洺河大桥上行桥历次洪水灾害原因分析及新桥水文设计 毕业论文

1、目 录工作日志1设计任务书15开题报告18摘要43Abstract44第一章 绪论451.1 研究目的及研究意义451.2 研究内容46第二章：既有大桥过洪能力分析482.1 洺河大桥简况482.1.1 河流及河道状况482.1.2 洺河大桥历史沿革及现状492.2 1963年特大洪水及灾后修复情况调研502.2.1 洪水概况及桥渡受灾情况502.2.2 复旧方案及复旧情况512.3 大桥设计洪水计算522.3.1 桥位处年最大流量资料统计522.3.2经验频率计算542.3.3 参数初值的估算562.3.4经验频率曲线及理论频率曲线的绘制582.3.5第一次适线结果分析及统计参数对频率曲线的

2、影响分析592.3.6参数调整及设计频率，设计流量，重现期的确定612.4 设计水位的推求632.5 设计高程计算642.5.1 桥前壅水高度的计算642.5.2 桥下壅水高度的计算662.5.3 桥底设计高程662.6 大桥过洪能力分析67第三章：既有大桥墩台冲刷检算703.1 桥下一般冲刷检算703.1.1 计算公式选择及参数确定713.1.2 桥下一般冲刷计算过程及结果743.2 桥下局部冲刷检算793.2.1 计算公式选择及参数确定803.2.2 桥下局部冲刷计算过程及结果823.3大桥抗冲刷能力分析93第四章 新桥桥位选择及设计流量的推求954.1 桥位选择954.2 设计流速的计算

3、974.2.1 公式的选取974.2.2上游断面平均流速的计算994.2.3 桥下断面平均流速的确定994.2.4 值的确定994.2.5 设计流速的计算994.3 桥梁墩台阻水面积的计算1004.3.1桥梁墩台阻水面积的初次计算1004.3.2 设计流速的二次计算1014.3.3 桥梁墩台阻水面积的二次计算1014.4 设计流速的确定102第五章 新桥桥梁孔径布置与水位计算1035.1 桥梁孔径设计的基本计算1035.1.1 利用过水面积法进行过水面积计算1035.1.2 利用经验公式进行孔径长度计算1055.1.3 桥孔布置方案的拟定1065.2 大桥水位检算1075.2.1 设计流量通过

4、桥孔时的壅水高度1085.2.2 桥下最低高程确定1095.3 计算成果110第六章 新桥基础埋深计算1116.1 新桥一般冲刷的计算1136.1.1 非粘性土一般冲刷计算公式的选择1136.1.2 粘性土一般冲刷计算公式的选择1156.1.3 桥址断面一般冲刷的计算116对于一般冲刷过程中，各项参数的确定，需要根据大桥所在河段的实际情况进行选择：1166.2 新桥局部冲刷的计算1216.2.1局部冲刷计算公式的选择1226.2.2 新桥局部冲刷计算1236.3 桥墩基础埋深的确定130第七章 基于HEC-RAS的水力模型模拟计算1327.1 HEC-RAS V4.1软件介绍1327.1.1

5、发展历史1327.1.2 程式模组1327.1.3 应用领域1337.1.4 其他功能1337.2 计算模型的建立1347.2.1 建立河系图层1347.2.2 桥梁尺寸及边界条件及计算方法确定1377.2.3 计算结果分析141参考文献143致谢144附件一：英文文献原文及译文145北京交通大学毕业设计（论文）任务书设计任务书题 目： 洺河大桥上行桥历次洪水灾害原因分析及新桥水文设计 适合专业： 桥梁工程 指导教师（签名）： 提交日期： 2012 年 2月 23日学院： 土建 专业： 土木工程 毕业设计（论文）基本内容和要求：一、基本工作内容及基本要求大洺河铁路桥为上行、下行复线桥，设计年代

6、较久，洪水标准不详。该桥遭遇过几次较大洪水威胁，有安全隐患。本设计首先对既有桥（上、下行）进行洪水安全评估计算，然后按洪水设计标准P=1%进行新桥设计。1. 大桥水毁原因评估分析1）调研既有铁路大洺河上行桥设计状况包括设计水文条件、大桥孔跨布置、桥墩基础形式、桥墩基础情况、大桥孔跨与大洺河河流断面关系；2）调研建桥后桥梁遭遇过的洪水情况，资料汇总分析；3）对历经的各年大洪水进行桥梁墩台冲刷检算，年份有1902、1910、1913、1917、1949、1963年；4）参照从大桥设计水文条件计算和实际工程情况进行评价分析。2.大桥设计标准洪水推求该桥设计水文计算无资料，有必要依据现有规范进行大桥设

7、计洪水推求，确定达到该桥设计标准能够抵御的洪水流量。需进行以下工作：确定大桥洪水频率标准（百年一遇）；计算大桥河段洪水经验频率并按P-III曲线推求洪水频率曲线；确定百年一遇和三百年一遇频率的洪峰流量值作为大桥设计标准的洪水条件。反推该大桥已遭遇洪水（1902、1910、1913、1917、1949、1963年洪水条件）的相应重现期，评判既有大桥抵御洪水能力的实际标准。3. 修复后大桥百年一遇抗洪能力检算1）调研1964年大桥修复防护情况，包括工程措施、修复设计、修复后过流断面形式图；2）计算百年一遇洪水的过流断面、水深、流速、水位；3）计算壅水最大高度，根据桥梁净空要求检验其过洪能力；4）计

