桥涵水文分析与计算

1、桥涵水文分析与计算（技术讲座稿）一、概述桥涵水文分析与计算，包括河流水文资料的调查搜集整理与计算，推求出我们桥涵所需 要的设计水位和流量，拟定出桥长孔径、桥高和基础埋设深度。由于桥位所处的地理位置不 同以及其它复杂因素，包括天然的和人为因素如潮汐、泥石流、修水库、开挖渠道等。我们 调查搜集洪水流量的计算方法各有不同。水文计算从大的方面来分：有水文（雨量）观测资料和无水文观测资料的水文计算。从各河段特殊情况的不同又可分为，有水库的水文计算，倒灌河流的水文计算，平原或 者山丘区的水文计算，还有潮汐河段、岩溶河段、泥石流河段等。不同情况的河流我们要有 针对性的调查，搜集有关资料调查搜集资料很辛苦，跑

2、路多收效有时还很小，但工作必需要 做，要有耐心。需要调查搜集的资料综合起来有：水系图，县志和水利志、地形图、形态断面、水文站 （气象站）资料水库资料，倒灌资料、河道演度、河床淤积、雨力资料、洪水调查及比降的 测量，原有桥涵的调查等，通过调查为下步洪水设计流量提供有关参数。另外还要进行地质地貌调查，有些设计流量的计算参数也和土的颗粒组成、土壤的分类、 密实度吸水率熔洞泥石流等有关，有的与设计流量无关，但与桥的安全性有关如土体稳定性、 山体滑坡、湿陷性黄土软土地基等，一般野外采用看挖钻的方法，下面介绍一下土壤分类的 一般常识，分为三类：1. 粘性土：塑性指数I p >1亚砂土或轻亚粘土 1&

3、lt; I p < 7;亚粘土7< I < 17;粘土Ip > 17 ;塑性指数I p =Wi （液限）Wp （塑限）；w Wc而粘性土壤的状态用液性指数（即稠度系数）Il分为四级，11 =-;W1 _WpWo 天然含水量；11 <0为坚硬半坚硬标贯>3.5;0 < 11 <0.5为硬塑标贯> 3.5 ;0.5 < 11 <1为软塑标贯< 7;I1 > 1为极软标贯<2;1的轻亚粘土或淤泥是极软状态的粘性土，其含水量接近或大于液限，对于孔隙比大于 亚粘土和孔隙比大于1.5的粘土均称淤泥。2. 砂性土：塑性指数I

4、pW 1砾砂：粒径20mm的颗粒干燥时重量占全部重量 2550% ; 粗砂：粒径0.5mm的颗粒干燥时重量占全部重量超过 50% ;中砂：粒径0.25mm的颗粒干燥时重量占全部重量超过 50% ; 细砂：粒径0.1mm的颗粒干燥时重量占全部重量超过 75% ;粉土 ：粒径0.1mm的颗粒干燥时重量占全部重量少于 75% ;3. 碎石卵石类土 ：碎石、卵石粒径大于20mm的颗粒干燥时的重量占全部重量超过 50% ; 角砾、园砾粒径大于2mm的颗粒干燥时的重量占全部重量超过 50% ;二洪水流量的计算（一）1.小流域山丘区设计洪水流量的计算：首先要找水文分区图1.1推理公式：S p3Qp=0.27

5、8（ nL 卩）F （m3 /s）;TSp设计频率暴雨雨力（mm/小时）;t 汇流时间（小时）；n暴雨递减指数卩一损失系数（或损失率）（mm/小时）;Sp由汇水面积中心和设计频率查附图1频率等值线； n由桥涵所在地及汇流时间查图 2;P卩=KSpK、1地区特征参数，由桥涵所在地查附图3找出水文分区，然后查表1 ;L主河沟长J主河沟比降由地形图量取；由地形图量取，加权平均计算。;F汇水面积平方公里，由地形图勾绘;表1推理公式文区 系或指数InIVH =KSp 卩K0.00250.0571.000.8P1.751.00.710.51L aT =m( jJ=(Zo Z)Li (Zi 辽2儿2 (Zn

6、nZn)-2ZoLL2m、a为地区特征参数，桥涵所在地查附图 3水文分区，再查表2表2t =m (水文区 系或指数InIVm0.730.0380.630.80a0.320.750.150.201.2经验公式:Qp=CS t FC、n地区特征参数由水文分区查表 4表4经验公式水文区 系或指数InVQp=CS PFnc0.180.450.360.481.01.091.070.95n0.860.650.670.801.3简化公式：Q p=（ Sp卩）m F°、m、n地区特征参数查表3表3简化公式水文区 系或指数InIVQp= * (Sp u)mFn*0.220.660.760.28m0.9

