桥涵水文课件4大中桥孔径计算

桥涵水文学大中桥孔径计算桥梁与结构教研室:李林教学目的和任务1.了解描述流体运动的两种方法；2.理解描述流体流动的一些基本概念，如恒定流与非恒定流、流线与迹线、流管、流束与总流、过水断面、流量及断面平均流速等；3.掌握连续性方程、伯努利方程、动量方程，并能熟练应用于求解工程实际问题动量方程的应用。重点与难点重点：流体流动中的基本概念，连续性方程、伯努利方程、动量方程及其应用。难点：连续性方程、伯努利方程以及与动量方程的联立应用。主要内容：桥位河段水流图式和桥孔布设桥孔长度桥面高程计算示例第六章大中桥孔径计算桥位河段水流图式和桥孔布设大中桥孔径计算：依据桥位断面的设计流量和设计水位，推算必须的最小桥孔净长和桥面中心最低标高，为确定桥孔设计方案提供依据。建桥前河床处于相对的稳定状态；建桥后河流受桥头引道的压缩和墩台阻水的影响，改变了水流与泥沙运动的天然状态，引起河床冲淤变形，导致水流对桥梁墩台基础的冲刷，危及桥梁安全，因此桥梁孔径计算应以建桥前后桥位河段水流与泥沙运动的规律为依据。1.桥位河段的水流图式平面（无导流堤）平面（有导流堤）河流中心纵断面（Fr<1.0）河流中心纵断面（Fr>1.0）1）缓流桥位河段（Fr<1）水流图式：平面图：河流水面宽B、桥孔长L、正常水深h0，由于桥孔对水流的压缩，自桥位上游较远①处，水面壅高，a1（M1）形壅水曲线，无导流堤时距上游约L处（有导流堤时为上游坝端）的②达到最大壅水高度Δz。水流接近桥孔时，宽、深度都急剧收缩，无导流堤③´

（有导流堤时桥位中线③）为收缩断面，水面最窄，流速最大，然后水流逐渐扩散，到④恢复天然状态。1）缓流桥位河段（Fr<1）水流图式：纵断面：壅水范围内，流速减小，泥沙淤积；最大壅水断面下游，流速增大，河床冲刷。2）急流桥位河段（Fr>1）水流图式：上游不会产生壅水，在桥前会产生水跃。很少部分峡谷性河段和变迁性和段的桥位会产生急流。特点见《公路桥涵设计手册·桥位设计》桥位河段的水流图式：反映桥位河段建桥后水流和泥沙运动的变化，反映桥孔长度、桥前壅水和桥下冲刷之间的关系，因此桥位河段的水流图式可作为桥孔计算的依据。大中桥的水力计算特点自由出流，允许桥下有一定的冲刷。故大中桥孔径计算除满足泄流条件外还需考虑冲刷因素。1.桥位河段的水流图式2.桥孔布置的原则1）必须保证设计洪水和泥沙的顺利宣泄，并满足通航、流冰、流木及其他漂浮物通过的要求。2）应适应各类河段的特性及演变特点，避免河床产生不利变形，且做到经济合理。（表6-1-1河段分类表）3）建桥后的桥前壅水，不得对两岸河堤、农田、村镇造成威胁，平原区河流桥梁通常以桥前壅水来控制桥长。4）应考虑桥位上下游已建或拟建工程等引起的河床演变对桥孔的影响。5）桥位河段的天然河道不宜开挖或改移。6）跨越河口、海湾及海岛之间的桥梁，必须保证在潮汐等各种海洋水文条件影响下，正常使用和满足通航的要求。2.桥孔布置的原则7）应与天然河流断面的流量分配相适应。

稳定性河段：左右河滩桥孔长度之比应近似与左右河滩流量之比相当；

次稳定和不稳定河段：须考虑河床变形和流量分布变化的影响。桥孔不宜压缩河槽，可适当压缩河滩。8）内河通航河段：通航孔布设在稳定河段上，必要时预留通航孔。9）主流深泓线上不宜布设桥墩；断层、陷穴、溶洞等不良地质段不宜布设墩台。10）跨径小于或等于50m的桥孔，宜采用标准跨径。流冰、流木河段桥孔应当放大。

