橋涵水文大中橋孔徑計算

橋涵水文大中橋孔徑計算第1頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月第6章大中橋孔徑計算根據(jù)橋位斷面的設(shè)計流量和設(shè)計水位，推算需要的橋孔最小長度和橋面中心最低高程，確定橋孔設(shè)計方案。計算依據(jù)：建橋前后橋位河段內(nèi)水流和泥沙運動的客觀規(guī)律。目前孔徑計算方法，都是建立在某種假設(shè)和實驗的基礎(chǔ)上，具有經(jīng)驗性，有待改進….第2頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月一、橋位河段的水流圖式由于泥沙運動的復(fù)雜性，在假設(shè)和實驗的基礎(chǔ)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(nèi)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(dāng)Fr＜1，水流為緩流；Fr=1，水流為臨界流；Fr＞1，水流為急流。第一節(jié)橋位河段水流圖式和橋孔布設(shè)第3頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月橋孔對水流的壓縮，從橋位上游相當(dāng)遠處的斷面①起，水面就開始壅高：無導(dǎo)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(dǎo)流堤時直到橋位下游附近的③’（有導(dǎo)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(fù)天然狀態(tài)。第4頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月第5頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月二、橋孔布置原則①必須保證設(shè)計洪水以內(nèi)的各級洪水和泥沙安全通過，并滿足通航、流冰、流木及其他漂浮物安全通過的要求；②應(yīng)適應(yīng)各類河流的特性及演變特點，避免河床產(chǎn)生不利變形，且做到經(jīng)濟合理。各類河段的特性及河床演變特點見表6-1-1；③建橋后的橋前壅水，不得對兩岸河堤、農(nóng)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。第6頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月④應(yīng)考慮橋位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。⑤橋位河段的天然河道不宜開挖或改移。開挖、改移河道具有充分的技術(shù)、經(jīng)濟論證。⑥跨越河口、海灣及海島之間的橋梁，必須保證在潮汐、海浪、風(fēng)暴潮、海流及海底泥沙運動等各種海洋水文條件影響下，正常使用和滿足通航要求。第7頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月⑦應(yīng)與天然河流斷面流量分配相適應(yīng)。在穩(wěn)定性河段上，左右河灘橋孔長度之比應(yīng)近似與左右河灘流量之比相當(dāng)，在次穩(wěn)定和不穩(wěn)定河段上，橋孔布設(shè)必須考慮河床變形和流量分布變化趨勢的影響。橋孔不宜壓縮河槽，可適當(dāng)壓縮河灘。⑧在內(nèi)河通航河段，通航橋孔布設(shè)應(yīng)符合《內(nèi)河通航標(biāo)準》（GB50139-2004）的規(guī)定，并應(yīng)充分考慮河床演變和不同水位所引起的航道變化。通航海輪的橋孔布設(shè)應(yīng)符合《通航海輪橋梁通航標(biāo)準》（JTJ311--97）規(guī)定。第8頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月⑨應(yīng)按《公路工程技術(shù)標(biāo)準》（JTGB01-2003）中規(guī)定，對跨徑小于或等于50m的橋孔，宜采用標(biāo)準化跨徑。⑩應(yīng)注意地質(zhì)情況，橋梁的墩臺基礎(chǔ)避免設(shè)在斷層、溶洞等不良地質(zhì)處。第9頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月三、各類河段上橋孔布設(shè)河流受很多因素的影響，一條河流的各個河段往往具有不同的特征，各個河段既有共同的性質(zhì)，又有不同的特點。根據(jù)河段的穩(wěn)定性和河床的變形特征，把河段分為以下幾類：峽谷河段、開闊河段、變遷河段、沖擊漫流河段、順直微彎河段、彎曲河段、分汊河段、寬灘河段、游蕩河段和抄襲河口河段。見表6-1-2第10頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月河段類型的判別，結(jié)合實際情況，一般在橋位上游不小于3~4倍河床寬度，下游不小于2倍河床寬度的范圍內(nèi)，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年左右的演變過程，作為衡量標(biāo)準。