桥涵水文计算基本方法课件

桥涵水文计算前言桥涵水文是公路、铁路、市政工程中桥梁、路基设计、建设的决定性因素之一，也是衡量桥梁、路基是否符合相应的行业标准的最基本标准。更为重要是它事关洪灾区人民的生命和财产的安全，是灾区人民群众逃生和抢险时有限的几条通道之一。由此可见桥涵水文在桥梁、路基设计、建设中是极其重要的工作项目。桥涵水文与本行业其它专业有所不同，桥涵水文调查、分析、计算本身并无精度指标要求，特别强调的是将通过各种途径和方法得到的计算结果进行比较、论证后确定最终设计流量，使其更接近实际，更趋于合理。本次着重于桥涵水文分析、计算的基本方法和途径。以上内容是桥涵水文工作主要工作内容，但重中之重是设计流量的推算。至于桥长、冲刷、调治构造物、桥面标高计算相比之下要简单得多，因此，本次的重点放在设计流量的推算、外业调查、勘测的主要过程以及内业工作的主要内容和步骤。本次培训着重于以下内容：一般情况水文分析计算桥孔长度和桥孔布设桥涵水文设计注意几点问题及探讨第一节水文勘测分析计算基本途径

桥涵水文计算、分析基本途径如下：

1、有水文观测资料————水文统计法

2、无水文观测资料——---形态断面法

3、无水文观测资料（无居民)—经验公式法有水文系列观测资料时水文统计法（1）资料搜集和准备了解桥梁所处的位置和所属河流、水系，勾绘汇水面积。收集与本桥位相关的水文、气象资料。1）水文站的多年连续或不连续流量系列。2）水位站的多年连续或不连续水位系列。3）水文站多年使用的基本水文参数，如：糙率、比降、流速。4）桥位上游是否有水坝，若有，其设计、较核频率各是多少、与桥梁设计同频率的放流情况如何。5）桥位附近是否有与已知水文站相关的其它水文站。该水文站的水文系列如何。6）调查、搜集历史洪水情况（年份、流量、水位）。7）收集所处地区的有关风、雨、流冰、气温等气象资料。序号年代流量xK1K1²K1´K1´²流量yK2K2²K1´K2119504730.320.10（396）（0.39）（0.15）25161704.2017.64（3985）（3.86）（15.13）35210000.680.46（728）（0.71）（0.50）45330302.064.24（2007）（1.96）（3.84）5549160.630.40（675）（0.66）（0.44）65521601.472.16（1459）（1.42）（2.02）75616601.131.28（1144）（1.12）（1.25）8573930.270.07（346）（0.34）（0.12）95839152.677.12（2564）（2.50）（6.25）10592130.150.02（232）（0.23）（0.05）11603370.230.050.310.10295（0.29）（0.08）0.12126118451.261.581.692.861276（1.24）（1.54）2.7413628400.570.320.770.59622（0.61）（0.37）0.6114635600.380.140.510.26440（0.43）（0.18）0.29156417601.201.441.622.621000（0.98）（0.96）2.06166520731.411.991.903.611400（1.37）（1.88）3.3817663400.230.050.310.10275（0.27）（0.07）0.11186715201.041.081.391.93813（0.79）（0.62）1.43196819201.311.721.763.101610（1.57）（2.46）3.59206911300.770.591.041.08965（0.94）（0.88）1.2821708400.570.320.770.59618（0.60）（0.36）0.61227110900.740.551.001.00814（0.79）（0.62）1.0423724070.280.080.37.014350（0.34）（0.12）0.1624736300.430.190.580.34529（0.52）（0.27）0.39∑352222443.5914.0218.321100713.9917.6617.81水文系列回归分析计算表回归分析方程式：

Y-Y=gsy/sx(X-X)

两系列近14年平均流量：Y＝786，X＝1092

经计算得:

均方差:sy=416sx=629

相关系数g=0.96

相关系数机误Eg＝±0.014判断相关程度：

4Eg=4×0.014＝0.056g＝0.96﹥4Eg相关良好根据以上回归分析方程式及相应各参数得到以下方程式：

Y－786＝0.96×416／629×（X－1092）整理得:Y=0.63X+98.04(本题为直线相关）其中自变量X为参证站（流量x）系列流量;y为分析站（流量y）系列流量。上表括号内（流量y）为插补后分析站流量y的系列流量,插补延长所得资料不宜用于第三站，可能引起较大误差。

方程：Y=0.63x+98.04**

************

****400800120016002000240028003200360040004400

50010001500200025003000350040004500500055006000相关分析方程图像参证站流量分析站流量Q=f(Q´)。。。。。。。。×。。。H=f(H´)×。。。×。。。××。。××。。。。×。。。××。。。×。。×水位、流量关系曲线分析站流量和水位参证站流量和水位Q´H´QHQ=f(H´)示例2,水位、流量关系曲线法示例：水位、流量关系曲线法就是利用两系列的水位、流量对应关系曲线,直接对分析站系列流量进行插补和延长，如下图：3、历史洪水情况的调查、考证和排序（1）历史洪水的调查与流量计算（与形态断面法相同）