7、81.031.001.07n0.860.650.670.81以上公式适用1 300平方公里，超过也可用做计算方法 当汇水面积小于1平方公里应用修正参数修正水文分区InV修正参数a1.2 1.50.5 0.60.5 0.70.5 0.7实例： 我省07211工程，管道口一长水公路，中周峪桥地处黄河流域属水文分W区,F=10.9Km2,主河沟长L=1.7Km，主河沟平均比降J=21.8%。推理公式：卩=KS p '其中查表 1 :K=0.8 ,- =0.51S2%=80mm/ 小时=m ( L/、. JV =0.8(1.70.221.8)0 51卩=0.8 X 80 . =7.94mm/

8、小时=1.3 小时其中：表 2 m=0.8 , a =0.21000查图 2n=0.75803Q2%=0.278( 就-7.48) X10.9=174m /s1.3简化公式：Qp= - (Sp-卩)mFn查表 3 =0.28m=1.07n=0.81Q 2%=0.28(80 7.48)1.07 X 10.90.81 =190m 3/s经验公式：Q=CSFn查表 4 查得 C=0.48' =0.95n=0.8Q2%= CS " Fn=0.48 X 800.95 x 10.90.8=209m3/s2.迳流形式法2.1公路科学研究所的简化公式：全国划分18暴雨分区:考虑洪峰削减：Qp

9、='' (h-z) 3/2F4/5不考虑洪峰削减：Qp; （h-z） 3/2F4/5地貌系数根据F ,1（比降）地形查表；n迳流厚度（mm）按暴雨分区（河南大部分属 4区），土壤吸水类属（河南一级U、 川区，且西部黄土属W区）汇流时间如 20<F < 30为80min暴雨川区，土壤类别川设计频率 1%查有关表n=90，查有关表；Z被植物或坑洼滞留的迳流厚度，有表查；1 洪峰传播的流量折减系数平原山区不一样依据汇水面积中心至桥位距离查表；汇水区降雨量不均匀系数依据汇水时间，汇水面积长度查表；r湖泊水库影响折减系数查表；2.经验公式： Qp=KFn其中：K迳流模量，华北

10、华中 K2%=23.4，有表查 n指数华北华中为0.75，有表查此公式适于F<10Km 2 当有降雨资料时Qp=CSF2/3其中:s 为设计频率一小时降雨量；c系数根据不同地貌查表1 表1平原区黄土丘陵区丘陵区石山区0.4 0.300.47 0.370.5 0.40.60 0.55当F<3Km2时Q p=CSF符号同上（二）大流域平原区山丘区洪水流量计算1. 分区法分区经验公式表省 分 区 号全国 统一 分区 号区名Qo=CFnQ2=KFn Q1%/Q 2%Cs/CvI44淮河山丘区Qo=51F0.45Q2=145F0.481.182.5n42淮河平原区Qo=0.46F 0.8Q2

11、=7.65F0.631.152.0川45长江流域Qo=8.85F 0.65一lcl0.57Q 2=58F1.182.5IV43黄河流域Qo=2.35F 0.73Q 2=7.3F0.781.152.0省分 区号全国统一 分区号区名C值上限C值下限K值上限K值下限I44淮河山丘区66.335.7188101n42淮平原区0.6080.3289.955.35川45长江流域11.56.27440IV43黄河流域3.061.649.55.1例：洛阳洛河大桥求Qi% F=11 , 581平方公里属黄河流域Q2%=7.3F0.73=7.3 X 11, 581 0.73=10790m3/s3Q1%=10790

12、 X1.2=12947m 3/s2. 分区法：0.6Q o=CF 先由汇水面积中心查河南省 C值等值线图（图7）； 再查“河南省Cv等值线图（图8）根据分区Cv/Cs求出Cs 再查皮川曲线模比系数求得 Kp；贝U Qo=CF0.6Qp=QoKp例 息县淮河大桥F=9000Km 2汇水面积中心位置东径114o12 '，北纬32o14 '求50年 一遇Q。 查“河南省C等值线图C=13.6Qo=CF . =13.6 X 9000 . =3207m /s 查:河南省Cv等值线图Cv=0.8 查分区经验公式表Cs=2.5Cv查皮川模比系数K2%=3.33 Q2%=QoX Kp=3207

