桥涵水文大作业.pdf

0 桥涵水文 课程大 作业 指导老师 许崇法 学生 郭赵元 学号 21710131 桥梁水文设计计算说 明书 1 目录 习题一 3 1 1 基本资料 3 1 1 1 水文资料 3 1 1 2 桥梁断面及地质资料 3 1 1 3 通航要求 3 1 1 4 设计计算要求 3 1 2 设计流量的推求 5 1 2 1 特大值处理 5 1 2 2 用适线法推求理论频率曲线 6 1 2 3 推求设计流量 7 1 3 设计水位的推求 8 1 3 1 典型点的水力参数 8 1 3 2 推求设计水位 9 1 4 确定桥长及布孔 10 1 5 确定桥面最低标高 11 1 5 1 桥前最大壅水高度 11 1 5 2 桥下雍水高度 11 1 5 3 浪高 11 1 5 4 波浪坡面爬高 12 1 5 5 桥面最低标高 12 1 6 确定桥梁墩 台基底标高 13 1 6 1 桥下断面一般冲刷后水深 13 1 6 2 桥墩局部冲刷深度 13 1 6 3 桥墩的最低冲刷线高程 14 1 6 4 桥台冲刷 14 1 6 5 桥台的最低冲刷线高程 14 2 习题二 15 2 1 基本资料 15 2 2 孔径计算 15 2 2 1 天然水力因素计算 15 2 2 2 判断桥下水流图式 16 2 2 3 桥孔长度 16 2 2 4 桥前水深 16 2 2 5 桥面最底高程 16 2 2 6 根据路基设计高程推算小桥孔径 16 2 3 结论 16 习题三 17 3 1 基本资料 17 3 2 孔径计算 17 3 2 1 无压力式盖板涵或箱涵 17 3 2 2 无压力式拱涵 18 3 2 3 无压力式圆管涵 18 3 3 结论 18 3 习题一习题一 1 11 1 基本资料基本资料 1 1 11 1 1 水文资料水文资料 1 某二级公路跨越某平原次稳定河段 桥位附近水文站历年最大流量及相应水位资料见本 题表 1 1887 年 1974 年和 1975 年的流量是由调查到的历史洪水位推求得到 其中 1974 年 1975 年亦在实测期内 2 汛期含沙量 2 5kg m3 3 河段基本顺直 桥位轴线与河道正交 属狭窄水面的河流 河槽内天然冲淤比较明显 主流在河槽内摆动 汛期多为 6 7 级风 平均风速为 13 9m s 沿浪程方向平均水深为 12m 计 算浪程为 700m 4 河槽糙率 1 41 河滩糙率 1 30 5 河床比降 i 0 14 6 容许冲刷系数 p 1 1 1 1 21 1 2 桥梁断面及地质资料桥梁断面及地质资料 1 某江桥位断面测量资料 见本题表 2 2 桩号 94K 805 95K 185 为滩槽分界点 3 河床土质状况 河床土壤为松软土壤 中砂 表层 1 0 35 h1 0 8m 下层 2 25 h2 0 8m 中值粒径 d50 25mm 平均粒径 23 1 1 31 1 3 通航要求通航要求 二级三类航道 通航频率 p 5 主桥建筑高度为 3 0m 桥面铺装厚度为 0 20m 1 1 41 1 4 设计计算要求设计计算要求 1 设计流量和设计水位的推求 2 确定桥长及布孔 1 500 3 确定桥面最低标高 4 确定桥梁墩 台基底标高 5 提交设计计算说明书 Q H 关系曲线图和桥孔布置图等 4 年最大流量及相应水位 表 1 1 年份 年最大流量 Q 相应最高水位 H m 1887 13000 39 4 1967 3450 34 38 1968 8300 37 25 1969 7900 37 13 1970 5800 35 6 1971 6300 36 18 1972 6650 36 6 1973 6700 36 65 1974 10100 37 9 1975 11400 38 55 1976 5600 35 54 1977 3800 34 67 1978 5920 35 7 1979 5900 35 68 1980 2700 33 75 1981 5700 35 56 1982 6000 36 1 1983 3300 34 1 1984 5500 35 5 1985 4500 35 1986 6050 36 2 河床断面桩号及相应标高 表 1 2 桩号 河床标高 m 桩号 河床标高 m 94K 795 42 81 49 25 31 796 41 55 119 25 5 798 38 95 166 28 6 800 35 99 185 31 28 961 22 95 235 34 65 989 23 53 285 35 96 95K 026 24 8 301 45 11 5 1 21 2 设计流量的推求设计流量的推求 观察表一可以发现 1887 1974 和 1975 年的流量明显大于其他年的观测流量 这时不能把这几 个特大值与其他数值同等对待 而应当按特大值处理 1 2 11 2 1 特大值特大值处理处理 首先把流量从大到小排序 并计算出经验频率 列于如下表格 1 3 经验频率表格 表 1 3 年份 年最大流量 Q 3 s 经验频率 1 2 1887 13000 1 1 602076444 1975 11400 2 0 578054804 1974 