1）调查河段的选择原则最好靠近所选断面附近选择有居民、易于指认洪痕的河段所选河段顺直，断面规整，基线与桥位间无支流汇入

2）洪水发生年份的调查及方法联系历史以便确认记忆引导群众以民间事件为突破点恢复当年的记忆由民谚、刻字、碑文、报刊、历史文献、日记查得

3)指认并确定洪痕4、历史洪水分析

1）洪水大、小的判断。其方法主要如下：根据洪水淹没深度来判断根据建筑物破坏程度来判断从诗文、叙事来判断根据受灾范围、河流决口、漫溢的上下游位置来判断

6、场次洪水次序和所处期限

期限时间最大流量实测期

36年(1935--1974)29700m³/s

调查期

108年(1974—1867）36000m³/s（1867年）

31000m³/s（1921年）

29700m³/s（1974年）

考证期

574年(1974－1400）43000m³/s（1583年）其中：与1867年大小相当的洪水还发生过5次，分别为：1416、1583、1693、1770、1852年，能够确定大于1867年洪水的有3次。相当于1921年的洪水除上述6次以外尚有：1472、1706、1724年3次。

第二节有水文系列设计流量计算方法例：某桥位附近有水文站，能搜集到20年连续的流量观测资料，通过洪水文献考证知，从1784年至1982年期间，曾有8年发生过较大洪水。其中：1880年、1948年和1955年能调查到历史洪水位，可推算得洪水流量；1975年在实测期内，有实测资料；其余4年未能获得流量资料，只知1784年洪水大于1880年，另3年洪水均小于1948年，试求洪水流量Q1%。

关键词：考证期、调查期、实测期、经验频率、经验频率曲线、理论频率曲线重点参数和公式：Q、CV、CS、PⅢ

曲线和公式

QP%

=Q(1+ФPCV)解：经验频率分析方法：第一种方法：可分为3个独立系列：考证期（1784年～1982年）N2为199年，1784年洪水频率为：P＝1/(N+1)=1/200=0.5%。调查期（1880年～1982年）N1为103年，包括1880年、1948年、1955年和1975年（在实测期内）4个特大值。频率分别为：P=M/(103+1),M取1、2、3、4实测期（1963年～1982年）n为20年，频率为：P=m/(n+1),m取1、2、3、……20，其中1975年为特大洪水，则L=1。第二种方法：在考证期内199年中各流量统一排位：实测系列外特大值经验频率：P＝M/(N+1)（1）实测系列内其它项经验频率：Pm=P+(1-P)×(m-L)/(n-L+1)

（2）考证期：N＝199年，,M=1,1784年的流量,

调查期:n=103年，a1＝4，包括1880年、1948年、1955年和1975年的特大洪水。L1＝1，即1975年洪水。实测期：n=20年，包括特大值1975年流量，应在调查期内按特大值排位。水文站观测资料只有20年，年限较短，代表性不强，采用第二种方法的计算结果。

(用公式（2）计算）

19551975194818801784a2=1a1=41963实测期n=20调查期N1=103考证期N2=199L=1按年份顺序排列按流量大小排列经验频率P（％）经验频率

P（％）方法二经验频率

P（％）采用值年份流量(m³/s)年份流量(m³/s)方法一1784>38001784>38000.500.500.518803800188038001.000.961.001.019483350195535501.921.962.019553350197534702.884.762.922.919632570194833503.853.883.919643025196430259.528.698.7196517501970280514.2913.4913.5196616001963257019.0518.3018.3196714901968227023.8123.1023.1196822701974196028.5727.9127.9196912801979184033.3332.7232.7197028501965175038.1037.5237.5经验频率计算表3.88+（100-3.88）*（2-1）/(20-1+1)1+（100-1）*（2-1）/(103-1+1)197116801972171042.8642.3342.3197217101971168047.6247.1347.1197315801966160052.3851.9451.9197419601973158057.1456.7556.7197534701978155061.9061.5561.6197611001981151066.6766.3666.4197713101967149071.4371.1671.2197815501982146076.1975.9776.0197918401977131080.9580.8780.819808401969128085.7185.5885.6198115101976110090.4890.9390.419821460198084095.2495.1995.2点绘经验频率曲线：将经验频率点群点绘于海森几率格纸上，目估通过点群分布中心，并兼顾到特大值作曲线，得到经验频率曲线。适线中重点参数的求算：应用3点适线法确定统计参数Q、CV和CS。在经验频率曲线上读P5%,P50%,P95%所对应的流量得