8、算桥下一般冲刷和关键桥墩的局部冲刷；5）计算安全埋深和检验修复后大桥抗冲刷能力。4. 百年一遇洪水设计标准大桥水文设计1）拟定3种桥式，包括孔跨布置、桥墩形式及尺寸、墩基础形式及尺寸、桥台形式，进行水文计算。2）进行各桥式的壅水计算、桥下一般冲刷计算、桥墩局部冲刷计算、桥台冲刷计算。计算结果需满足规范要求。二、基本资料1. 已知既有大桥设计孔径、孔跨、桥墩及基础形式，与河流横断面相关布置，见书面资料；2. 大桥河段近30年水文资料，见书面资料。三、依据计参考文献1. 铁路工程水文勘测设计规范，1999年，铁道出版社。2. 公路工程水文勘测设计规范，2002年，交通出版社。3. 其他有关桥梁设计

9、规范。4. 铁道部第三设计院，桥渡水文（铁路工程设计技术手册），1993年，铁道出版社。5. 水文及桥渡设计其他参考书。毕业设计（论文）重点研究的问题：1. 既有桥水毁原因分析根据水力学、河流动力学、河床泥沙冲刷特点等分析，包括必要的理论计算。2. 设计洪水频率推求根据水文统计原理进行，也可建议其他推求原理及方法。毕业设计（论文）应完成的工作：设计工作需要在充分了解题目意义、熟悉目前国内外研究方法的基础上进行，因此需要按以下几个阶段进行：（1）文献综述阶段：围绕设计题目相关内容，查阅国内外文献，研读了解本题目相关工程意义、已有的工程实例及其解决方法，重点翻译1篇外文文献。（2）写开题报告阶段：

10、包括选题意义、国内外研究现状、本题目内容、技术路线和方法、达到的目标、计划进度安排。（3）设计计算阶段：对涉及内容深入了解，理清思路，对各部分内容按规范要求计算。（4）论文写作阶段：按照论文格式进行，用确切、简练的文字、辅以恰当的图表对设计工作内容及成果进行表述。（5）答辩阶段：准备答辩即是对论文工作回顾和检验，再用简练的语言进行口头表述，PPT演示文件将是很好的辅助手段。要求：（1）阅读国内外刊物发表的文献不少于6篇、图书及报告不少于6篇； （2）必要的设计图纸 不少于4张（格式要规范）； （3）计算源程序结构流程清楚，使用简捷。 （4）会使用HEC-18软件。参考资料推荐：1. 铁路工程水

11、文勘测设计规范，1999年，铁道出版社。2. 公路工程水文勘测设计规范，2002年，交通出版社。3. 其他有关桥梁设计规范。4. 铁道部第三设计院，桥渡水文（铁路工程设计技术手册），1993年，铁道出版社。5. 水文及桥渡设计其他参考书。6. 学术期刊相关文献其他要说明的问题： 无北京交通大学毕业设计（论文）开题报告开题报告题目： 洺河大桥上行桥历次洪水灾害原因分析及新桥水文设计学院： 土建学院 专业： 土木工程 学生姓名： 王谈 学号：08231263文献综述：一 水文学的发展水文学科本质上是有关信息的学科，是以提供多种与水有关的信息服务于人类社会，包括水文信息的收集、处理、存储、传输、分发

12、以及深加工的分析、计算、预测、预报，为社会经济各个有关方面提供规划、设计、管理的决策依据的学科。其发展经历为以下四个阶段1：奠基时期（1400-1900）：1732年发明Piton tube，1738年提出Bernoulli equation，1775年提出Chezy公式，1802年提出Dalton定理，1856年提出Darcy定律，1871年提出Saint Venant原理。1889年提出曼宁公式，1899年提出Stokes公式。以上这些水力学的定律定理和公式为水文科学奠定了理论基础。末期，应用水文学兴起，最著名的水文科学大事有：1850年法国人Baer Grundy首创相应水位法作洪水预报

13、，这被称为世界水文预报之先声；1851年爱尔兰人T·J·莫万尼提出合理化公式Q=CiA，计算小流域和城市排水流量，这是世界上第一个水文定量公式，也是确定性水文数学模型之开端。1862年Potter Moore的水文教程为世界上在大学第一次开水文课。这一时期，中国水文科学进展缓慢，。成长时期（1900-1950）：这一时期国外水文要素的较深入研究，对水文分析计算和水文预报的不断改进，取得了新成就。著名的水文科学大事有：1900年美国Seddon 定律(洪水波速公式)，Hazen（1913）提出水文频率计算2，而Horton(1933)提出降雨产流的入渗理论，Sherman(1

14、932)提出流域响应的单位线方法，这两项成果的结合构成了完整的流域水文过程的推理和计算体系，开始了对陆面通量从经验向推理的过渡，并且在很长时期主导着水文学的发展3。此外，马斯京根洪水演算方法4 (McCarthy，1939)，单位线推理方法5 (Clark，1945)，以及流域地貌与径流过程关系的Horton河流定律 (Morton，1945)，均是这个时期提出的。在这一时期中国，由于社会政治经济等原因，水文科学进展甚少，但个别水利水文学家也有见树和贡献，例如：1928年顾世楫主持制定中国第一个水文测验规范，1933年须恺首次作淮河蚌埠洪水频率计算，40年代程学敏提出洪水演算新方法(程学敏法)