②开阔河段：可适当压缩河滩，不能压缩河槽，河滩路堤尽量与洪水主流正交，否则增设调治工程。1）山区河流：

①

峡谷河段：桥孔不得压缩河槽，宜单孔跨越，桥面标高根据设计水位并结合两岸地形和路线确定。墩台基础可置于不同标高的基岩上。桥位河段的类型：参照表列河段特性结合实际情况判断，一般在桥位上游不小于3～4倍河床宽度，下游不小于2倍河床宽度的范围内，进行观察分析；对于弯曲的河段，在上游至少包括一个河弯。河段稳定性及变形程度，可用50年左右的演变过程，作为衡量标准。山区河流峡谷段：美国科罗拉多山脉大峡谷山区河流峡谷段：美国科罗拉多山脉大峡谷山区河流峡谷段：中国长江三峡山区河流峡谷段：震天洞峡谷

山区河流开阔河段：秦岭山区开阔段河湾山区河流开阔河段：长江开阔段山区河流开阔河段：长江开阔段3.各类河段上的桥孔布设3.各类河段上的桥孔布设2）山前区河流：

①

山前变迁河段：桥孔允许较大压缩河槽，但需辅以适当的调治构造物；桥孔布设应根据洪水主流总趋势确定，桥头引道不宜设置小桥或涵洞，当采用一河多桥时，应堵截主河槽的支叉。②冲积漫流河段：采用一河一桥或一河多桥方案；采用一河多桥时各汊的流量分配参照《桥梁水力学》确定；桥孔长度不要压缩天然排水、输沙宽度；桥面高程应考虑床面淤高和股流水面涌高。山前冲积扇山前冲积扇新疆山前区变迁河段新疆山前区河流冲积漫流河段新疆山前区河流冲积漫流河段新疆山前区河流冲积漫流河段新疆山前区河流冲积漫流河段3）平原区河流：

①

顺直微弯河段：桥孔不得压缩河槽，允许适当压缩河滩；考虑河槽内边滩下移及主槽在河槽内摆动

的影响，河槽内墩台基础应埋置在同一最底高程。3.各类河段上的桥孔布设②弯曲河段：桥孔布设考虑河弯凹岸冲刷和凸岸淤积及河湾下移等河床变形。凹岸墩台埋置深度必须计入弯道天然冲刷深度。桥面高程的确定应计入弯道凹岸水面超高。③分叉河段：在滩槽较稳定的分汊河段上，断面流量分布基本稳定可布设一河多桥；在滩槽不稳定的分汊河段采用一河一桥为宜；采用一河多桥方案时的流量分配，必须预估各汊流量分配比例的变化。3）平原区河流：④宽滩河段：一般宜修一河一桥，当河床宽阔、分叉河槽稳定，又不宜合并一处时，可考虑一河多桥，各桥流量分配按《桥涵水力学》确定。对河滩可做较大压缩，但应注意壅水高度不致危及农田、堤坝等；河槽稳定、河滩冲刷较小时，墩台基础滩槽可置于不同高度。。3.各类河段上的桥孔布设⑤游荡河段：主流迁移不定，桥孔不宜过多压缩河床，应在

深泓线全部可能摆动的范围内设置桥孔；宜设

一河一桥；墩台基础应设在同一最低高程上；配合桥孔布设，设置适当的调治构造物。4）潮汐河口河段：桥位应避开潮涌区段和滩岸、凹岸多变区段；潮汐河段上游段的桥位、桥孔设计可按天然状态下的设计方法进行；位于潮汐河段下游段河