10100 3 0 973916961 1968 8300 14 28571429 0 199435905 1969 7900 19 04761905 0 142029229 1973 6700 23 80952381 0 028131072 1972 6650 28 57142857 0 025283814 1971 6300 33 33333333 0 009605643 1986 6050 38 0952381 0 002963346 1982 6000 42 85714286 0 002090526 1978 5920 47 61904762 0 001009924 1979 5900 52 38095238 0 000800526 1970 5800 57 14285714 0 000118045 1981 5700 61 9047619 4 3084E 05 1976 5600 66 66666667 0 000575642 1984 5500 71 42857143 0 00171572 1985 4500 76 19047619 0 04653007 1977 3800 80 95238095 0 114047523 1967 3450 85 71428571 0 158969421 1983 3300 90 47619048 0 180499861 1980 2700 95 23809524 0 280290808 6 1 2 21 2 2 用适线法用适线法推求理论频推求理论频率曲线率曲线 当取用 0 38 3 5 0 38 1 33 时 绘出理论频率曲线如下图 1 1 可以发现曲线虽 然能够较好的拟合特大值 但是曲线尾部并不能较好拟合经验频率散点 这时可以适当减小 适 当增大 图 1 1 理论频率曲线 初步适线 下面取用 0 35 4 0 35 1 4 绘出理论频率曲线如下图 1 2 可以发现此时曲线不 仅头部能够较好拟合特大值 而且尾部也能够较好的拟合经验频率散点 图 1 2 理论频率曲线 调整后 0 010 050 1 0 20 51510 20 30 40 50 60 708090 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 13000 14000 海森机率格纸纵轴经验频率曲线散点理论频率曲线海森机率格纸横轴 0 010 050 1 0 20 51510 20 30 40 50 60 708090 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 11000 12000 13000 14000 海森机率格纸纵轴经验频率曲线散点理论频率曲线海森机率格纸横轴 7 1 2 31 2 3 推求推求设计流量设计流量 这里可以算出河床总宽度为 506m 根据 公路工程技术标准 JTG B01 2003 表 5 0 2 可 知 该桥总跨径应在 100 1000m 之间 属于大桥的范畴 由表 5 0 4 可知二级公路大桥设计洪水频 率为 1 从下表 1 4 可以发现 当 P 1 时 Q 12307 11m3 s 理论频率曲线 调整后 数据表 表 1 4 频率 设计流量 m3 s 至 P 50 的距离 X 轴 Y 轴 1 12307 1101 2 32635 1 392669 12307 11 2 11170 9069 2 05375 1 665268 11170 91 3 10495 5157 1 88079 1 838223 10495 52 4 10010 4228 1 75069 1 96833 10010 42 5 9630 24255 1 64485 2 074163 9630 243 6 9316 74405 1 55477 2 164243 9316 744 7 9049 44743 1 47579 2 243225 9049 447 8 8816 08368 1 40507 2 313945 8816 084 9 8608 71364 1 34076 2 378261 8608 714 10 8421 90078 1 28155 2 437465 8421 901 20 7153 67894 0 84162 2 877395 7153 679 30 6366 37641 0 5244 3 194616 6366 376 40 5774 29588 0 25335 3 465669 5774 296 50 5285 12868 0 3 719016 5285 129 60 4855 08593 0 253347 3 972364 4855 086 70 4456 85435 0 524401 4 243417 4456 854 80 4066 38539 0 841621 4 560638 4066 385 90 3646 25083 1 281552 5 000568 3646 251 95 3391 56171 1 644854 5 36387 3391 562 98 3187 28623 2 053749 5 