15、，1947-1948年中央大学水利系胡廷洪撰写“单位线之研究”毕业论文，这是中国最早引进和应用单位线法。现代化时期（1950-）： 20世纪6080年代是流域水文过程的实验和模拟阶段。在前一时期流域水文观测资料和计算经验积累的基础上，推理方法得到了改进和完善，但在应用中不断暴露出矛盾，提出新问题，为此人们开展了大量流域水文过程的实验研究。同时，计算机的出现和迅速发展，为采用精细复杂计算程序提供了现实可能性。于是，水文过程的实验研究和流域水文过程的计算机模拟，成为这个时期水文的两个主要特征。20世纪8090年代，全球水文实验和模拟阶段。从80年代开始，特别是进入90年代，各种环境问题，对我们人类

16、赖以生存的地球的认识问题，以及可持续发展问题等，也成为学界、政界的热门话题，水文科学得到前所未有的重视，随着水资源的经济和社会属性的日益增强，水和社会、水和经济也成为重要的主题。所有这一切都对水文科学提出了挑战，与此同时，高新技术的涌现，又为水文科学的发展提供了机遇。在这挑战和机遇并存之中，水文科学进入了一个空前崛起的时期。二 研究桥涵水文的重要意义工程水文学作为水文学的重要分支，已有 100余年的历史。20世纪50年代后期，随着新技术新方法的引进，水文学作为一门集合自然、技术和社会因素的综合科学出现，标志着其崭新的发展阶段。如今，随着水文学在工程领域的渗透，需求的不断深入，现代化技术的不断促

17、进，学科前沿的不断扩大，其在现代化结构设计施工中的比重不断增加，已逐渐成为相关行业发展的重要突破点之一，在相应的实际工程应用中呈现出巨大的活力。当前，随着现代科学技术的发展，使获取水文信息的手段和分析水文信息的方法有了长足的进步。水文模拟方法、水文随机分析方法、水文系统分析方法，使人们研究水文现象的能力发展到新的水平；尤其是电子计算机的应用，使水文科学从水文观测到基本规律的研究，由人力和机械操作，发展到以电子计算机为核心的自动化。桥涵水文设计设计作为工程水文学的重要组成部分，在现代交通建设中占据着十分重要的地位。建立密集的现代化交通网，发展运输事业，对发展国民经济，加强民族团结，促进文化交流和

18、巩固国防等方面都具有举足轻重的意义。在公、铁路以及水利建设中，为了跨越各种障碍(如江河、沟谷和其他线路等)，必须修建各种类型的桥涵，因此桥涵是交通线中的重要组成部分。改革开放以来，国民经济迅速发展，社会主义工业、农业、商业、国防和科学技术现代化正在逐步实现，全国高速公路、高速铁路、城市交通网络的建设方兴未艾，作为枢纽工程的桥梁建设不断取得突破，刷新着世界桥梁的记录。洪水水毁是世界各国桥梁共同面临的严重自然灾害6。对美国19892000 年毁坏的500 座桥梁进行分析发现：洪灾和撞击引起桥梁失事频率最高，仅1993年洪水和冲刷毁坏的桥梁所占比例就高达53%7。根据美国联邦公路管理局（FHWA）官

19、方网站公布数据显示截止到2011年末, 美国桥梁建造总数为601712 座, 病害桥梁总数为122317座, 约占23%。可见桥渡水文在桥梁设计施工过程中具有重要作用。下表是20002008年美国16起桥梁倒塌案件的原因列表8：倒塌原因事故数/起百分率/%设计失误桩基设计失误16.25施工失误临时支撑不牢固112.5千斤顶失效1养护不足钢材脆断118.75钢桥疲劳1预应力筋腐蚀1外部诱因意外事故船舶撞击262.5汽车撞击2火灾2飓风2洪水1超载超重挖掘机1可以看到，其中五起桥梁倒塌的事件与桥梁水文勘测设计有关，同样的问题在我国同样大面积存在。在我国，桥梁的水毁也是公、铁路最大的自然灾害。洪水对

20、桥涵的破坏带来的损失是巨大的，如何预防这些洪水灾害、如何将这些洪水灾害减小到最低程度，成为桥涵水文设计亟待解决的问题。除桥梁水毁之外，船舶等河流通行物不能安全通过航道，或者通航等级不能满足通航要求的事情也是屡见不鲜，南京长江大桥就是一个例子。这些都是由于没有充分做好桥涵水文设计工作引起的。桥梁、涵洞的水力安全即能否安全通畅地排泄暴雨洪峰流量，是没有办法采用限制河流的特大洪水从桥下通过来解决的。为了保证桥梁的使用安全，暴雨洪水对桥梁、涵洞的破坏问题往往比交通荷载对桥梁的破坏问题更难解决。对于这个问题，需要对河流水文进行充分而细致的调查研究工作，同时拟定出较符合实际的桥梁涵洞孔径、桥高与桥梁跨长来

21、加以解决。桥涵水文计算的工作精度集中体现了对桥梁的安全性、适用性和经济合理性，因而桥涵水文设计在桥梁、涵洞设计中具有不可替代的作用。三 桥涵水文设计国内外的发展及研究现状桥涵水文设计随着水文学科的发展而发展，对于桥涵水文的设计，分为设计洪水流量及洪水位计算、桥孔设计计算、河床的冲刷深度计算等方面。桥涵水文设计的发展应该从这几个方面谈起。1. 设计洪水流量及洪水位的计算研究发展对于有观测资料的桥涵水文设计，是根据观测资料推算洪水频率、计算设计洪水位的方法9。传统的频率计算方法，用于分析某个水文量的统计特性，探讨频率与洪水量之间的定量关系，其存在的三个基本问题是样本抽样、线型选择和统计参数的估计。

