桥涵水文课程大作业

1、桥涵水文大作业桥涵水文课程大作业习题一一、基本资料某二级公路跨越某平原次稳定河段 ，基本资料如下：1. 水文资料1）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；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 67 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、 ；5）河床比降 i= .；6）容许冲刷系数 p=1.

2、1.2. 桥梁断面及地质资料1）*江桥位断面测量资料（见本题表二）；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： ， ；第 1页，共 24页桥涵水文大作业下层：， 。中值粒径，平均粒径3. 通航要求：二级三类航道，通航频率 P=5%。桥位 T型梁，结构高度为 1.2m，桥面铺装厚度为 0.12m4. 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）确定墩台基底标高；5）设计计算说明书、QH 关系曲线图、和桥孔布置图。表一 年最大流量和相应水位表年份年最大流量 Q相应最高水位 H

3、（m41967345034.381968830037.251969790037.131970580035.61971630036.181972665036.61973670036.65第 2页，共 24页桥涵水文大作业19741010037.919751140038.551976560035.541977380034.671978592035.71979590035.681980270033.751981570035.561982600036.11983330034.11984550035.519854500351986605036.2表二 里程桩号及标高桩号河床标高

4、 （m ）94K+79542.8179641.5579838.9580035.9996122.9598923.53第 3 页，共 24 页桥涵水文大作业95K+02624.84925.3111925.516628.618531.2823534.6528535.9630145.11、设计流量1、将流量按大小值排列 ，并计算出经验频率 ， 列于表三表三 洪水资料按流量大小排列经验频率 P（ %）（ 采 用（）年份流量（m3/s）18871300用11.6020764441975114020.5780548041974101030.9739169611968830014.285714290.1994

5、359051969790019.047619050.1420292291973670023.809523810.0281310721972665028.571428570.0252838141971630033.333333330.0096056431986605038.09523810.0029633461982600042.857142860.0020905261978592047.619047620.0010099241979590052.380952380.0008005261970580057.142857140.0001180451981570061.90476190.000043

6、081976560066.666666670.0005756421984550071.428571430.001715721985450076.190476190.04653007第 4 页，共 24 页桥涵水文大作业1977380080.952380950.1140475231967345085.714285710.1589694211983330090.476190480.1804998611980270095.238095240.280290808分析可知，以上资料属于共有 3 个特大值的不连续系列 ，即 a=3 ；实测期为 20 年， 即 n=20 ；实测期内有两个特大值 （1974

7、年和 1975 年），即 l=2 ；特大洪水最早出现年份是 1887 年，而实测期最后年份是 1986 年，则考证 （调查）期N=（1986-1887）+1=100 年。2、用适线法推求理论频率曲线计算系列平均流量计算系列变差系数应用矩适线法确定采用的统计参数和理论频率曲线（ 1） 试取， ，0.3313749.86112217.31211231.44第 5 页，共 24 页桥涵水文大作业（2）根据上一次拟合的结果 ，适当增大，并且增大，使得增大的更多 ，所以试取 ， ，0.3314511.75112860.92211793.70第 6 页，共 24 页桥涵水文大作业3、推求设计流量河床起始桩

8、号为 94K+795 ，终点桩号为 95K+301 ，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，属于大桥的范围。由表 5.0.4可知，二级公路大桥设计洪水 频率为 1%。从上表可以发现，当设计洪水频率为 1%时，。表 5.0.2 桥涵分类桥涵分类多孔跨径总长 L（m）单孔跨径 Lx（m）特大桥L1000xLx150大桥100L100040Lx150中桥30L10020Lx40小桥L30Lx 20涵洞Lx 5第 7页，共 24页桥涵水文大作业表 5.0.4 桥涵设计洪水频率公路等级设计洪水频率特大

9、桥大桥中桥小桥涵洞及小型排水构高速公路1/3001/1001/1001/1001/100一级公路1/3001/1001/1001/1001/100二级公路1/1001/1001/1001/501/50三级公路1/1001/501/501/251/25四级公路1/1001/501/501/25不作规定三、设计水位的推求1、 典型点的水力参数用 EXCEL表格绘出的过水断面图如下图所示 ：第 8 页，共 24 页桥涵水文大作业2、 推求设计水位在 CAD 中绘出过水断面图 ，计算出的主槽 、左滩 、右滩在各个高程的水力参数值 ：水力参数计算表河床标过水面积2湿周 (m)水力半河床比降流速流量(m