772765 3187 286 99 3090 58648 2 326348 6 045364 3090 586 前面的图 1 2 的理论频率曲线即是由该表格中的数据绘出 图 1 1 的绘制与此一样 数据表格不再单独列出 8 1 31 3 设计设计水位的推求水位的推求 1 3 11 3 1 典型点典型点的水力参数的水力参数 分别在 CAD 和 EXCEL 中绘出过水断面如下图 1 3 1 4 所示 图 1 3 CAD 中绘出过水断面 图 1 4 EXCEL 中绘出过水断面 下面列举出一些有代表性的点 分别用 CAD 计算出其过水断面的流量和湿周 整理后列于下 表 1 5 河床典型点水力参数 表 1 5 河床标高 过水面积 湿周 31 28 1692 1794 327 507 35 585 3361 3513 466 6461 35 96 3539 5356 485 6091 35 99 3554 0808 486 0411 38 95 5000 4565 495 576 41 55 6288 7607 504 0936 42 81 6919 2351 508 2404 河床标高在 35 96m 以上的斜率变化点 右滩与主槽分界点 参见图 1 4 左滩与主槽分界点 参见图 1 4 42 81 41 55 38 95 35 99 22 9523 53 24 825 31 25 5 28 6 31 28 34 65 35 96 45 11 94K 795961989 95K 026 49119166185235285301 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 河床高程滩槽分界点1滩槽分界点2 9 1 3 21 3 2 推求设计推求设计水位水位 利用 CAD 软件 分别查询并计算出主槽 左滩 右滩在各个高程的水力参数值 汇总于下表 1 6 1 7 1 8 主槽水力参数计算表 表 1 6 河床标高 过水面积 湿周 水力半径 河床比降 i 流速 流量 31 28 1692 179 327 507 5 16685 0 00014 1 449879 2453 455 35 585 3213 668 380 8334 8 438513 0 00014 2 010752 6461 888 35 99 3367 567 380 8333 8 842629 0 00014 2 074446 6985 837 38 95 4492 366 380 8333 11 79615 0 00014 2 513862 11293 19 42 81 5959 165 380 8334 15 64769 0 00014 3 034926 18085 62 左滩水力参数计算表 表 1 7 河床标高 过水面积 湿周 水力半径 河床比降 i 流速 流量 31 28 0 0 0 0 00014 0 0 35 585 0 0 0 0 00014 0 0 35 99 1 0126 5 0168 0 201842 0 00014 0 12214 0 123679 38 95 18 7737 8 5891 2 185759 0 00014 0 597842 11 22371 42 81 51 5452 13 4779 3 824424 0 00014 0 868086 44 74565 右滩水力参数计算表 表 1 8 河床标高 过水面积 湿周 水力半径 河床比降 i 流速 流量 31 28 0 0 0 0 00014 0 0 35 585 147 6837 85 8127 1 721001 0 00014 0 509768 75 28443 35 99 185 5008 100 191 1 851472 0 00014 0 535217 99 2832 38 95 489 3165 106 1536 4 609514 0 00014 0 983155 481 074 42 81 908 5251 113 9291 7 974478 0 00014 1 416838 1287 233 将表 1 6 1 7 1 8 汇总于洪水断面水力参数详表 如下表 1 9 所示 桥位断面水力参数详表 表 1 9 河床标高 过水面积 流量 流速 31 28 1692 1794 2453 455336 1 449879 35 585 3361 3513 6537 172707 1 944805 35 99 3554 0808 7085 24351 1 993552 38 95 5000 4565 11785 48503 2 356882 42 81 6919 2351 19417 603 2 806322 绘出桥位断面 Q h 关系曲线图如下图 1 5 所示 经过三次抛物线拟合可以发现 Q 与 h 的关系 近似满足下述函数 y 70 179x2 3723x 50216 在 1 2 节中已求出的设计流量为 12307 11m3 s 从上表可以发现其设计水位位于 38 95m 42 81m 之间 按照内插法求得设计水位 38 95 42 81 38 95 19417 