須按《公路工程水文勘測設計規(guī)范》的要求進行審查和換算。缺少實測風速資料時，可按風力等級估算風速（表4-3-1）。

平均水深一般采用沿計算浪程方向的平均水深，可根據(jù)河流橫斷面及河床計算浪程方向的起伏情況估算。

計算浪程是波浪沿一定風向可能傳播的距離，應根據(jù)汛期風玫瑰圖和橋位地形圖確定。沿波浪傳播方向(或風向)，從泛濫邊界至橋位計算波浪處的距離為最大浪程，見圖5-3-3a，一般可作為計算浪程。6.3橋面高程一、引起橋下水位升高的因素5.3橋面高程一、引起橋下水位升高的因素

5.3橋面高程一、引起橋下水位升高的因素

（2）路堤（或導流堤）邊坡處的波浪爬高

波浪向路堤（或導流堤）邊坡而爬升的高度，稱為波浪爬高或波浪侵襲高度。確定河灘路堤和導流堤等頂面高程時，應計入這一高度?？砂础豆饭こ趟目睖y設計規(guī)范》推薦的公式計算：5.3橋面高程一、引起橋下水位升高的因素

（2）路堤（或導流堤）邊坡處的波浪爬高邊坡粗糙系數(shù)K△與風速有關的系數(shù)KV波浪相對爬高R05.3橋面高程一、引起橋下水位升高的因素

（3）斜向的波浪爬高當波浪斜向侵襲時，侵襲高度有所減弱，當邊坡系數(shù)m＞1（或α＜45°)、斜向角度β≥30°時，可按下式計算：5.3橋面高程一、引起橋下水位升高的因素3.其他水拱高河床淤積高度橫灣比降5.3橋面高程一、引起橋下水位升高的因素4.急流河槽中橋墩的水流沖擊高度△hd急流河槽(Fr<1)修建橋梁后，橋梁上游河槽不出現(xiàn)a1型壅水曲線，即不存在橋前壅水高度和橋下壅水高度，但是出現(xiàn)橋墩迎水面水流濺起的沖擊高度。在確定橋面高程時，不計壅水高度△Z，而以水流沖擊高度△hd計入。墩前水流沖擊高度△hd由動量方程和連續(xù)方程得：5.3橋面高程二、橋下凈空安全值1.不同航河段橋下凈空安全值的規(guī)定見表5-3-6。5.3橋面高程二、橋下凈空安全值2.有流冰、流木河段應考慮流冰、流木主要從河槽橋