10、3/s)主槽高(m)31.28(m2)1695.43327.51径(m)5.17i0.00014(m/s)1.452458.3735.5853216.92380.838.450.000142.016466.0335.993370.82380.848.850.000142.077011.3138.954495.62380.8311.800.000142.5111328.9642.815952.64380.9315.630.000143.0318036.50左滩31.280000.000140035.5850000.000140035.991.015.020.200.000140.120.1238

11、.9518.788.592.190.000140.6011.2642.8151.3813.513.800.000140.8744.19右滩31.280000.000140035.585147.6985.811.720.000140.5175.3235.991912100.191.910.000140.52100.1738.95489.32106.154.610.000140.98479.5342.81908.53113.937.970.000141.421290.11其中流速采用曼宁 - 谢才公式推出 ：第 9 页，共 24 页桥涵水文大作业式中：过水断面面积谢才系数水力半径水力梯度糙率桥位断

12、面水力参数表河床标高(m)过水面积 (m2)湿周流速(m/s)流量(m 3/s)31.281695.43327.511.452458.3735.5853364.61466.641.946541.3535.993563.08486.052.007111.638.955003.72495.572.3611819.7542.816912.55508.372.8019370.8绘制桥位断面 Q-h 关系图如下图所示，经过 Origin 对比发现， 与的 关系近似满足如下函数： ，当时， 。即当设计流量为 时，设计水位 为 m。第 10 页，共 24 页桥涵水文大作业四、确定桥长及布孔， 设计流量，桥下

13、平均流速，按内插法求前面已经求出设计水位得桥下过水断面面积为设计资料中给出了容许冲刷系数 ， 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 。 当设计水位时， 天然河槽平均流速为采用桥孔净长公式计算最小桥孔净长度 ：第 11 页，共 24 页桥涵水文大作业式中：最小桥孔净长度（ m ）；设计洪水流量（m 3/s）；设计洪水的河槽流量（m 3/s ）；河槽宽度（m ）；对于次稳定性河段，式中的 取 0.95， 取 0.87 ；则算出最小桥孔净长度为 ：根据桥位河床横断面形态，将左岸桥台桩号布置在 9

14、4K+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 1:1:0.6。这里选用 6 孔连续梁，各孔跨径为 60+100+100+100+100+60=520m ，中间 3 孔均能满足通航要求，选用双柱 式桥墩，墩径取 2.0m，右桥台桩号为 95K+320 ，这样桥孔布置如下图所示：设计流速采用天然河槽平均流速，则桥下过水断面实际面积，大于上述计算的，说明第 12 页，共 24 页桥涵水文大作业布设方案符合需要的桥下最小过水面积 。桥孔净长即为所求 。五、确定桥面最低标高1、桥前壅水高度 和桥下壅水高度冲刷前桥下流速天然桥下平

15、均流速 ，计算得 ：冲刷后桥下平均流速 ：系数：桥前最大壅水高度 ：桥下壅水高度 取 ，则2 、 浪高由实测风速换算得到的计算风速为,沿浪程方向平均水深为 ， 计算浪程为 。 其中 ：第 13 页，共 24 页桥涵水文大作业所以因为应取 ，则波浪高度为按公路工程水文勘测设计规范 ，静水面以上波浪高度取 2/3 的波浪高度 计；另外 ，波浪在桥墩前被阻挡时 ，墩前波浪高度将会壅高 ，近似取壅高 值为 。这样，静水面以上的波浪高度为波浪全高 的0.86 倍， 即3、 波浪坡面爬高 桥头路堤和导流堤顶面高程应计入波浪坡面爬高 。4、 桥面最低高程计算（1）主桥建筑高度为 1.2m，桥面铺装厚度为 0

16、.12m。 按设计洪水通过要 求的桥面最低高程 ：（2）按二级三类航道通航标准 ，要求的桥面最低高程 通航频率 ， 对应的流量 。通航净空高度为 10m 第 14 页，共 24 页桥涵水文大作业由直线内插法得到以上计算结果表明 ，通航要求控制桥面高程 ，桥面最低高程确定为六、确定桥梁墩 、台基底标高1、桥下断面一般冲刷后水深按一般冲刷的简化公式进行计算式中： 一般冲刷后最大水深 （m）； 桥下河槽最大水深 ； 单宽流量集中系数 ，造床流量下的河槽宽度 （m）， 一般为河槽宽度 ； 计算断面的天然河槽流量 （m3/s）； 桥下河槽通过的流量 （m3/s）；2、桥墩局部冲刷深度利用 65-2 修正