22、1)样本抽样：长期以来，水文学通常把洪水频率分析归结为极值统计，即在一年的观测资料中只采用最大一次洪水(如最大洪峰流量、最大时段洪量作为样本进行分析，这种方法可供使用的洪水信息不足，即观测资料系统比较短暂的情况下。迄今为止，世界上能供工程设计使用的洪水观测系列很少超过100年，一般只有几十年(有时甚至不足20-30年)，却要求估计百年一遇的洪水，任务十分艰巨。因此，用大信息量一直是提高设计洪水计算精度和促进洪水频率分析技术的关键之一。我国率先将历史洪水资料应用于洪水频率计算，无疑是一个重大突破10。因为历史洪水比一般洪水含有更多的关于偶遇洪水的信息，因而可提高设计洪水的精度，同时也丰富了洪水频

23、率分析内容，提高了分析水平。但是由于历史洪水的信息量仍然有限，这就使得频率曲线的外延部分仍有一定的不确定性。针对这一特性，我国的水文工作者在借鉴国外先进技术的基础上，利用古代洪水残留有机物质C14的放射强度，按衰变原理推算洪水事件的发生年代，寻找一种比历史洪水考证期年代更远的古洪水，以增加洪水系列的信息量，为洪水频率计算提供了新的途径。例如通过调查得到了黄河支流伊河公元223年洪水、黄河干流陕县1843年洪水、汉江中上游1583年洪水等资料。在长江三峡以上，经过7次野外调查和大量文献资料搜集，获得了自1153年以来的8次特大洪水的定量成果。常规的样本抽样方法，是在一年的观测资料中只采用一个值，

24、而摒弃年内发生的其它洪水，尽管它们之中一些也是大的，或比较大的。为了能在洪水频率分析中使用所有或多次洪水资料，我国水文界在60年代初就提出了超定量抽样法。随着国外提出的与我国超定量抽样法相类似的PDS(Partial Duration Series)的研究成果的大量面世，有些国家己采用PDS计算设计洪水，我国水文人员也加大了研究力度，并取得了实用成果。2)线型选择：线型选择是一个带有不确定性的问题，只能在一定的假设条件下，并在实践中做出某种折衷才能确定。事实上，洪水总体是无法得知的，不管哪一种分布，都缺乏物理依据。因此，目前频率曲线线型的使用仍然处于曲线拟合阶段。就分布线型而言，我国水文工作者

25、对古典正态、对数正态、皮尔逊型、耿贝尔分布和对数皮尔逊型等线型进行了研究。但总的看来，皮尔逊型分布更适合我国的实际情况11，由于各地长期沿用三参数(X，Cv，Cs)皮尔逊型分布作为频率计算依据，特别是便于加入历史洪水，用它作拟合优选己成惯例，同时又有一套图表如频率曲线的离均系数、模比系数表，便于查算。3)统计参数的估算：目前，统计参数估计方法大体上可分为两类。一类是参数估计法，即无假定洪水总体的分布线型，然后采用统计学中的方法，根据样本估计分布所含参数，如矩法、极大似然法等：另一类是适线法，它首先假定拟合频率曲线的线型并估计样本的频率，然后根据样本点据估计出线型的参数，使其对应的理论频率曲线与

26、样本点据拟合最好，理论上适线法是一种最优化方法。对于参数估计法，近年来，我国水文工作者提出和引进了一些新的数理估计方法。如通过对洪水系列引入一个单权函数的方法，提高了皮尔逊型频率曲线参数的计算精度；通过引入权函数和数值积分系数，这种双权函数的方法，使频率曲线与经验点据拟合较好；概率权重矩法则用概率权重矩的概念与分布参数的关系，由样本推求总体值。该法原仅适用于分布函数具有反函数形式的分布，不适用皮尔逊型分布，但我国水文学者通过数学方法成功地解决了这一问题，并和前面介绍的两种方法一起进入我国修订后的水利水电工程设计洪水计算规范。对于适线法，随着计算机技术的迅速发展，基于优化技术的水文频率分析方法也

27、发展迅速，它克服了经验适线法结果因人而异、任意性较大的缺点，给适线法引入了一定的数学准则。我国水文工作者对以下适线准则进行了较为详细的分析：离差平方和最小准则(OLS)离差绝对值和最小准则(ABS)，相对离差平方和最小准则(WLS)等12。这些准则的提出，丰富了参数估计方法的研究。对于没有观测资料的桥涵水文设计，则不能按照以上方式计算，而没有设立水文站进行观测的河流一般最是中、小河流，其水文设计属于中、小桥涵水文设计范围。对于我国这样幅员广阔的国家来说，大小河流成千上万，能设置水文观测站的区域毕竟是少数，大多数河流是没有水文观测站的，这就给众多中、小桥涵的水文设计增添了困难，要求提出新的方法。

28、新中国成立后，在补充、完善水文站增设的同时，整理汇编了旧中国遗留的水文资料，在调查考证取得大量资料的情况下，50年代出版了中国暴雨参数图集，60年代编制了中国水文图集和水文手册，70、80年代完成了最大10min、1h、6h、24h、3d的点暴雨平均值和统计参数，以及24h可能最大暴雨等值线图。这些翔实资料和丰硕成果，为水文分析计算奠定了坚实的基础。70年代以后，部分省、流域机构和高等院校分别对湿润、半湿润地区和干旱、半干旱地区的降雨径流关系进行了分析研究，设计了一些降雨径流实验模型，模拟水文随机过程，形成符合我国实际的水文频率计算方法体系，根据设计暴雨资料，应用流域产汇流的概念，推求设计洪水