13、 X3.33=10678m 3/秒,如果我们按分区法计算：Q2%=145F。朋二也厶 X 9000 0.48=11466m 3/s（三）形态法：这是最普通又是最常用的方法1 首先选择形态断面一般12个，应选在人口房屋多的有洪水调查资料的河段上，要求断面上下游顺直，河岸稳定冲淤变化不大，洪水泛滥宽度小，不受壅水和死水影响，断 面垂直水流，形态断面测量范围为历史最高洪水位0.5m。2 洪水调查的方法：2.1访问群众年岁要注意，洪痕有几个群众指点为最有效。还要了解河道变化冲刷情况。2.2向水利部门、水位站了解搜集。2.3现场洪痕调查：寺庙老房墙上洪水痕迹，岩石河岸，水工建筑反复冲刷，青苔覆盖 痕迹，

14、其上缘一般为5年一遇，沿岸大树干上成束残余漂流物（小草、小树枝、淤泥等），附 近岸缝中泥砂淤泥这些洪痕一般频率为 1020年一遇。2.4多年平均洪水位调查：岩石河岸受水流长期反复冲刷所遗留的条带痕迹，岩石青苔覆盖物的条带痕迹下缘，平坦河滩植物分界线或水草颜色分界线，自然岸坡涂1: 11: 2与1 : 51 : 10的分界线都为平均洪水位，这些是经验，可做为参考，最好还要结合其它调 查资料或计算。3调查洪水频率的确定：一般采用维泊尔公式： 100，以%计，举例：2004年去某河调查一老人，年岁70n十1岁即1934年生，该老人19岁生儿，第二年发生大洪水，这次洪水频率多大。1934+20=195

15、4 年这是发洪水年份12004-1954=50 年，p=100： 2%50+1相当50年一遇洪水如果过4年又是洪水则是1954+4=1958年2该年洪水频率为1004%50+1相当25年一遇4 洪水比降的测绘根据调查的洪水点测出距离和标高进行洪水比降的绘制。如果调查时无水可测河床比降， 有水也可测水面比降，一般这些比降要比洪水比降为小。 5流速的确定：5.1 一般用曼宁公式计算：V=mR2/3 I 1/2，其中：m 糙率系数，I比降，R水力半径5.2按沉积物粒径或土的类属特估算流速5.2.1山区河流在形态断面附近，平时高出常水位的浅滩上，找出35个最大石块（应是洪水冲下，而不是山坡滚下来，河岸

16、受冲刷坍下来的）。V=5.5 . DD 最大石块的平均直径（m）5.2.2平原区河沟,按河床土的类属特征确定见下表河床土的特征平均流速（m/s）序号土类属冲刷程度1淤泥、细砂弱1.32粗砂或有淤泥隔离的粘土中等1.63带卵石的粗砂、粘土中等1.84砾石（粒径220mm ）强2.05卵石（粒径2060mm ）强3.06园石（粒径60200mm ）强4.06.流量计算:6.1 一般为 Q=VWw断面积6.2 Q p= Q jKp其中：Qj多年平均流量，Kp设计频率模比系数K6.3 如已知某一频率Q pi推求更咼频设计流量Q p,Q p=Qp1pi6.4 关于Cv、Cs及Kp值的确定我国有关科研单位

17、提出F< 30Km 2,流量按土的吸水类属确定变差系数 Cv平均值, 一般U类（粘土 ）Cv=0.56，川类（亚粘土 ）Cv=0.63。小流域涵洞手册有表可查，有了 Cv就可查 得Kp o6.5 也可用简单的换算系数推求规定的周期流量。当然比较近似，也是缺Cv、Cs情况才用第三铁路设计院2F=30Km频率1100150125120110151.000.800.600.500.301.251.000.750.630.381.671.331.000.830.502.001.601.201.000.603.332.662.001.601.00使用方法：举例：已知 Q io% 求 Q2% oQ

18、2%= Q io% X 2.66（四）特定情况下的水文分析与流量计算:1.直接类比法：a）自由出流b）非自由岀流桥址上下游已有桥涵，对原有桥涵历史洪水泄流情况的调查来推求洪水流量由于桥头路堤及墩台的压束水流，使桥前产生雍水，入口处形成水面降落。其水力图式 与宽顶堰差不多，具体水力图式有二种当桥下游天然水深ht< 1.3hk时，水面二次降落，桥下为自由式出流。当桥下游天然水深ht>1.3 hk时，进桥水流推不开下游水面顶托影响，流速降低而成为自 由出流V2H、ht可通过调查洪水时量得。图中hk即桥下水深为临界水深hk= =gVy桥下允许流速m/s，根据土质或铺砌情况查表如中密粘土水深