Q5%=3210m³/s(Q1)、Q50%=1750m³/s(Q2)、Q95%=970m³/s(Q3)

公式：S＝(Q1+Q3-2Q2)/(Q1-Q3）

S＝（3120＋970－2×1750）/（3120－970）＝0.274

查表得：CS＝0.99，并知，当CS＝0.99时，P1＝5%,Ф1=1.88P2=50%,Ф2=-0.16,P3=95%,Ф3=-1.32

公式：Q=(Q3×Ф1

－Q1×Ф3）/（Ф1

－Ф3）＝[970×1.88－3120×（－1.32）]/[1.88－（－.32）]

＝1857m³/s

公式：CV

＝（Q1－Q3）/(Q3×Ф1－Q1×Ф3）＝0.36

将各频率P%和对应的流量QP%点绘于海森几率格纸上，检测理论曲线和经验曲线的符合状况，若符合很好，则该理论曲线即为所求，否则调整CV值后重复以上过程重新适线，直至两线符合很好为止，再利用最终的理论曲线参数再推求设计流量。推求设计流量：利用PⅢ曲线公式并查各表得设计频率Ф1％,计算可得设计流量Q1％,即：Q1％＝Q(1+Ф1％CV)=3863m³/s

经验频率计算及经验频率曲线、理论频率曲线见下图．

．经验频率曲线理论频率曲线．．．．1000

200030004000

5000600070008000

1510203040506070809095100(%)..............洪水（水面）比降的调查和测量：1)洪水比降是指沿河流某岸调查同一场次洪水所得到的多个洪水位点，再通过测量（方法同洪水位测量）得到各点标高，将其投影至中泓轴线上，点绘在坐标纸上（纵：洪水点标高，横：轴线上各点投影距离）再计算确定洪水比降i值。2）现有河流水面比降的测量方法：①沿现有河流水面按《水文勘测规范》有关规定，在桥位上、下游事先布点，各点一人，每人一个木桩。先将木桩打入土中但不能打到与水面平。②看信号，所有人同时将木桩打至桩顶与水面平齐。③测量各桩顶标高、点绘各点、推求水面比降，用以代替洪水比降。被调查人年龄职业居住地其它被调查人胡车60

放羊官巴离村

胡优记述：我是当地生人，今年60岁，一直生活在这里。我记得我21岁那年蛤蟆河发大水，水很大，我很害怕，水面在这儿也到我腰这麽深（就地量测：1.1米），我记得那年老王家狗剩取的媳妇，但大水两天就退了。这场水还不是最大的，我48岁那年水更大，大水到我家房檐了，全村的人都跑后山上去了，我可以领你们到河边的山坡再看，这里水深有1.3米。我一生就遇上这两场大洪水，但我听老一辈人说民国初还发生过一场洪水，听它们讲的情景要比这两次洪水大得多，听说那次洪水后这个村子房子全没了，人也死了200多。证明人：它说后两次的我也经历了，民国初还发生过的那场洪水我听说也是这样。结论：被调查人记忆清晰，且有其它事实佐证，旁证也证实事实准确。调查人

张三

证明人

李四洪水调查表洪水编号：洪1调查时间：99.6.5河滩m1河滩m3边滩m2边滩m2主槽m1按水面比降从洪水点推算至基线断面处的调查洪水位。。。。洪4洪3洪2洪1桩号河底标高洪水点在中泓线间距各洪水位标高水面比降计算图某洪水位在基线处状况m为糙率系数

设计流量、设计水位的推求：有水文系列设计流量的推求方法是用观测资料直接推求系列平均流量Q和参数Cv，然后再利用PⅢ公式推求设计流量QP%。。无水文系列时利用形态断面法推求设计流量。形态断面法：1）将测得各洪水位推算至已测的形态断面内，推求对应频率（P%)下的流量QP%2）根据已知频率查表得ΦP%值，并根据桥梁所在区域查阅有关资料得到Cv值，根据PⅢ公式QP%=Q(1+ΦP%

Cv)反求平均流量Q。3）查表得Q1%对应Φ1%值，根据已求得的平均流量Q值再通过PⅢ公式Q1%=Q(1+Φ1%

Cv)即可得到设计流量Q1%。4）将通过以上计算所得的每个流量（含经验公式法结果）一并通过论证确定最终设计流量5）将设计流量Q1%放在形态断面内得到了形态断面处水位H′1%

6）将形态断面处水位H′1%

通过洪水水面比降推算至桥位处的设计水位H1%

形态断面法推求设计流量工作流程：

重点工作步骤：1）调查得到形态断面处某年洪水位H′，并确定该年洪水频率P，测得洪水水面比降I2）将该洪水位H′通过洪水比降I推算至形态断面处，得到形态断面处洪水位H1H1＝H′±I×L，其余流程如下：已知形态断面处H1（对应）P

