ch4-2桥孔水力计算+孔径设计课件

2022/12/171

学时：24（hrs.）；时间：2019.2.25-2019.5.14

教师：齐梅兰

桥渡设计BridgeHydraulics2022/12/161学时：24（hrs.）；时间：202022/12/172§4.1设计洪水§4.2桥孔布设§4.3桥梁孔径与水力计算孔径设计Ch.4

桥渡设计2022/12/162§4.1设计洪水§4.2桥孔布2022/12/174.3.1河流基本水力学参数(无桥)

Ch.44.3.2桥址河段水力计算3§4.3桥梁孔径与水力计算4.3.3孔径设计计算2022/12/164.3.1河流基本水力学参数(无桥2022/12/174.3.1河流基本水力学参数(无桥)（1）过流断面：由自由水面与湿周包围的区域面积计算可用分、总计算法，用垂线划分断面。复式断面应区分主槽过流和滩地过流。已知:河槽几何形状(测量各点河床高程及其横向位置获得)、水位线图4.8过流断面42022/12/164.3.1河流基本水力学参数(无桥)2022/12/172）断面平均流速、水深断面平均流速v

：已知流量、水位、河槽形状引入谢才公式、已知河道纵坡单一断面：按上式计算复式断面：划分主槽、滩地，分别按上式计算(4-1)(4-2)54.3.1河流基本水力学参数(无桥)上式中:

hi

=第i条垂线的水深各垂线平均流速v

：断面平均水深h

：水面宽度过流断面面积2022/12/162）断面平均流速、水深断面平均流速v：2022/12/17复式断面v，h计算图64.3.1河流基本水力学参数(无桥)2022/12/16复式断面v，h计算图64.3.1河2022/12/17面积计算表74.3.1河流基本水力学参数(无桥)2022/12/16面积计算表74.3.1河流基本水力学参2022/12/17Uc、Ut计算步骤：将断面河床高程和水位均绘于同一图中划分主槽与滩地求主槽平均水深： hc=Ac/Bc求滩地平均水深： ht=At/Bt求主槽平均流速： 求滩地平均流速： 84.3.1河流基本水力学参数(无桥)2022/12/16Uc、Ut计算步骤：将断面河床高程和2022/12/17全断面平均流速v计算：求主槽平均流速： 求滩地平均流速： 求主槽流量：Qc=UcAc求滩地流量：Qt=UtAt

求全断面流量：Q=Qt+Qc

求全断面平均流速：U=

Q/A94.3.1河流基本水力学参数(无桥)2022/12/16全断面平均流速v计算：求主槽平均流速2022/12/17桥址河段水流图：平面：上游收缩段 桥址被压缩

下游扩散段纵面：上游壅高，

桥址收缩，

下游复原4.3.2桥址河段水力计算10（1）水力现象纵断面扩散恢复收缩下降壅水2022/12/16桥址河段水流图：4.3.2桥址河段2022/12/1711平面收缩段和扩散段长度；垂向水面壅高和降低幅度桥孔的压缩程度、洪水大小影响水流的以下变化：4.3.2桥址河段水力计算2022/12/1611平面收缩段和扩散段长度；桥孔的压缩程2022/12/1712足够大≈1倍桥孔长上游影响区外LuLdLc下游影响区外≈4Lc收缩、扩散段长度？收缩段4.3.2桥址河段水力计算2022/12/1612足够大≈1倍桥孔长上游影响区外LuL2022/12/1713上游：因水流受到桥结构物阻碍，动能减小，而势能（压能）增大，表现为水位升高，称为壅水。桥下：因桥孔压缩了过流断面面积，流速增大，动能增大，而势能减小，表现为水位降低。下游：因水流出桥孔后，过流宽度（面积）增大，而流速减小，动能减小，而势能增大，表现为水位升高，恢复至天然水位。4.3.2桥址河段水力计算2022/12/1613上游：桥下：下游：4.3.2桥2022/12/172022/12/17144.3.2桥址河段水力计算（2）桥下断面水深hq、流速vq桥下横断面桥址河段纵断面1）hq近似按无桥时的均匀流水深h0考虑，即hqh02）面积AqAq=(B0-Bb)h0B0B0:无桥时断面宽度；Bb:桥、台阻水总宽度。3）Uq=Q/Aq