19、2m时Vy=0.95m。桥前水头高度：H°=H+2gV：2ht=Ho-2.9g*结合上式，最后的判别式为：自由式出流：H°w( 1.32)'2©2 g1非自由式出流：Ho>(3尹)Vy2原有桥的流量计算：自由式：Q=MBVyht非自由式：Q=；VyhtB桥深；、M、©值表桥台形式挤压系数名流量系数M流速系数©单孔锥坡填土0.901.550.90单孔桥八字翼墙0.851.460.90多孔桥或无锥坡或桥台伸出锥坡外0.801.370.85拱脚淹没的拱桥0.751.290.802.有水库河流的水文计算：2.1库内桥：永久性水库可直接利用

20、水库同频率资料；如果没有可通过计算直接采用天然设计流量。在水库壅水区应考虑壅水对桥高的影响。壅水曲线示意图最大壅水断面以上壅水曲线，对于缓坡，可不按水力学中水面曲线绘制方法进行精确计 算，可近似按二次抛物线进行计算。壅水曲线的全长和任意断面A处的壅水高度计算公式如下：,2 ZL=iZ桥前最大壅水高度（m）;L 壅水曲线全长（m）;I河床比降（以小数计）；A 任意断面A处的壅水高度（m）;LA 任意断面A至最大壅水断面距离（m ）。2.2位于水库下游的桥流量计算：应等于同频率的水库下泄流量加水库与桥位间区间洪水流量，即Q p= Q pi+ Q p(?)Q p天然状态下坝址断面与桥同频率的设计流量

21、Q pi与桥同频率的水库下泄流量（m 3/s）;Fs坝桥区间汇水面积（Km2）;F 坝以上汇水面积（Km2）;n指数淮河平原0.8，山丘区0.45，黄河流域0.73，长江流域0.65 ; 当两汇水面积差10%可直接用水库下泄流量。2.3当水库校核标准或非永久性水库，应考虑溃坝流量为： 理论公式：Qg=Ko , gbgH s2K。一系数按坝长（水库宽）与溃决口门宽之比查表如决口宽占坝长一半 Ko=0.3687。H s 溃坝时坝体上游水深可采用坝高 H g ；g 重力加速度；bg坝体溃决口门平均宽度（m），砼重力坝溃口门宽等于坝长 Bg；当为土堆石坝且水库库容大于106m3时，按bg=1.44（

22、w'4、Bg17、Hg12）其中：Bg坝长；W水库库容（104m3）；Hg 坝咼（m）o从以上计算我们可知调查水库要搜集水库设计频率、水位、流量；校核频率、水位流量； 水库库容（兴利、发电、防洪、死库容）下泄流量，波浪淤积壅水等资料。3. 倒灌河段的水文计算 搜集大河倒灌影响的河段，水位、流量、流速、最高倒灌水位、河床比降、倒灌、洪 水涨落率、及河段冲淤情况。搜集倒灌区域地形图，并绘制桥前，蓄水区水位一水面面积"=f （H）关系曲线。3.1当大河水位上涨，而支流为常水位，支流桥梁发生倒灌，桥下流量Qg应为倒灌流量Q '与支流常水位Qo之差即Q g= Q - Q o倒灌

23、流量Q=At式中：辿一支流受大河倒灌作用下的涨水强度即蓄水上涨率（m/s），当桥孔足够大时，t桥孔上下游上涨速度相同，可借用大河观测站的水位资料，选择较高水位时的上涨速度代替， 无资料可调查。0桥前壅水的水面面积（m2），可从地形图中量取也可近似计算，一般壅水按水面形 状呈抛物形，则'1 = -Bh3 I其中：B桥位处倒灌水面宽度；h壅水深度，从河床平均高程算起（m）;I 河床比降（以小数计）。3.2大河退水：当上游为两岸较陡的非宽滩河流，其蓄水有限时，增陡流量比天然流量增大很少，可以略而不计。则桥下通过的流量为支流天然流量（设计流量）Qp与退水流量Q 之和即：Q g= Q p+ Qf

24、f3.3桥长和设计水位确定原则：设计桥长要按倒灌后急剧退水，同时支流出现设计流量时的情况来确定 设计水位取支流设计流量时水位和倒灌水位中最大者控制桥高。4. 有水文站观测资料的洪水流量计算：我们可以采用求矩适线法和三点适线法来推求 Qp。首先我们要搜集水文站长期观资料， 愈长愈准确，如有32年水位，或者流量观测资料（如 不连续的可用插补延长等办法）。4.1求矩适线法：具体方法如下1）按Q大小递减次序排列2)求平均流量Q=lv Qin i 二3)Q求每个Q i =的K 值即每个Q 与Q的比K 二竺，或K2或（K i- 1）Q(K I- 1)4）计算Cv变差系数Cv=n、(Ki -1)2v I n