603 11785 485 12307 11 11785 485 39 214 不同于 1 3 1 节 这里还分别推算出了水力半径 流速与流量 10 图 1 5 桥位断面 Q h 关系曲线图 1 41 4 确定桥长及布孔确定桥长及布孔 前面已经求出了设计水位 hs 39 214m 设计流量 Qs 12307 11m3 s 按内插法求得桥下过水断 面面积为 A 5131 69m2 桥下平均流速 vs 2 398m s 设计资料中给出了容许冲刷系数 p 1 1 这 里选用冲刷系数法计算桥下过水面积 根据别列柳博斯基假定 当桥下过水面积扩大到使桥下 平均 流速等于天然河槽流速时 桥 下冲刷即停止 当设计水位 h 39 214m 时 天然河槽平均流速 由表 1 6 按下式内插得到 2 514 3 035 2 514 42 81 38 95 39 214 38 95 2 550 根据桥位河床横断面形态 将左岸桥台桩号布置在 94K 800 处 根据通航要求 按二级三类 航道设计 通航净宽应不小于 75 0m 根据经验和受力条件 经济跨径比为 1 0 9 0 65 这里选用 5 孔连续梁 各孔跨径为 65 90 100 90 65 410m 中间 3 孔均能满足通航需求 选用双柱式桥墩 墩径取 2 0m 右桥台桩号为 95K 210 这样桥孔布置如下图 1 6 所示 图 1 6 桥孔布置 设计流速 采用天然河槽平均流速 则有 y 70 179x2 3723x 50216 R 0 9999 0 5000 10000 15000 20000 25000 303132333435363738394041424344 流 量 Q m s 水位h m 桥位断面Q h关系曲线 桥位断面Q h关系曲线多项式 桥位断面Q h关系曲线 11 1 0 375 2 550 98 0 99 2 100 0 02 4431 88 2 1 4522 33 2 可以发现 桥下过水断面实际面积为 A 5131 69m2大于上述计算的 4522 33 2值 说明 布设方案符合需要的桥下最小过水面积 桥孔净长 410 2 11 458 即为所求 1 51 5 确定桥面最低标高确定桥面最低标高 1 5 11 5 1 桥前最大桥前最大壅水高度壅水高度 天然状态下桥孔部分平均流速 即为天然河槽平均流速 2 550 冲刷前桥下流速 2 777 冲刷后桥下平均流速 1 0 5 50 0 25 1 2 682 0 5 0 1 0 661 2 1 8 79 2 2 2 0 20 1 5 21 5 2 桥下桥下雍水高度雍水高度 该处洪水和河床土质条件为一般情况 0 5 0 10 1 5 31 5 3 浪高浪高 由实测风速换算得到的计算风速为 14 89m s 沿浪程方向平均水深为 12m 计算浪程为 700m 浪高按式课本 6 3 7 计算 式中 2 0 0442 2 22 624 2 30 941 2 0 53042 代入 解得 0 18897 0 189 因为 0 016 1 5 则桥下水流为自由式出流 2 2 32 2 3 桥孔桥孔长度长度 3 5 59 选用单孔单孔标准跨径 6 0m 钢筋混凝土板桥 建筑高度为 0 80m 净跨 5 4m 2 2 42 2 4 桥前水深桥前水深 2 2 2 2 02 2 2 52 2 5 桥面最底高程桥面最底高程 100 2 02 0 5 0 8 103 32 根据以上计算取跨径为6 0m 的小桥 桥面最底高程为103 32m 低于桥位断面处路基设计高 程 是允许的 2 2 62 2 6 根据路基设计高程推算小桥孔径根据路基设计高程推算小桥孔径 路基设计高程104 20m 允许的最大桥前水深H 为 104 2 100 0 5 0 8 2 9 桥下临界水深和临界流速 偏安全地略去桥前行进流速水头时 2 2 1 2 2 2 9 2 0 92 1 2 0 92 1 79 4 19 桥孔长度 3 2 93 2 32 3 结论结论 根据上列两种情况 推算小桥孔径的结果 比较后 建议取加固允许流速3 50 s 桥长为6 0m 的小桥为宜 后一种情况 桥前水深H过大 桥下加固允许流速为4 00m s 桥长取4 00m 桥孔压 缩水流严重 桥下游出口流速过急 出口加固要求很高 既不经济也不安全 该处课本解答有误 河槽最低点高程应为 100 00m 17 习题习题三三 3 13 1 基本资料基本资料 设计流量Qs 8m3 s 因路基设计高程限制 涵前水深H不得超过2 50m 根据当地情况 采用单 层细面粗凿石料 铺砌在碎石上 碎石层厚度不小于10cm 进行洞底河床加固 试分别选用无压 力式盖板涵 无压力式石拱涵和钢筋混凝土圆管涵 计算涵内临界水深hk 涵前水深H和相应的孔 径Bd 3 23 2 孔孔径径计计算算 根据涵底加固类型和涵内水深 选定碎石层上铺砌厚度为 20cm 则由表 9 2 1b 可得加固允许 的平均流速为 3 50m s 3 2 13 2 1 无压力式盖板涵或箱涵无压力式盖板涵或箱涵 下面用试算法求解 首先参照小桥的设计方法 算得临界水深 2 3 52 9 8 1 25 这里根据实