2022/12/162022/12/16144.3.22022/12/1715壅水计算原理：符合流体力学的连续原理、运动及能量方程。一维、恒定流连续方程：能量方程：4.3.2桥址河段水力计算（3）桥上游壅水高度2022/12/1615壅水计算原理：符合流体力学的连续原理2022/12/172022/12/17164.3.2桥址河段水力计算（3）桥上游壅水高度桥址河段纵断面建桥后水面线无桥水面线建桥后升高的水位与天然时水位之差称为壅水高度。其中差值最大的称为最大壅水高度，记为△Z。2022/12/162022/12/16164.3.22022/12/171）壅水断面水深、流速取断面④（上游）、①（桥孔下游，图中）能量方程：连续方程：(4-3)4.3.2桥下水力计算2022/12/1717桥下横断面④③②①纵断面扩散恢复收缩下降壅水2022/12/161）壅水断面水深、流速取断面④（上游2022/12/17测管水头扩大损失(4-7)18最大壅水高：4.3.2桥址河段水力计算收缩损失2022/12/16测管水头扩大损失(4-7)18最大壅水高2022/12/17将能量损失比率及动能压缩系数等影响合并为一个系数η，则有压缩系数天然断面平均流速桥下断面平均流速经验公式1：(4-8)194.3.2桥址河段水力计算2022/12/16将能量损失比率及动能压缩系数等影响合并为2022/12/17表4-4壅水系数η

取值204.3.2桥址河段水力计算河段特征阻挡流量/设计流量（%）压缩系数η河滩很小的山区河流≤100.05河滩较小的半山区河流11~300.07河滩中等的平原河流31~500.10河滩较大的低洼区河流>500.152022/12/16表4-4壅水系数η取值204.2022/12/17桥下断面水面壅高值(△Zq)可近似计为(4-11)21254.3.2桥址河段水力计算2022/12/16桥下断面水面壅高值(△Zq)可近似计为(2022/12/17224.3.3孔径设计计算桥高：以梁底高程Zb表示。（1）孔径——桥孔长度（简称桥长）和高度。考虑设计洪水、设桥后的水流变化、河床变化。桥长：设计水位时两端桥台前缘间距离。桥长轨底桥墩低水位高水位设计水位桥台2022/12/16224.3.3孔径设计计算桥高：2022/12/17安全净空——指高出设计水位+h的最小空间高度

（规范）。梁底高程=设计水位+桥下净空=安全净空+h（2）桥下净空234.3.3孔径设计计算轨底桥墩低水位高水位设计水位桥台2022/12/16安全净空——指高出设计水位+h的最2022/12/17（3）梁底高程Zb

(4-12)还需注意：流冰、通航河流的最小净跨和净空要求244.3.3孔径设计计算设计水位表4-5净空安全值桥梁底设计洪水净空值(m)校核洪水净空值(m)一般情况0.500.25有漂流物

1.501.00有泥石流1.00

-2022/12/16（3）梁底高程Zb(4-12)还需2022/12/17h

—

水位超高（4）254.3.3孔径设计计算=壅水高度+波浪爬高+弯道水面超高等。壅水高度

如前2022/12/16h—水位超高（4）254.3.32022/12/17264.3.3孔径设计计算

波浪高水面波浪高、路堤边坡波浪爬高：与浪程、风速、平均水深有关。确定方法：调查、试验或经验公式计算。2022/12/16264.3.3孔径设计计算波2022/12/17弯道横向环流凸岸凹岸△hy凸凹xzzy1JzhP1P2FT弯道平面弯道中水柱受力R凹岸凸岸横向流速垂线分布弯道水面超高写出隔离体的横向受力平衡矢量方程：274.3.3孔径设计计算2022/12/16弯道横向环流凸岸凹岸△hy凸凹xzzy12022/12/17zy1JzhP1P2FT弯道中水柱受力离心力为：

(4-14)

(4-13)

(4-16)

(4-15)将（4-14）-（4-16）代入（4-13），忽略横比降的二次小量，得：

(4-17)284.3.3孔径设计计算2022/12/16zy1JzhP1P2FT弯道中水柱受力离2022/12/17△h近似计算式：弯道水面宽弯道曲率半径

(4-19)294.3.3孔径设计计算两岸水位差△h：

(4-18)2022/12/16△h近似计算式：弯道水面宽弯道曲率半径2022/12/17桥长的确定受以下影响：

1）河床冲刷、 2）壅水、 3）河流稳定控制。净孔径（桥长）Lj：不含桥台间各阻水墩宽；毛孔径（桥长）L：含桥台间各阻水墩宽。墩迎水面宽（5）桥长304.3.3孔径设计计算2022/12/16桥长的确定受以下影响：净孔径（桥长）Lj2022/12/171）受冲刷控制设：无桥设计洪水时过流断面面积A0,建桥后的过流断面面积Aq定义：冲刷系数P:

P

=

A0

/

Aq联合连续方程求解，可得桥下流速vq(4-20)桥孔净长(桥下过水宽)

:

Lj=Aq

/

hq(4-21)河型P山区峡谷段开阔段1.0-1.21.1-1.4山前稳定段变迁段1.2-1.41.2-1.8平原1.1-1.4314.3.3孔径设计计算表4-6冲刷系数值2022/12/161）受冲刷控制设：无桥设计洪水时过流断面2022/12/172）受壅水控制桥前壅水最大高度Z(4-22)Z允许值根据防洪要求、桥梁高度等确定。隐含于关系式：(4-23)324.3.3孔径设计计算2022/12/162）受壅水控制桥前壅水最大高度Z(4-2022/12/173）受河流稳定性控制经验式：有明显河槽(4-26)如西北、华北游荡河槽洪水频率系数下标C表示河槽，P表示设计分析河流横向演变趋势、经验公式，等.334.3.3孔径设计计算(4-25)2022/12/163）受河流稳定性控制经验式：有明显河槽(2022/12/173）受河流稳定性控制344.3.3孔径设计计算

河段类别

Kn稳定0.840.90次稳定

0.950.87不稳定

0.691.59表4-7式（4-25）系数和指数break2022/12/163）受河流稳定性控制344.3.32022/12/17本讲重点1)桥址河段水力学特征；2）水力学变量计算的基本原理和方法；3）桥孔长度、控制因素、相关计算4）桥孔高度设计考虑的因素、净空安全值取值条

件、水面超高分类5）基本概念：桥长定义、冲刷系数、壅水354.3.3孔径设计计算2022/12/16本讲重点1)桥址河段水力学特2022/12/171思考题（1）桥渡设计洪水标准的表示方法?（2）设计洪水由哪两因素表示?（3）设计洪水与校核洪水的区别?（4）洪水重现期的单位？（5）洪水频率分析中的洪水样本如何选取？（6）桥孔布设的内容及其与河流演变的关系？（7）桥位河段水流变化特征及其原因？（分桥上游、桥下和桥下游）36第四次思考题+作业习题（解答题）2022/12/161思考题36第四次思考题+作业习题2022/12/172解答题(交作业)（1）某桥设计洪水标准为P=1%，建成于2010年，请问该桥何时将遇设计洪水？为什么？（2）某铁路跨河桥的桥位位于曲率半径R为1000m的平原河湾附近，河流上无漂浮物、泥石流和通航需求。前期水文勘测得出的桥轴线河槽横断面如图1所示，河床纵比降为0.02%，主槽糙率0.02，河滩糙率0.025，桥下河床为中值粒径为2mm的中等密实覆盖层。已知该桥的设计洪水位为157.8m，在预可行性研究阶段，设计人员初步拟定该桥采用5×32m等跨简支梁桥形式，桥墩宽度为2.5m，桥轴线与水流正交，梁底高程159.0m。请回答以下问题：37第四次思考题+作业习题（解答题）2022/12/162解答题(交作业)37第四次思考题+2022/12/171）试论该桥位河段的稳定性。2）根据所学桥渡设计知识及有关规范，判断该桥桥孔设计方案（桥长及桥下净空）是否合理，若合理，请在图上画出桥墩及桥台位置；若不合理，则给出合理的桥孔布置方案。3）若按最大壅水高度限值为0.10m设计，净桥长如何？4）若按冲刷系数不大于1.2设计，净桥长又如何？38第四次思考题+作业习题（解答题）图1桥轴线河槽横断面图(完)2022/12/161）试论该桥位河段的稳定性。38第四次2022/12/1739

学时：24（hrs.）；时间：2019.2.25-2019.5.14

教师：齐梅兰

桥渡设计BridgeHydraulics2022/12/161学时：24（hrs.）；时间：202022/12/1740§4.1设计洪水§4.2桥孔布设§4.3桥梁孔径与水力计算孔径设计Ch.4

桥渡设计2022/12/162§4.1设计洪水§4.2桥孔布2022/12/174.3.1河流基本水力学参数(无桥)

Ch.44.3.2桥址河段水力计算41§4.3桥梁孔径与水力计算4.3.3孔径设计计算2022/12/164.3.1河流基本水力学参数(无桥2022/12/174.3.1河流基本水力学参数(无桥)（1）过流断面：由自由水面与湿周包围的区域面积计算可用分、总计算法，用垂线划分断面。复式断面应区分主槽过流和滩地过流。已知:河槽几何形状(测量各点河床高程及其横向位置获得)、水位线图4.8过流断面422022/12/164.3.1河流基本水力学参数(无桥)2022/12/172）断面平均流速、水深断面平均流速v