25、 1n£ Ki n 或 Cv= '土 n1Cv变差系数表示系列的离散程度，Cv小离散小，频率分布比较集中5）计算Cs偏差系数，该值反映系列对均值的对称偏斜程度；n、(Ki -1)3(n -3)Cj般不计算假定6）计算每个Q i经验频率P=100（%）n 17）在海森机率格纸上点绘经验频率曲线，需要可顺势延长。K -18）计算离均系数叮=p 也有皮尔逊川型曲线的离均系数 门表，可通过已知Cv或Cs查CV各频率值。9）由求得的Q、Cv、Cs查皮川曲线求得各频率 Kp值，计算Qp=（Cv+1），Q=KpQ4.2三点适线法在经验频率曲线上任选三点如 5%、50%、95%或3%、50%

26、、97%，利用该三点的流量 和相应频率，推求统计参数的初试值，通过适线确定参数，然后再按前面讲的方法一样推 求设计流量。通过已知三个流量和相应频率列出三个方程求解Q、Cv、Cs如：Qi= (GiCv+1) QQ2=( 2Cv+1 ) QQ3=（疗 3Cv+1 ） Q解联立方程最后得：Q31- Q1 时 31 -门3Cv=Q1 -Q2Q31 -Q1 j 3S=L i：3Q1 Q3 - 2Q3Q Q3偏度系数若已知S和频率P,查表“ S与Cs关系表”可得Cs求得Q、Cv、Cs初试值后，计算各频 率流量在已得至经验频率曲线上，绘制理论频率曲线，反复调整参数直到适线好为止即可按 确定的参数值求得设计频

27、率流量Q p=KpQ。三、桥长和桥面标高的确定（一）桥孔净长计算除了峡谷性河段上的桥梁，可以按地形布孔，不作桥长计算，因为峡谷性河段流量不控 制桥高、桥长。桥高受地形结构控制。其它各类河段的桥梁都要进行计算。可按下列公式：1.河槽宽度公式：此式主要适用于稳定、次稳定、不稳定（滩槽可分）河。Qp nL=K （BcQcQp、Qc分别为设计流量和河槽流量（m3/s）;Be河槽宽度（m）；L 最小桥孔净长（m）;K、n系数和指数（见下表1） oK、n值表表1河段类型kn稳定0.840.90次稳定（包括宽滩）0.950.87不稳定（滩槽可分）0.691.592.单宽流量公式：此式适用于稳定次稳定、宽滩河

28、段L最小桥孔净长（m）;qc河槽平均单宽流量（m3/s m）;-水流压缩系数（见下表2） o新规范："9（訝1 '其中：Qc、Qt河槽及河滩流量（m3/s）水流压缩系数值表2河段类型P稳定(Bc )0.06hc次稳定0.92昌严 hc宽滩1.02( Qt)J.15()J.11Qcg h o表中：Be、hc 河槽宽度及河槽平均水深;V、ho 断面平均流速和平均水深；Q t河滩流量（m3/s）;2g重力加速度g=9.81 （m/s ）;断面流速分布不均匀修正参数。2 2 2VtlQt! VeQe Vt2Qt2 ：=-勺-VoQpVt 河滩平均流速。3. 基本河槽宽度公式3.1适用

29、于滩槽滩分的变迁游荡河段。L=KBoK系数，K=1.0 0.7Q0.5Bo基本河槽宽度（m） Bo=A （祜）其中：A 河段特性系数，一般为1.01.5,无滩宽浅河床为1.53.0或按下式计算其中：Ei系数一般为2.5无滩宽浅河床为4.5;3.2d为河床泥砂平均粒径。适用于滩槽难分的不稳定河段L=0.85Cp '-o新规范 L= Cp '-o0.24式中：1。基本河槽宽度'o =16.07（Qo ）；d其中：Q 洪峰流量均值；Cp设计洪水频率桥长换算系数；Cp=（ Qp%）13 Q2%4. 输沙平衡公式：新规范末列入适用于滩槽可分变迁游荡河段。L=K （主）"喘它8QcK系数游荡河段为2.12.3,变迁河段为1.72.0;（二）桥面标高的确定1、不通航河流H min=Hp+ ' . ：h+ hoHp设计洪水位（m）;x h 壅水、浪高、河宽两岸高差、漂浮物，河床淤积高等因素总和桥下净空；=ho 上部建筑高。1.1 壅水计算221.1.1 汀=（Vm Vo ）n系数；Vm 断面平均流速（m/s）。值表河难路堤阻断流量与设计流量的比值（%）<1011 303150>50n0.050.070.100.10V m 桥下平均流速（m