29、，水利科学研究院出版了小流域暴雨洪水计算专著。比如，四川已于83年底收集了中小流域雨量观测统计资料1561站年，采用蓄满产流模型和汇流模型，分析计算产流汇流模型参数，用分项分次图解法、回归分析法对模型参数作综合归纳；由实测径流系数所获不同频率的设计洪水，定量地验证产流、汇流参数地区分布，然后将暴雨径流资料，产流汇流参数等制成相应图表以供中、小桥涵水文设计计算推求设计流量。在无资料流域进行水文设计计算，随着研究的深入、面积改正法、经验公式法等也运用在中小桥水文设计计算中，但这些公式都带有一定的局限性，难以满足中、小桥涵水文设计精度要求，这就要求我们另辟途径，为中小桥涵水文设计找出满足精度，简化设

30、计计算的方法。2.桥孔的设计研究的发展桥涵孔径设计需要满足规定设计洪水以内的各级洪水和泥沙的安全通过，并满足通航、流冰、流木及其它漂浮物通过的要求。近几十年来，我国公路部门完成了数百座桥梁孔径调查和确定合理的桥孔净长度方法的研究。我国公路、铁路部门在计算桥孔长度计算时大都采用了经验公式的方法，这些经验公式有：经改进和简化后的最新桥孔长度计算公式(1990年)、现今沿用的1976年和1982年使用的桥孔长度计算公式、国内外的一些其它确定桥孔长度的方法。3.桥涵的冲刷计算研究发展总体来说桥涵水文设计都还是一个比较年轻的学科，它从20世纪30年代才发展起来。新中国成立时，修建桥梁时根本无冲刷计算，只

31、凭经验确定基础埋深。因此，很多大中桥基础经不起洪水冲刷，需要防洪抢险。1949年后我国学习外国经验，同时也用外国公式进行计算。由于其它国家的河流特性与我国河流不同，又受这门学科当前发展水平的限制，所以在实际生产中发生了许多问题。桥涵冲刷计算不仅对新桥设计必不可少，对原有桥墩的养护也同样不可减少。因此20世纪50年代，我国水文工作者针对水文、桥涵冲刷这一迫切问题通过研究机构、生产单位、高等院校的大力协作，展开了这方面的观测和试验工作，特别是1960年以后，根据铁道科学研究院和交通科学研究院的倡议，把全国参加观测和试验研究的近百个单位，组成西北、西南、中南华东、东北华北四个桥涵水文科学研究协作片区

32、，进入大规模的集体观测、系统试验和群众理论探讨阶段。桥涵观测工作取得了显著的成绩，一般冲刷总共观测了118桥/年的资料，局部冲刷总共观测了99桥年的资料。这些为1964年5月召开的全国“桥涵冲刷计算学术会议”提供了宝贵的现场观测资料，也为桥涵一般冲刷和局部冲刷公式的制定和修订打下了良好的基础。正是利用这些资料制订了我国自己的桥涵一般冲刷公式和桥墩局部冲刷计算公式。从此全国的一些重要桥梁(如郑州黄河大桥、三道坎黄河大桥)都设立了观测机构，坚持水文、桥涵冲刷及河道演变观测至今。我国是桥涵观测资料最丰富的国家。 在实际生产中，国内外计算冲刷的方法很多。目前，铁路、公路部门对桥下冲刷计算的处理方法是：

33、假定一般冲刷(河流的洪水冲刷和压缩冲刷合称为河床的一般冲刷)和局部冲刷(因桥墩等的阻水而引起的墩周河床变形)分别进行的，先计算出最大的一般冲刷深度，而后在这个深度上继续计算局部冲刷，待局部冲刷充分发展，河床高程不变，冲刷就停止了，作为最大冲刷深度；同时，假定产生最大冲刷深度的设计流量持续时间是足够长的。四 本题目的研究内容及研究意义研究内容本设计题目研究对象是京广线洺河大桥上行线桥。该桥始建于1902年，受1913年、1917年特大洪水的影响，洺河河道发生了很大变化，原桥受1910、1913、1917、1963年洪水影响及战争影响分别于1910、1913、1917、1949和1964年进行了维

34、修和扩建，现用桥基本维持了1964年修复后的结构。本题目研究共分为四个基本部分：1.大桥水毁原因评估分析：该桥始建时为2×31.5m下承板梁，全长约64m；1910年洺河洪水将大桥京端水毁，修复时向北（京端）扩建1孔31.5m；1913年京端再次被冲毁，修复时拆除1910年扩孔工程，改为向北延伸3孔40m梁，桥梁全长达到194m；1917年大桥京端水毁，修复时在原基础上向北扩建3孔40m梁；1949年进行战后修复时，将原6孔40m梁改为12孔20m梁（每跨间增建一桥墩）；1963年洺河遭遇特大洪水，第1、3、5、7、8、10号墩冲毁；1964年原桥修复时，重建1、3号墩，7、8、10