：已知流量、水位、河槽形状引入谢才公式、已知河道纵坡单一断面：按上式计算复式断面：划分主槽、滩地，分别按上式计算(4-1)(4-2)434.3.1河流基本水力学参数(无桥)上式中:

hi

=第i条垂线的水深各垂线平均流速v

：断面平均水深h

：水面宽度过流断面面积2022/12/162）断面平均流速、水深断面平均流速v：2022/12/17复式断面v，h计算图444.3.1河流基本水力学参数(无桥)2022/12/16复式断面v，h计算图64.3.1河2022/12/17面积计算表454.3.1河流基本水力学参数(无桥)2022/12/16面积计算表74.3.1河流基本水力学参2022/12/17Uc、Ut计算步骤：将断面河床高程和水位均绘于同一图中划分主槽与滩地求主槽平均水深： hc=Ac/Bc求滩地平均水深： ht=At/Bt求主槽平均流速： 求滩地平均流速： 464.3.1河流基本水力学参数(无桥)2022/12/16Uc、Ut计算步骤：将断面河床高程和2022/12/17全断面平均流速v计算：求主槽平均流速： 求滩地平均流速： 求主槽流量：Qc=UcAc求滩地流量：Qt=UtAt

求全断面流量：Q=Qt+Qc

求全断面平均流速：U=

Q/A474.3.1河流基本水力学参数(无桥)2022/12/16全断面平均流速v计算：求主槽平均流速2022/12/17桥址河段水流图：平面：上游收缩段 桥址被压缩

下游扩散段纵面：上游壅高，

桥址收缩，

下游复原4.3.2桥址河段水力计算48（1）水力现象纵断面扩散恢复收缩下降壅水2022/12/16桥址河段水流图：4.3.2桥址河段2022/12/1749平面收缩段和扩散段长度；垂向水面壅高和降低幅度桥孔的压缩程度、洪水大小影响水流的以下变化：4.3.2桥址河段水力计算2022/12/1611平面收缩段和扩散段长度；桥孔的压缩程2022/12/1750足够大≈1倍桥孔长上游影响区外LuLdLc下游影响区外≈4Lc收缩、扩散段长度？收缩段4.3.2桥址河段水力计算2022/12/1612足够大≈1倍桥孔长上游影响区外LuL2022/12/1751上游：因水流受到桥结构物阻碍，动能减小，而势能（压能）增大，表现为水位升高，称为壅水。桥下：因桥孔压缩了过流断面面积，流速增大，动能增大，而势能减小，表现为水位降低。下游：因水流出桥孔后，过流宽度（面积）增大，而流速减小，动能减小，而势能增大，表现为水位升高，恢复至天然水位。4.3.2桥址河段水力计算2022/12/1613上游：桥下：下游：4.3.2桥2022/12/172022/12/17524.3.2桥址河段水力计算（2）桥下断面水深hq、流速vq桥下横断面桥址河段纵断面1）hq近似按无桥时的均匀流水深h0考虑，即hqh02）面积AqAq=(B0-Bb)h0B0B0:无桥时断面宽度；Bb:桥、台阻水总宽度。3）Uq=Q/Aq

2022/12/162022/12/16144.3.22022/12/1753壅水计算原理：符合流体力学的连续原理、运动及能量方程。一维、恒定流连续方程：能量方程：4.3.2桥址河段水力计算（3）桥上游壅水高度2022/12/1615壅水计算原理：符合流体力学的连续原理2022/12/172022/12/17544.3.2桥址河段水力计算（3）桥上游壅水高度桥址河段纵断面建桥后水面线无桥水面线建桥后升高的水位与天然时水位之差称为壅水高度。其中差值最大的称为最大壅水高度，记为△Z。2022/12/162022/12/16164.3.22022/12/171）壅水断面水深、流速取断面④（上游）、①（桥孔下游，图中）能量方程：连续方程：(4-3)4.3.2桥下水力计算2022/12/1755桥下横断面④③②①纵断面扩散恢复收缩下降壅水2022/12/161）壅水断面水深、流速取断面④（上游2022/12/17测管水头扩大损失(4-7)56最大壅水高：4.3.2桥址河段水力计算收缩损失2022/12/16测管水头扩大损失(4-7)18最大壅水高2022/12/17将能量损失比率及动能压缩系数等影响合并为一个系数η，则有压缩系数天然断面平均流速桥下断面平均流速经验公式1：(4-8)574.3.2桥址河段水力计算2022/12/16将能量损失比率及动能压缩系数等影响合并为2022/12/17表4-4壅水系数η