根据河床面选择滩、槽糙率系数M根据形态断面上计算该H1、糙率系数M利用水利学原理计算P对应流量QP根据已求得的流量QP、区域CV用PⅢ公式反算平均流量Q根据平均流量Q、查表得Ф1％再根据PⅢ公式推求Q1%将Q1%重置于形态断面上，并计算该流量对应的水位H，将该H推算至桥位处得HQ第四节全国水文分区流量公式(无观测资料）

第五节径流公式(无观测资料）小流域面积无观测资料，设计流量可采用径流公式计算。

第二章桥孔长度和桥孔布设桥孔长度的确定概念1）桥孔长度：沿着设计水位的水面线，两桥台前缘的水面长度2）桥孔净长：桥孔长度扣除桥墩宽度后的长度桥孔长度的计算及适用条件1）河槽宽度公式：

Lj=Kq×Bc×(QP/QC)

适用条件：开口、顺直微弯段及滩、槽可分的不稳定河段重点参数：河槽宽度Bc2）单宽流量公式：Lj=QP/(qc×β)其中：qc＝QC/BC适用条件：宽滩河段重点参数：河槽平均单宽流量qc（m³/s.m)3）基本河宽公式Lj=

CP×B0适用条件：滩、槽难分的不稳定河段重点参数：B0－－基本河槽宽度（公式计算）n3参考方法---供需面积法：（1）所需过水面积SX为SX=QP/(µ×VP)

其中：

VP

设计流速，依河槽情况而定，一般取河槽平均流速。

µ水流压缩系数（2）桥下供给面积SG根据计算所需桥长在顺桩断面上两桥台所截取的累计面积差而得：SG＝S2－S1。（3）冲刷系数：

P=SX/SG

SX

－冲刷终止时桥下需要过水面积

SG－冲刷前桥下提供过水面积该冲刷系数一般在1.2～1.4之间（4）桥位的布设①桥下供给面积SG

应该扣除锥坡、桥墩所占的过水面积。②桥位的具体布设应根据河槽的滩、槽具体分布情况据实布设，最后得到最终桥位，同时获得最终桥下下供给面积SG

。

过水面积累计曲线桥孔布设高程累计面积S2S1供给面积SG=S2－S1桩号设计水位供需面积法桥孔布设S=f(L)河槽L1L2桥长＝L2-L1桥面设计高程的确定无通航河流桥面设计高程的确定Hmin=Hs+∑△h+△hj+△h0

其中：Hs：为设计水位∑△h：为考虑壅水、浪高等因素

△hj：为桥下净空安全值△h0：为桥梁上部结构建筑高度1）在计算浪高时风玫瑰图的使用：

NW桥位浪程LNEWSNWSENESW风玫瑰图θθ≤22.5°河流风向（最大）SE说明：A、应使用桥位所在风区的风玫瑰图。

B、应使用桥位所在风区的汛期风玫瑰图。

2）浪高、壅高、波浪侵袭高度示意图

其中：△Z′计算得，△Z可取△Z′/2

h1h1浪高h2h2波浪侵袭高度静水面桥前最大壅水高△Z′桥位桥下壅水高△Z水面曲线河岸或河堤实际水面说明：

△Z一般取0.5△Z′，但山区半山区可以取△Z′通航河流桥面设计高程的确定

Hmin=Htn+Hm+△h0式中：Htn设计最高通航水位

Hm通航净空高度说明：桥面设计高程除满足通航要求外，尚应满足泄洪要求。桥面设计高程取两者大值。墩、台冲刷计算桥下一般冲刷计算《勘规》法1）非粘性土河床桥下一般冲刷计算后的最大水深Hmax

（1）河槽部分①64－2简化式（输砂平衡原理）②64－1修正式(动力平衡流速、冲止流速原理）（2）河滩部分2）粘性土河床桥下一般冲刷计算Hmax

（1）河槽部分（2）河滩部分墩、台局部冲刷计算(局部冲刷坑深度Hb)1）非粘性土河床桥墩局部冲刷计算——《勘规》法①65—2式②65—1修正式2）粘性土河床桥墩局部冲刷计算——《勘规》法注意：1）在进行桥下局部冲刷计算时，各计算式中的一般冲刷后墩前行近流速，应根据计算一般冲刷所采用的公式的形成原理（输砂平衡原理：动力平衡流速、冲止流速原理等），选用对应的墩前行近流速计算公式。2）要分清河床土质（粘性、非粘性土）、计算部位（河槽、河滩）。3）总冲刷深度应包括河床自然演变冲刷、一般冲刷和局部冲刷。桥台最大冲刷深度（目前尚不成熟），可参照公路桥涵设计手册桥位设计》一书计算。－－《