桥涵水文课程大作业

桥涵水文课程大作业习题一根本资料某二级公路跨越某平原次稳定河段，根本资料如下：1.水文资料桥位附近水文站历年最大流量及相应水位资料〔见此题表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；汛期含沙量ρ=2.5kg/河段根本顺直，桥位轴线与河道正交，属狭窄水面的河流，河槽内天然冲淤比拟明显，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；河槽糙率1nc=41河床比降i=0.14‰；容许冲刷系数p=1.1.2.桥梁断面及地质资料1〕**江桥位断面测量资料〔见此题表二〕；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：d下层：d中值粒径d50=25mm3.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、Q~H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〔m41967345034.381968830037.251969790037.131970580035.61971630036.181972665036.61973670036.6519741010037.919751140038.551976560035.541977380034.671978592035.71979590035.681980270033.751981570035.561982600036.11983330034.11984550035.519854500351986605036.2表二里程桩号及标高桩号河床标高〔m〕94K+79542.8179641.5579838.9580035.9996122.9598923.5395K+02624.84925.3111925.516628.618531.2823534.6528535.9630145.11设计流量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〔%〕〔采用值〕（年份流量〔m3/s60207644419751140020.57805480419741010030.9739169611968830014.285714290.1994359051969790019.047619050.1420292291973670023.809523810.0281310721972665028.571428570.0252838141971630033.333333330.0096056431986605038.09523810.0029633461982600042.857142860.0020905261978592047.619047620.0010099241979590052.380952380.0008005261970580057.142857140.0001180451981570061.90476190.000043081976560066.666666670.0005756421984550071.428571430.001715721985450076.190476190.046530071977380080.952380950.1140475231967345085.714285710.1589694211983330090.476190480.1804998611980270095.238095240.280290808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，那么考证〔调查〕期N=(1986-1887)+1=100年。用适线法推求理论频率曲线计算系列平均流量QQ计算系列变差系数C=0.3112应用矩适线法确定采用的统计参数和理论频率曲线。试取Cv=0.30，mPQ0.3313749.86112217.31211231.44〔2〕根据上一次拟合的结果，适当增大Cv，并且增大m，使得Cs增大的更多，所以试取Cv=0.34PQ0.3314511.75112860.92211793.70推求设计流量河床起始桩号为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》〔JTGB01-2003〕表可知，该桥总跨径应在100∼1000m之间，属于大桥的范围。由表可知，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，Q=12860.92表5.0.2桥涵分类桥涵分类多孔跨径总长单孔跨径Lx〔m〕特大桥L>Lx>大桥≤L≤≤Lx<中桥<L<≤Lx<小桥8≤L≤5≤Lx<涵洞——Lx<5表5.0.4桥涵设计洪水频率公路等级设计洪水频率特大桥大桥中桥小桥涵洞及小型排水构造物高速公路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不作规定设计水位的推求典型点的水力参数用EXCEL表格绘出的过水断面图如下列图所示：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(m2〕水力半河床比降i流速流量(m3/s)主槽左滩00000000001.015.028.59右滩00000其中流速采用曼宁-谢才公式推出：Q=wCC=式中：w——过水断面面积C——谢才系数R——水力半径J——水力梯度n——糙率桥位断面水力参数表过水面积(m2)湿周流量(m3/s)1695.43327.512458.373364.61466.646541.353563.08486.057111.65003.72495.5711819.756912.55508.3719370.8绘制桥位断面Q-h关系图如下列图所示，经过Origin比照发现，Q与h的关系近似满足如下函数：y=68.85x2-3628.23x+48547.45，当y=12860.92时，x=39.61确定桥长及布孔前面已经求出设计水位hs=39.61m，设计流量Qsv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=39.61m时，天然河槽平均流速vv采用桥孔净长公式计算最小桥孔净长度：L式中：Lj——最小桥孔净长度〔m〕Qs——设计洪水流量〔m3/s〕Qc——设计洪水的河槽流量〔m3/s〕Bc——河槽宽度〔m〕对于次稳定性河段，式中的K取0.95，n取0.87；那么算出最小桥孔净长度为：L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1:1:0.6。