中间段的桥梁，桥孔长度可按天然状态下的桥孔净长度，再加大5%-10%来考虑。

3.各类河段上的桥孔布设桥孔长度桥孔长度的确定：首先应满足排洪和输沙的要求，保证设计洪水及其所夹带的泥沙从桥下顺利通过，并综合考虑桥孔长度、桥前壅水和桥下冲刷的相互影响。1.基本概念1）桥孔长度（L）：设计水位上两桥台前缘之间（埋入式桥台为两桥台护坡坡面之间）的水面宽度。2）桥孔净长（Lj）：桥长L扣除全部桥墩宽度（顺桥方向）后的长度。3）净跨径（l0）：在设计水位下，相邻桥墩之间的净距。4）标准跨径（lb）：相邻桥墩中心线的距离。L——桥孔长度Lj——桥孔净长n——孔数d——桥墩顺桥向长度2.冲刷系数法计算桥孔长度大中桥桥下河床一般不铺砌，允许产生冲刷。由于桥孔压缩水流，桥下河床产生冲刷，导致河床过水断面增大；过水断面增大，会引起桥下流速减小，水流挟砂能力下降，冲淤关系出现新的平衡。别列柳伯斯基假定：当桥下断面平均流速等于天然河槽断面平均流速

vs

时，桥下冲刷将随之停止，过水断面将不再变形。采用天然河槽平均流速作为河槽冲刷停止时的平均流速。故桥孔长度计算时采用天然河槽平均流速作为设计流速。什么条件下会达到新的冲淤平衡？——冲刷前墩台侧面涡流过水面积——冲刷前桥墩过水面积2.冲刷系数法计算桥孔长度冲刷系数法：以冲刷系数P为控制条件推求桥下河槽冲刷前的最小过水面积，从而确定最小桥孔净长的计算方法。又称过水面积控制法。冲刷系数：桥下河床冲刷后的过水面积与冲刷前过水面积的比值P。变迁性河流1.1~1.4平原区1.2~1.8在断面平均水深≤1m时，才能使用接近1.8的较大值1.2~1.4半山区稳定段山前区有滩1.1~1.4开阔段无滩1.0~1.2峡谷段山区备注冲刷系数河流类型各类河段的冲刷系数P——冲刷前墩台侧面涡流过水面积——冲刷前桥墩过水面积满足冲刷和泄流条件的冲刷前桥下的最小毛过水面积Aq

最小净过水面积Aj：以最小毛过水面积Aq为控制条件→最小桥孔长度；以最小净过水面积Aj为控制条件→最小桥孔净长；2.冲刷系数法计算桥孔长度——设计流量（m3/s）；——设计流速（m/s），一般采用天然河槽平均流速；——冲刷系数；——墩台侧面涡流阻水而引起的桥孔侧收缩系数（查表或计算）

——桥墩阻水引起的桥下过水面积折减系数，一般宽浅河流：各桥墩处的水深近似相等，（lj——单孔净长）变迁性河流1.1~1.4平原区1.2~1.8在断面平均水深≤1m时，才能使用接近1.8的较大值1.2~1.4半山区稳定段山前区有滩1.1~1.4开阔段无滩1.0~1.2峡谷段山区备注冲刷系数河流类型各类河段的冲刷系数P1）在桥位断面图上布设桥孔方案；2）设计水位下桥孔方案的毛过水面积Aqx（净过水面积Ajx）；3）取且水面宽度最小的布设方案为最后采用方案，由此所得的最小水面宽度即所求桥长L（桥孔净长Lj）；4）综合地质、地形、航运及基础类型等要求，按标准跨径划分桥孔跨径，布设桥孔孔数。2.冲刷系数法计算桥孔长度计算法（B1B22.冲刷系数法计算桥孔长度图解法1）利用实测桥位断面图，绘制设计水位下沿水面宽度的过水断面面积累积曲线；2）按计算值Aq（或Aj）在过水断面面积累积曲线坡度较陡处确定水面宽度最小的桥孔位置，相应的最小水面宽度即桥孔长度L（桥孔净长Lj）；3）综合地质、地形、航运及基础类型等要求，按标准跨径划分桥孔跨径，布设桥孔孔数。0100200300400500600700过水断面面积累积曲线1）峡谷性河段：不宜压缩河槽，按地形布孔，不做桥长计算。《公路工程水文勘测设计规范》（JTGC30-2002）2）河槽宽度公式（有明显河槽的各类河段）适用于开阔、顺直微弯；分叉、弯曲；滩槽可分的不稳定河段。——最小桥孔净长度（m）；——设计洪水流量（m³/s）；——设计洪水的河槽流量（m³/s）；——河槽宽度（m）；