第11頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月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)和橋梁第12頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月第13頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月第14頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月②上游山區(qū)大峽谷第15頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月長江三峽支流干鉤子河第16頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月③山區(qū)河流開闊段第17頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月④山口沖積扇第18頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月第19頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月⑤沖積漫流河段第20頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月⑥黃土高原河段第21頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月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近岸波第22頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)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(yīng)滿足排洪和輸沙的要求，保證設(shè)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。第二節(jié)橋孔長度第23頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月一、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(shè)計流量Qs和設(shè)計水位Hs，根據(jù)水力學(xué)的連續(xù)性原理（Q=Av）求出橋下順利宣泄設(shè)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。第24頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月計算橋孔長度，通常采用天然河槽平均流速作為設(shè)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(shè)計流量；Vs—設(shè)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(cè)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；第25頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月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(cè)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。第26頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月沖刷系數(shù)p沖刷后與沖刷前橋下過水面積之比P=A(沖后)/A(沖前)根據(jù)水力學(xué)連續(xù)性原理有∵Qs=p·Ay·VsAy=μAj∴Aj=Qs/(μ·p·Vs)∵Ad=λAqAj=Aq-Ad=(1-λ)Aq∴第27頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月沖刷系數(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(yīng)大于1.2，山前區(qū)變遷性河段不應(yīng)大于1.4。沖刷系數(shù)法適用于細顆粒、均勻的砂質(zhì)河床、平原穩(wěn)定性河床。第28頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月二、用橋孔凈長度經(jīng)驗公式計算注意事項：①由公式計算的為橋孔最小凈長度，實際橋孔長度為算出最小橋孔凈長度在加上所有橋墩的寬帶；②計算所得最小橋孔凈長度為水流與橋軸正交時的長度，如為斜橋，則應(yīng)換算為斜橋軸線方向的長度。第29頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月1、對于有明顯河槽的各類河段Lj—最小橋孔凈長度；Qs—設(shè)計洪水流量；Qc—設(shè)計洪水的河槽流量；Bc—河槽寬度；K、n—反映河床穩(wěn)定性系數(shù)和指數(shù)，見表6-2-1.第30頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月表6-2-1K、n值表河段類型Kn開闊、順直微彎等穩(wěn)定性河段0.840.9分汊、彎曲、寬灘等次穩(wěn)定性河段0.950.87灘、槽可分的不穩(wěn)定河段0.691.59第31頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2、對于無明顯河槽的變遷性、游蕩性河段河槽寬度Bc為選定橋孔長度的重要參數(shù)。