取值584.3.2桥址河段水力计算河段特征阻挡流量/设计流量（%）压缩系数η河滩很小的山区河流≤100.05河滩较小的半山区河流11~300.07河滩中等的平原河流31~500.10河滩较大的低洼区河流>500.152022/12/16表4-4壅水系数η取值204.2022/12/17桥下断面水面壅高值(△Zq)可近似计为(4-11)59254.3.2桥址河段水力计算2022/12/16桥下断面水面壅高值(△Zq)可近似计为(2022/12/17604.3.3孔径设计计算桥高：以梁底高程Zb表示。（1）孔径——桥孔长度（简称桥长）和高度。考虑设计洪水、设桥后的水流变化、河床变化。桥长：设计水位时两端桥台前缘间距离。桥长轨底桥墩低水位高水位设计水位桥台2022/12/16224.3.3孔径设计计算桥高：2022/12/17安全净空——指高出设计水位+h的最小空间高度

（规范）。梁底高程=设计水位+桥下净空=安全净空+h（2）桥下净空614.3.3孔径设计计算轨底桥墩低水位高水位设计水位桥台2022/12/16安全净空——指高出设计水位+h的最2022/12/17（3）梁底高程Zb

(4-12)还需注意：流冰、通航河流的最小净跨和净空要求624.3.3孔径设计计算设计水位表4-5净空安全值桥梁底设计洪水净空值(m)校核洪水净空值(m)一般情况0.500.25有漂流物

1.501.00有泥石流1.00

-2022/12/16（3）梁底高程Zb(4-12)还需2022/12/17h

—

水位超高（4）634.3.3孔径设计计算=壅水高度+波浪爬高+弯道水面超高等。壅水高度

如前2022/12/16h—水位超高（4）254.3.32022/12/17644.3.3孔径设计计算

波浪高水面波浪高、路堤边坡波浪爬高：与浪程、风速、平均水深有关。确定方法：调查、试验或经验公式计算。2022/12/16264.3.3孔径设计计算波2022/12/17弯道横向环流凸岸凹岸△hy凸凹xzzy1JzhP1P2FT弯道平面弯道中水柱受力R凹岸凸岸横向流速垂线分布弯道水面超高写出隔离体的横向受力平衡矢量方程：654.3.3孔径设计计算2022/12/16弯道横向环流凸岸凹岸△hy凸凹xzzy12022/12/17zy1JzhP1P2FT弯道中水柱受力离心力为：

(4-14)

(4-13)

(4-16)

(4-15)将（4-14）-（4-16）代入（4-13），忽略横比降的二次小量，得：

(4-17)664.3.3孔径设计计算2022/12/16zy1JzhP1P2FT弯道中水柱受力离2022/12/17△h近似计算式：弯道水面宽弯道曲率半径

(4-19)674.3.3孔径设计计算两岸水位差△h：

(4-18)2022/12/16△h近似计算式：弯道水面宽弯道曲率半径2022/12/17桥长的确定受以下影响：

1）河床冲刷、 2）壅水、 3）河流稳定控制。净孔径（桥长）Lj：不含桥台间各阻水墩宽；毛孔径（桥长）L：含桥台间各阻水墩宽。墩迎水面宽（5）桥长684.3.3孔径设计计算2022/12/16桥长的确定受以下影响：净孔径（桥长）Lj2022/12/171）受冲刷控制设：无桥设计洪水时过流断面面积A0,建桥后的过流断面面积Aq定义：冲刷系数P:

P

=

A0

/

Aq联合连续方程求解，可得桥下流速vq(4-20)桥孔净长(桥下过水宽)

:

Lj=Aq

/

hq(4-21)河型P山区峡谷段开阔段1.0-1.21.1-1.4山前稳定段变迁段1.2-1.41.2-1.8平原1.1-1.4694.3.3孔径设计计算表4-6冲刷系数值2022/12/161）受冲刷控制设：无桥设计洪水时过流断面2022/12/172）受壅水控制桥前壅水最大高度Z(4-22)Z允许值根据防洪要求、桥梁高度等确定。隐含于关系式：(4-23)704.3.3孔径设计计算2022/12/162）受壅水控制桥前壅水最大高度Z(4-2022/12/173）受河流稳定性控制经验式：有明显河槽(4-26)如西北、华