——反映河床稳定性的系数和指数；河段类型Kn开阔、顺直微弯河段0.840.90分汊、弯曲河段0.950.87滩、槽可分的不稳定河段0.691.593.用经验公式计算桥孔长度3）宽滩河段——设计流量（m3/s）；——水流压缩系数；——河槽平均单宽流量（m3

/s·m）；——河滩流量（m3/s）；——河槽流量（m3/s）；3.用经验公式计算桥孔长度3.用经验公式计算桥孔长度4）滩槽难分的不稳定河段——最小桥孔净长（m）；——基本河槽宽度（m）；——设计洪水频率系数；——年最大流量平均值（m³/s）；——河床泥沙平均粒径（m）；——设计频率为P％的流量即设计流量（m³/s）——频率为2％的洪水流量（m³/s）。4.桥孔长度计算例题：今欲在我国南方某地修一座桥梁，该处河槽稳定，河道顺直。经野外调查及计算得设计流量Qp=3468m³/s，河槽流量Qc=1958m³/s，桥位处河床横断面如图所示。该桥位地处次稳定河段，河道顺直。桥梁上部采用标准跨径为13m的钢筋砼简支梁，净跨径L0=11.8m，梁高1m（包括铺装层）。下部为单排双柱钻孔桩墩，墩径d=1.2m，U型桥台，台长6m。试选择公式计算最小桥孔长度，并进行桥孔布设。4.桥孔长度计算1）以河槽宽度公式计算由上图可见，洪水期间河床宽度B=782.50-514.29=268.21m，河槽宽度Bc=680-600=80m，因此为宽滩性河段。稳定河段桥孔净长公式：设计流量Qp=3468m³/s，河槽流量Qc=1958m³/s，Kp=0.95，n3=0.872）以宽滩河段公式计算两桥台前缘间距离：Ld=11.8×12+1.2×11=141.6+13.2=154.8m；桥梁两端桥台台尾间的距离（全桥长）：Ld=154.8+2×6.0=166.8m。4.桥孔长度计算以宽滩河段公式计算以河槽宽度公式计算；从安全考虑，采用Lj=124.97m；套用标准跨径，采用12孔方案。桥面高程桥面标高：指桥面中心线上最低点的标高。桥面标高确定：应满足泄流、通航、流冰、流木、通车的要求，并应考虑桥下（前）壅水高度、波浪高度、水拱高度、河湾水位超高及河床淤积等因素的影响。1.桥面标高计算1）非通航河流☆按设计洪水位计算桥面高程

Hmin——桥面最低高程（m）；

Hp——设计水位（m）；

——各种水面升高值总和（m）；

⊿hj——桥下净空安全值（m）；

⊿h0——桥梁上部结构建筑高度（包括桥面铺装）（m）0.250.25拱脚0.500.25支座垫石顶面—1.00有泥石流—1.50洪水期有大漂流物0.750.50洪水期无大漂流物梁底高出最高流冰位(m)高出设计水位(m)桥梁部位非通航河流桥下净空安全值⊿hj注：

1）无铰拱的拱脚，可被洪水淹没，淹没高度不宜超过拱圈矢高的三分之二；拱顶底面至设计水位的净高不应小于1m。

2）山区河流水位变化不大，桥下净空安全值可适当加大。1.桥面标高计算1）非通航河流☆按设计最高流冰位计算桥面高程

HSB——设计最高流冰位（m）；

⊿hj——桥下净空安全值（m）；

⊿h0——桥梁上部结构建筑高度（包括桥面铺装）（m）0.250.25拱脚0.500.25支座垫石顶面—1.00有泥石流—1.50洪水期有大漂流物0.750.50洪水期无大漂流物梁底高出最高流冰位(m)高出设计水位(m)桥梁部位非通航河流桥下净空安全值⊿hj注：