對灘槽難分的地區(qū)，通過對我國新疆、青海、內(nèi)蒙、河北等地實橋調(diào)查資料，多元逐步回歸分析得到河床寬B0與多年洪水平均流量Q和河床平均粒徑d存在下列關(guān)系：第32頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月引入一個與設(shè)計洪水頻率p(%)相關(guān)的系數(shù)Cp，取最小橋孔凈長度Lj為：Lj=Cp·B0有：其中：第33頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月橋面高程指橋面中心線上最低點的高程。必須滿足橋下通過設(shè)計洪水、流冰、流木和通航的要求。一、引起橋下水位升高的因素引起橋下水位升高的因素有壅水、波浪、水拱、河灣凹岸水面超高以及河床淤積等。1、壅水建橋后，天然水流受到橋孔壓縮，橋梁上游形成壅水，天然水面（正常水深）以上被壅起的高度，稱為壅水高度。第三節(jié)橋面高程第34頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）橋前最大壅水高度△z《公路工程水文勘測設(shè)計指南》推薦用計算橋前最大壅水計算公式為：第35頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）橋下壅水高度△z’橋下壅水高度△z’是指橋下斷面處的壅水高度，可以參照洪水情勢和土質(zhì)易沖程度按表6-3-2取值。序號洪水和河床土質(zhì)條件△z’取值1一般情況1/2△z2洪水暴漲暴落，土質(zhì)堅硬，不易沖刷時△z3洪水漲落緩慢，土壤松軟，易沖刷時不計表6-3-2橋下壅水高度△z’取值第36頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）壅水曲線最大壅水?dāng)嗝嫦掠蔚乃孥账€，對于緩坡河流為a1型壅水曲線，在橋位設(shè)計中，可看做二次拋物線進行計算，壅水曲線全長L和任意斷面A處壅水高度△zA可按下式近似計算：i—河床比降；LA—任意斷面A至最大壅水?dāng)嗝娴木嚯x。第37頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2、波浪（1）橋位處的波浪高度橋位處的波浪高度一般通過調(diào)查確定，計算橋面高程時，以橋位靜水面以上，波浪高度的三分之二記入，行進波在墩前受阻，還應(yīng)計入波高增大。調(diào)查困難，按規(guī)范或設(shè)計手冊推薦方法確定：第38頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月其中△h2——波浪高度，從波峰到波谷的高度；——波浪平均高度；KF—系數(shù)，時，取2.42，時，取2.3；th—雙曲正切函數(shù)；—平均水深；D—風(fēng)區(qū)長度或浪程；第39頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月Vw—風(fēng)速，水面以上10m高度處多年所測洪水期間自記2min平均最大風(fēng)速的平均值：Vw0—風(fēng)速，水面以上10m高度處多年所測洪水期間自記10min平均最大風(fēng)速的平均值。以上計算浪高公式適用于大陸地區(qū)河流、湖泊的橋梁設(shè)計。第40頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）路堤（或?qū)Я鞯蹋┻吰绿幍牟ɡ伺栏卟ɡ藳_向路堤或?qū)Я鞯虙O邊坡而爬升的高度名稱為波浪爬高也稱邊坡的波浪侵襲高度。he—波浪爬高，自靜水面起算；K△—邊坡粗糙系數(shù)，表6-3-3；KV—與風(fēng)速有關(guān)的參數(shù)，表6-3-4；R0—相對爬高，查表6-3-5。第41頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）斜向的波浪爬高當(dāng)波浪斜向侵襲時，侵襲高度有所減弱，當(dāng)邊坡系數(shù)m＞1，斜向角度β≥30°時，按規(guī)范推薦公式計算：h’e—修正后的波浪侵襲高度；β—構(gòu)造物邊坡上水邊線與浪射線的夾角；he—波浪侵襲高度。第42頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月3、其他引起水位升高的情況①漲水時同一斷面的主槽流速比兩側(cè)河灘的流速大，主槽水位比河灘水位上漲快，形成河心水位高，兩邊河灘水位低的水拱現(xiàn)象；②洪水由峽谷山口流出時，也會出現(xiàn)水拱現(xiàn)象；③河灣處形成水門橫比降，引起凹岸水位超過；④局部股流用稿及河床淤積等。第43頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月河灣處水位超高值計算：△h—河灣水位超高值；V—斷面平均流速；B—水面寬度；R—河灣凹凸岸曲率半徑的平均值。在計算橋面高程時，可計入河灣水位超高值的二分之一。第44頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月4、急流河槽中橋墩的水流沖擊高度△hd墩前水流沖擊高度△hd有水力學(xué)動量方程和連續(xù)方程得：h0、v0—墩前河槽的天然水深和流速。第45頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月二、橋下凈空安全值1、不同航河段非通航河流橋下最小凈空橋梁部位高出計算水位m高出最高流冰面m梁底洪水期無大漂流物0.500.75洪水期有大漂流物1.50-有泥石流1.00-支承墊石頂面0.250.50拱腳0.250.25第46頁，課件共52頁，創(chuàng)作于2023年2月2、有流冰、流木的河段流冰、流