35、号桥墩加粗墩身。本阶段内容首先需要根据实际情况调研洺河遭遇历次大洪水后河道的变化情况；逐年，特别是历次洪水发生时的相应洪水流量及水位等测量统计资料；大桥1902年始建以及1910、1913、1917、1949、1964年历次修复工程中大桥孔跨的布置情况以及桥墩的基础状况。另外，根据以上调研的成果，依据现有铁路桥梁水文勘测设计规范：铁道部于1999年5月发布的铁路工程水文勘测设计规范（中华人民共和国行业标准TB10017-99）并参照交通部2002年5月发布的公路工程水文勘测设计规范（中华人民共和国行业标准JTG C30-2002）对相应时间经历历次洪水（1910、1913、1917、1963）

36、的实际桥梁的分别进行桥梁墩台冲刷检算。桥梁墩台冲刷检算，其实质是进行桥渡的冲刷计算，是确定桥墩基础埋深的主要依据, 墩台基础的埋置深度能否保证桥梁的安全, 只有找出最大的冲刷深度来决定。目前, 在决定最大冲刷深度的计算中, 是先算出桥下一般冲刷深度, 再用一般冲刷后的水流条件去计算桥墩的局部冲刷深度, 然后将这两部份冲刷迭加起来作为桥渡的最大冲刷深度（最大冲刷线）13。所以，在进行桥梁墩台的检算过程中需要进行以下三项计算：1.桥下河床断面的一般冲刷计算；2.桥墩的局部冲刷计算；3.桥台冲刷计算。考虑到该工程建桥历史久远，部分水文资料和数据难以获得，故部分冲刷计算恐难以完成，需要对相关参数进行合

37、理估计。另一方面，在实际应用的过程中，不同公式计算结果差异较大。需要对各公式进行比较计算，找到与本设计实际情况相接近的公式并最终确定结果。在进行桥下河床断面的一般冲刷计算时，铁道部门相应规范14，称为64-1式，在铁道工程领域得到了大范围的应用。但该公式中部分系数的取值范围较大，计算结果根据取值不同有较大变化，难以取得比较准确的计算数据，而我国公路部门采用的计算一般冲刷的计算公式，在相应的工程勘测设计规范15中称为64-2式，该公式的建立是根据输沙平衡原理，即桥下断面推移质输沙量的平衡，通过联立水流连续方程、河床变形方程、水流运动方程和泥沙运动方程而得到。美国HEC一18式中的一般冲刷公式，同

38、样是采用输沙平衡原理建立，在欧美应用较多，并不断有应用研究的进展16。在进行桥墩局部冲刷计算时，需要首先明确影响局部冲刷深度的因素，主要有桥墩型式和尺寸、泥沙粒径、水流流速及一般冲刷后的水深17。如国内学者建立的局部冲刷深度函数式18为：hb=f(V, B, d, K, V0', V0, K, h) (式中: V0'为始冲流速； V0为泥沙起动流速)。对非粘性土河槽，国内主要使用的局部冲刷公式有：65-1修正式，65-2式及65-2修正式19。不同的公式计算结果差别较大，相同的公式从不同的角度确定参数时，计算结果差别同样存在，说明各公式中，反映有关参数的影响不完全相同，公式有一

39、定的适应范围，故需要根据当地具体情况进行合理的选择。最后，根据检算结果对相应时间的桥梁进行评价分析，判断桥梁墩台的设计埋深是否能满足其实际冲刷要求。2.大桥设计标准洪水推求：洪水的大小及发生时间是随机的，防洪只能达到一定的限度，即期望在不超过某特定洪水条件下安全，而不能保证在任何机制洪水条件下都安全，所以需要对历年发生的洪水进行统计计算，确定洪水发生的重现期作为大桥设计的参考依据，在大桥设计时根据桥梁的重要程度确定大桥的设计洪水。1902年修建的京广线洺河铁路大桥上行桥，因时间久远，未能找到所依据的流量资料，为了完成之后大桥百年一遇抗洪能力检算的内容，需要依据现有规范铁路工程水文勘测设计规范（

40、中华人民共和国行业标准TB10017-99）对大桥所在河段进行设计洪水推求。设计洪水的推求途径可以归纳为四种：（1）由流量资料推求；（2）由暴雨资料推求；（3）由地区综合分析法推求；（4）可能最大暴雨及可能最大洪水法20，而具体选择哪种途径需要根据相关资料的完整程度进行对比选取。通过对于相关资料的初步查找，大体拟定选择由流量资料进行相应的设计洪水推求，具体情况根据所能查找到的文献资料具体分析决定。本阶段的工作主要由六部分组成：（1）对样本资料进行选取与资料审查；（2）对样本不完整部分进行插补与延长；（3）确定期间特大洪水的重现期；（4）进行特大洪水经验频率计算；（5）进行理论频率（百年一遇）的

41、估算并推求洪水频率曲线（P-型曲线）；（6）反推1910、1913、1917、1963年洪水的重现期，判断既有大桥抵御洪水的实际能力。3.1964年修复后大桥百年一遇抗洪能力检算分析：既有桥梁的抗洪能力检算是指桥梁孔径与冲刷检算，其目的是为了确定洪水期既有桥梁结构的泄洪能力，查清水害隐患，制定防灾减灾措施确保运输安全。桥梁抗洪能力是指桥梁抗洪孔径在净高、桥长和基础埋深这三方面共同提供的过洪能力，并经过合理布设，与环境协调而使桥渡从整体上具备的安全的洪水通过能力，抗洪能力习惯上是以安全通过的洪水频率大小来表示的，该阶段就是以百年一遇洪水为标准来进行检算，关于设桥河段百年一遇洪水大小已在第二部分进