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，这样桥孔布置如下列图所示：设计流速vs采用天然河槽平均流速vcμλAA桥下过水断面实际面积A=5330.10m2，大于上述计算的Aq确定桥面最低标高桥前壅水高度∆z和桥下壅水高度冲刷前桥下流速v天然桥下平均流速voM，计算得：冲刷后桥下平均流速：v系数：KK桥前最大壅水高度：∆z=桥下壅水高度∆zq取0.5∆z浪高∆由实测风速13.9m/s换算得到的计算风速为14.9m/s,沿浪程方向平均水深为12m，计算浪程为700m。其中：ggD所以∆因为∆应取KF=2.42，∆按《公路工程水文勘测设计标准》，静水面以上波浪高度取2/3的波浪高度计0.66∆hz；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0.2∆hz。这样，静水面以上的波浪高度为波浪全高0.86∆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。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0.12m。按设计洪水通过要求的桥面最低高程：H〔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p=5%，对应的流量Q20%=7876.58mHH以上计算结果说明，通航要求控制桥面高程，桥面最低高程确定为Hmin确定桥梁墩、台基底标高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h式中：hp——一般冲刷后最大水深〔m〕hcmax——A——单宽流量集中系数，A=B——造床流量下的河槽宽度〔m〕，一般为河槽宽度BcQ1——计算断面的天然河槽流量Qc〔m3/sQ2——桥下河槽通过的流量〔m3/s〕桥墩局部冲刷深度利用65-2修正公式计算h式中：hb——桥墩局部冲刷深度〔m〕K——系数，hb取回归值〔出现几率最大〕，K=0.46；hb取上限值〔外包线，置信区间上界〕，Kζ——B1——桥墩计算宽度〔m〕h——墩前行进水深〔m〕，以一般冲刷后水深hpd——冲刷层内泥沙平均粒径〔m〕；v——墩前行进流速〔m/s〕，以一般冲刷完成时流速记；v0——床沙启动流速〔m/s〕vh——水深〔m〕；d——粒径〔m〕;v'0——桥墩起冲速度〔m/s〕v'n——指数，以下式计算n=查墩形系数表得Kζ=1.0，计算墩宽行进水流hp=18.89m起动流速v起冲流速v'又n=〔1〕hb取回归值，所以h〔2〕hb取上限值，所以h桥墩的最低冲刷线高程H桥台冲刷hF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。习题二根本资料某公路跨越一小河，设计流量Qs=22m3/s，河床比降i=0.009，河槽粗糙系数n=0.033，设计水位H=101.50m，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0102.50.909091101.502100.31.20.61.0909090.6545454.51001.51.352.53.3756.1100.31.21.351.62.168.227273101.500.62.1272731.27636410102.5累计7.3181827.465909设计流量Qs=22m3/s，设计水位H河槽过水面积A=7.47m2，河槽宽度B=7.32m，平均水深h=1.02m临界水深假设小桥进出口取单孔、带锥坡，流速系数ϕ=0.90，收缩系数ε=0.90。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v=3.5m/sh1.3那么桥下水流为自由式出流。桥孔长度L选用单孔标准跨径6.0m钢筋混凝土板桥，建筑高度为0.80m，净跨5.4m。桥前水深HH桥面最低高程H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。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H桥下临界水深hk和临界流速vk，偏hv桥孔长度B总结根据以上两种情况，推算小桥孔径的结果，比拟后，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，也不平安。习题三根本资料设计流量Qs=8m3/s，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，计算涵内临界水深h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，那么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hkh式中：hk——平均临界水深〔mvk——临界流速〔m/s〕，计算时可采用河床的容许〔不冲刷〕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hk=1.25m，选取涵洞净高hT=1.8m，∆=0.10m。H涵前水深H=H'0.87=1.954m，Q该计算值与条件QsB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ε1.0ϕ0.95过水流量Q8m3/s临界水深h1.06m涵洞净高h1.8m进口水深𝐻′1.7m过水面积A2.286m2涵前总水头H1.753m涵前水深H1.954m涵洞孔径B1.853m2.2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hkh式中：hk——平均临界水深〔mvk——临界流速〔m/s〕，计算时可采用河床的容许〔不冲刷〕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hk=1.25m，选取涵洞净高hT=2.0m，∆=0.15m。H涵前水深H