17、公式计算第 15 页，共 24 页桥涵水文大作业式中： 桥墩局部冲刷深度（m），从一般冲刷后河床算起；系数，取回归值（出现几率最大）， ；取上限值（外包线， 置信区间上界）， ；墩形系数； 桥墩计算宽度（m），以垂直于水流方向桥墩的投影宽度计算 ，反 映水流冲击角对冲刷的影响； 墩前行进水深（ m ），以一般冲刷后水深代入； 冲刷层内泥沙平均粒径（m）；墩前行进流速（m/s），以一般冲刷完成时流速记；床沙启动流速（m/s），以张瑞瑾公式计算水深（m）；粒径（m）;桥墩起冲速度（m/s），以下式计算指数，以下式计算查墩形系数表得 ，计算墩宽行进水流 ，起动流速第 16 页，共 24 页桥涵水文大

18、作业起冲流速又（1）取回归值，所以（2）取上限值，所以3、桥墩的最低冲刷线高程4、桥台冲刷第 17 页，共 24 页桥涵水文大作业根据布设的桥台断面 ，水流对桥台冲刷的影响很小 ，不予考虑习题二1、 基本资料 某公路跨越一小河 ，设计流量 ，河床比降 ，河槽粗糙系数， 设计水位， 河槽横断面和设计流量下的水力计算如下图路基设计高程在桥位处为 104.20m 。 试计算小桥孔径和相应的最小桥面高 程。2、天然水力因素计算结果天然水力因素计算表桩号高程水深平均水深水宽过水面积0102.50.909091101.502100.31.20.61.0909090.654545第 18 页，共 24 页桥

19、涵水文大作业4.51001.51.352.53.3756.1100.31.21.351.62.168.227273101.500.62.1272731.27636410102.5累计7.3181827.465909设计流量 ，设计水位 ，河槽最低点高程 ，天然最 大水深 。河槽过水面积， 河槽宽度，平均水深 ，河槽流速3、临界水深若小桥进出口取单孔 、带锥坡 ，流速系数 ，收缩系数 。河 床加固选用碎石层上铺砌厚度 20cm的单层片石 ，取加固允容流速 ，桥 下断面为矩形断面 ，桥下临界水深 为：则桥下水流为自由式出流4、桥孔长度选用单孔标准跨径 6.0m 钢筋混凝土板桥 ，建筑高度为 0.8

20、0m ，净跨 5.4m5、桥前水深 H6、桥面最低高程第 19 页，共 24 页桥涵水文大作业取跨径为 6.0m 的小桥，桥面最低高程为 103.32m ，低于桥位断面处路基设计 高程，是允许的。7、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 ：桥孔长度8、总结根据以上两种情况 ，推算小桥孔径的结果 ，比较后 ，建议取加固允许流速3.50m/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 允许流速不应小于 4.00m/s ，桥长取 4.00m。桥孔压缩水流

21、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 。习题三1、 基本资料设计流量 ，因路基高程限制 ，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第 20 页，共 24 页桥涵水文大作业计算涵内临界水深，涵前水深和相应的孔径。2、孔径计算根据涵底加固和涵内水深，选定碎石层上铺砌厚度为 20cm ，则加固允许平均 流速为 3.50m/s 。2.1 无压力式盖板涵 任意形状断面的平均临界水深 为：式中： 平均临界水

22、深（m ）临界流速（m/s），计算时可采用河床的容许（不冲刷）流速。这里根据实际情况，再参照课本表 9-3-3 ，假设涵洞内临界水深 ，选取 涵洞净高 ， 。则进水水深 ，临界断面过水面积 ，涵前总水头按下式求解，此时计算出的过涵流量为：相差很小，所示计算结果较有代表性，涵洞孔径照下涵前水深该计算值与已知条件式计算求解：所以这里可以选用 2.0m 的标准孔径。详细计算参数汇总于下表：详细计算参数汇总表1.0?0.95过水流量8m3/s临界水深1.06m第 21 页，共 24 页桥涵水文大作业涵洞净高1.8m进口水深 ?1.7m过水面积2.286m 2涵前总水头1.753m涵前水深1.954m涵洞孔径1.853m2.2 无压力式拱涵仍然采用试算法求解，首先参照小桥的设计方法，假设涵洞内临界水深为：式中： 平均临界水深（m ）临界流速（m/s），计算时可采用河床的容许（不冲刷）流速。这里根据实际情况，再参照课本表 9-3-3 ，假设涵洞内临界水深 ，选取 涵洞净高 ， 。则进水水深 ，临界断面过水面积 ，涵前总水头按下式求解涵前水深 ，