42、行了计算，这里采用第二阶段的成果即可。抵御洪水能力检算可以分界为两层含义，也是该阶段需要进行的两项主要工作：1.验算洪水通过时桥孔的高、长两个方面提供的能力，简称为过洪能力检算；2.验算桥下河床断面一定过水深度条件下桥基础埋深能地狱的洪水能力，简称为抗洪能力检算。检算的成果以铁道部颁发的铁路桥梁检定规范和铁路桥涵设计规范为参考。在进行过洪能力检算时，由于桥孔长度已知，故可以直接进行壅水的计算，雍水的计算包括三个主要部分：1.桥前最大壅水高度z的计算；2.桥下壅水高度z'的计算；3.壅水曲线（检算时不进行曲线计算）。其中，在桥前最大壅水高度的计算时，由于现阶段我国铁路相关规范给出的公式参

43、考自前苏联1967年颁布的桥梁规范公式，从我国的多位科研工作者在用我国天然资料验证该公式的结果来看2122，其精度不理想。该公式虽然形式十分简单, 但对公式系数的处理过于粗略。2000年，公式的作者又对其做了进一步改进23 , 提出计算公式z=0.1KsR-1(Vm2-V0m2)但该公式经过我国科研人员使用壅水计算天然资料进行验证的论证结果看，认为当实际壅水值大于016 017m时，计算结果都偏大，实际壅水值越大，偏离越多； 而当实际壅水值小于014 015m时，计算结果总体上偏小24。所以对现有公式进行对比，查阅最新研究进展，选择较为准确的公式进行计算，以确保验算的准确性是该阶段工作的重中之

44、重。在进行抗洪能力检算时，可大体依据第一阶段进行桥梁墩台冲刷检算的相关原理进行计算，该部分的重点是对相关系数的合理选择，以保证计算结果与实际情况相接近。4.百年一遇洪水设计标准大桥水文设计根据防洪标准(GB50201-94)和铁路工程水文勘测设计规范（TB10017-1999）规定，确定采用设计防洪标准百年一遇进行原桥址新桥水文设计。新桥水文设计主要包括三个部分：1.设计流量的推算；2.大桥孔径设计；3.桥梁墩台冲刷计算。设计流量的推算部分参考第二阶段（大桥设计标准洪水推求）的结论即可，该阶段所需要进行的主要工作集中在第二和第三部分。具体设计依照铁路相关规范14并参考公路相关规范15进行设计，

45、拟定三种不同的桥式（从桥梁墩台形式尺寸，桥孔布置方式着手）进行壅水计算，桥下一般冲刷和局部冲刷计算以及桥台冲刷计算，具体计算方法与之前阶段使用方法大体类似，在此不再赘述。研究意义：造成桥梁水毁的原因主要有四种：桥位选址不当、基础结构形式选择不当、人为因素、施工质量问题25。进行洛河大桥上行桥洪水灾害原因分析可以明确该桥属于以上何种水毁原因，为该桥的加固、维修、重建工作提供理论依据，便于相关工作人员进行设计和施工工作。本次设计旨在通过对实际工程案例的分析和设计计算，掌握水文设计的一般流程和方法，通过对洺河大桥上行桥历次洪水灾害原因分析，归纳出影响桥涵稳定性的关键因素并在之后的设计中予以重点考虑，

46、通过对设计过程中的不同设计方案、不同相关参数的计算比选，同实际工程进行比较，确定各方案及各计算公式及参数的适用性，对于今后从事相关领域的实际设计具有重要的意义。主要参考文献：1 赖佩英.现代水文学进展概述J.江淮水利科技，2006(3): 3-4.2 Hazen·Floodflow·Wiley. 1930.3 Sherman L K Horton R E·Rainfalljxmoff and evaporation·Bulletin of the International Association of Scientific Hrdrology,1934

47、 (20): 22-96.4 McCarthy G T·The unit hydrograph and flood routing·Unpublished paper,the Conference of the North Atlantic，Division of US Corps ofEngineers，Rhode Island. 1938(6)5 Clark C O·Storage and the unit hyarograph·Amer soe Civ Engin. 19456 Bruce B. Analyzing bridge failuresJ

48、. Materials Performance,2008, 47(6): 9595.7 Wardhana K, Hadipriono F C. Analysis of recent bridge failures in the United StatesJ. Journal of Performance of Constructed Facilities, 2003, 17(3): 144150.8 孙莉 刘钊.2000-2008年美国桥梁倒塌案例分析与启示J.世界桥梁，2009(3)：46-49.9 王丽荣.水力学与桥涵水文M.北京：人民交通出版社，2007.10 李静 周绍飞 张春阳.水文

49、频计算中历史洪水的处理问题J.水利天地，2003(10)：39-39.11 李松仕.几种频率分布线型对我国洪水资料实用性研究J水文，1984，4(1)：1712 王善序 陈剑池.论适线法在洪水频率分析中的应用J.水文，1992(6)：3-10.13 成都铁路局工务处桥梁检定队.桥梁墩台基础埋深检算J.铁道建筑，1986(3)；16-1914 铁道部标准.铁路工程水文勘测设计规范（TB10017-1999）S.北京：中国铁道出版社，199915 交通部标准.公路工程水文勘测设计规范（JTG C302002）S. 北京：人民交通出版社，2002.16 马先华,齐梅兰,孙庆楠等.常用桥墩冲刷计算公式