1）无铰拱的拱脚，可被洪水淹没，淹没高度不宜超过拱圈矢高的三分之二；拱顶底面至设计水位的净高不应小于1m。

2）山区河流水位变化不大，桥下净空安全值可适当加大。冰块<0.7厚×50m²1016微弱流冰冰块>1.0厚×110m²3040强烈冰块>0.7厚×50m²1320中等强烈中等流木长度+2m主槽桥孔净跨（m）流木长度+1m流木备注边滩桥孔类型流冰、流木河段桥梁最小跨径2）通航河流

Htn——设计最高通航水位（m）；

HM——通航净空高度（m）；查表⊿h0——桥梁上部结构建筑高度（包括桥面铺装）（m）1.桥面标高计算设计最高通航水位设计最低通航水位83.56275-774.53138300Ⅴ187.01001308.065853000Ⅰ106.050656.040502000Ⅱ106.040506.030401000Ⅲ84.037455.02935500Ⅳ100200驳船等级（t）1818BM天然及渠化河流(m)1414b2.84.0h25-3025-30BM限制性航道（m）1919b4.52.8Ⅶ63.6ⅥhHM航道等级桥下通航净空尺度2.各种水面升高值计算1）桥前最大壅水高度Δz最大壅水高度在无导流堤时，大约位于桥位中心线上游一个桥孔长度L处；有导流堤时，大约在导流堤的上游堤坝附近。——桥前最大壅水高度（m）；——修正系数，当桥下河床为硬岩或有铺砌时取1.0；——定床壅水系数；——考虑冲刷影响后的桥下平均流速（m/s）；当桥下河床为硬岩或有铺砌时为；——未考虑冲刷影响的桥下平均流速（m/s）；为设计流量除以过水面积；——天然状态下桥下平均流速（m/s）；——河槽平均流速（m/s）；——按质量计50%都较他小的粒径（mm）；换算粒径31.2~0.6100.6~0.3500.150.3~0.2>1.2天然孔隙比e粘性土换算粒径2）桥下壅水高度序号洪水和河床土质条件⊿z’取值1一般情况1/2⊿z2洪水暴涨暴落，土壤坚实，不易冲刷时⊿z3洪水涨落缓慢，土壤松软，易冲刷时不计桥下壅水高度⊿z’取值2.各种水面升高值计算2.各种水面升高值计算3）波浪高度波浪高度：相邻波峰与波谷之间的垂直距离。水库、湖泊以及河岸较宽阔的水域或洪水持续时间很久的河流上均需考虑波浪对桥高的影响。波浪侵袭高度：波浪沿斜面的爬高。确定河滩路堤或导流堤顶高程时应计入波浪侵袭高度。2.各种水面升高值计算3）波浪高度桥位处的波浪高度一般通过调查确定，调查困难时可按有关规范或设计手册中的公式确定。计算桥面标高时，以桥位处波浪高度的三分之二计入。桥位处的波浪高度：——波浪计算高度（波谷至波峰）（m）；——波浪平均高度（波谷至波峰）（m）；——系数；——双曲正切函数；——平均水深（m）；——计算浪程（m）；——重力加速度（m²/s）；——风速（m/s）；3）波浪高度波浪侵袭高度：2.各种水面升高值计算——波浪侵袭高度；——浪射线与路堤处水边线的夹角；——边坡糙渗系数；——风速影响系数；——相对波浪爬高；0.6一两层抛石加固0.9砼及浆砌片石护面与光滑土质边坡0.75~0.80干砌片石护面及植草皮0.50~0.551.0抛石组成的建筑物整片光滑不透水护面（沥青砼）边坡护面类型边坡糙渗系数1.6>301.210~201.420~301.05~10风速（m/s）风速影响系数1.822.502.401.752.222.001.503.002.451.252.521.502.161.00边坡系数相对波浪爬高2.各种水面升高值计算4）河湾横比降超高Δh河湾水面横比降可使桥位断面水位凹岸高、凸岸低，水位差可按下式计算。——河湾横比降超高（m）；——断面平均流速（m/s）；——水面宽度（m）；——重