50、的分析比较C.第三届全国水力学与水利信息学大会论文汇编，2007:453-459. 17 张佰战，李付军桥墩局部冲刷计算研究J.中国铁道科学，2004，25(2)：485118 铁道科学研究院铁道建筑研究所.桥墩局部冲刷计算 R.北京: 铁道科学研究院, 1984.19 高冬光编著.桥涵水文M.北京：人民交通出版社，200320 齐梅兰.工程水文学M.北京：北京交通大学出版社，200821 王仁宽.山区斜交桥渡壅水和孔径计算R.天津: 铁道部第三勘测设计院研究报告, 1982.22 中国灾害防御协会铁道分会.中国铁路自然灾害及其防治M.北京: 中国铁道出版社, 2002.23 曹瑞章.壅水公式

51、修正报告 R.北京: 铁道部科学研究院, 2000.24 李付军 张佰战.桥渡壅水计算J. 铁道标准设计. 2005(05) 25 孙秀云.山区桥梁浅基础水毁分析与防治J.工程建设与设计，2009(3)：89-91.研究方案：1.大桥水毁原因评估分析理论基础：桥梁墩台冲刷（一般冲刷、局部冲刷）计算理论 研究方法：调研、理论计算研究思路：通过调研洺河铁路大桥上行桥所在位置历次洪水情况，获取冲刷计算所需要的数据，根据这些数据带入非粘性土河床一般冲刷计算公式中，求解桥下一般冲刷后的最大水深hP。根据计算出的一般冲刷的最大水深进一步计算桥墩局部冲刷，并将结果与铁路工程水文勘测设计规范（TB10017-

52、1999）进行对比，做冲刷检算，通过检算结果大致判断桥梁设计能否满足规范要求。研究步骤：1.调研既有铁路大洺河上行桥设计状况；2.调研建桥后桥梁遭遇过的洪水情况，资料汇总分析；3.对各年大洪水进行桥梁墩台冲刷检算，包括1913、1917、1963年。4.对检算结果进行分析，判断大桥水毁原因是否为设计不满足规范所致。预期成果内容：分析各年冲刷检算结果与现行规范的对比数据，对大桥水毁原因作出初步判断。预期成果形式：1.计算说明书第一部分；2.桥梁所在位置横断面图一张2.大桥设计标准洪水推求理论基础：设计流量统计理论研究方法：理论计算研究步骤：1. 确定大桥洪水频率标准为百年一遇；2. 计算大桥河段

53、洪水经验频率并按P -III曲线推求洪水频率曲线；3. 反推该大桥已遭遇洪水（1902、1910、1913、1917、1949、1963年洪水条件）的相应重现期；4. 评判既有大桥抵御洪水能力的实际标准。预期成果：通过理论计算、分析论证得出大桥的实际抗洪能力。3.修复后大桥百年一遇抗洪能力检算理论基础：桥涵水文学理论研究方法：调研、理论计算研究步骤：1. 调研1964年大桥修复防护情况，包括工程措施、修复设计、修复后过流断面形式图；2. 计算百年一遇洪水的过流断面、水深、流速、水位；3. 计算壅水最大高度，根据桥梁净空要求检验其过洪能力；4. 计算桥下一般冲刷和关键桥墩的局部冲刷；5计算安全埋

54、深和检验修复后大桥抗冲刷能力。预期成果：能判断修复后的大桥按现行标准是否满足百年一遇洪水设计要求。4.百年一遇洪水设计标准大桥水文设计理论基础：桥涵水文学理论研究方法：理论计算、方案对比研究步骤：1. 拟定3种桥式进行水文计算；2. 按照现行规范进行各桥式的壅水计算、桥下一般冲刷计算、桥墩局部冲刷计算、桥台冲刷计算。3. 方案对比，选择最优方案预期成果：方案对比，给出合理方案。毕业设计（论文）进度安排：序号毕业设计（论文）各阶段内容时间安排备注01资料收集、阅读相关文献第一、二周02文献翻译第三周03完成文献综述和开题报告第四周04完成研究方案第一部分第五、六周05完成研究方案第二部分第七八周

55、06完成研究方案第三部分第九十一周07完成研究方案第四部分第十二十四周08完成相关论文（设计书）的整理工作第十五周09打印装订指导教师意见：指导教师签名： 审核日期： 年 月 日北京交通大学毕业设计（论文）摘要桥梁泄洪能力不足和基础埋深过浅是造成桥梁水毁的重要原因。本文根据现有京广铁路洺河大桥相关资料对因历年大洪水造成的大桥水毁原因进行分析，从过洪能力和抗冲刷能力两方面衡量大桥是否在设计上满足相关规范的要求。通过计算，认为该桥桥下高程严重不足，大洪水时过流面积过低，设计洪水无法正常通过该桥，无法满足抵御百年一遇洪水的要求，部分桥梁基础埋深过浅，洪水时易造成冲刷深度超过基础底面深度，从而使大桥的

56、整体性受到破坏，并降低其他墩台以及桥面结构的承载能力，致使大桥水毁。本文根据检算结果进行了新桥的水文设计，水文设计的主要工作包括大桥洪水频率曲线及设计洪水的推求、桥址选择、桥梁高程确定、孔跨布置和桥梁基础埋深确定等相关设计计算，为新桥的结构设计和施工提供理论参考。另外本文尝试使用HEC-RAS水文计算软件对相关断面进行了模拟计算，将结果与之前计算结果进行对比，取得了较好的一致性。关键词：桥涵水文；设计洪水；洪水频率；过洪能力；冲刷。AbstractThe main reasons for the destroyed of a bridge are inadequate ability of bridge to releace floodwater and The ability to resist erosion. This paper is divided into two parts. The first part is based on the existing date to analyze th