桥涵水文计算T讲义附水文计算表excel

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>1亚砂土或轻亚粘土1<≤7；亚粘土7<≤17；粘土≥17；塑性指数=（液限）－（塑限）；而粘性土壤的状态用液性指数（即稠度系数）分为四级，=；—天然含水量；<0为坚硬半坚硬标贯>3.5；0≤<0.5为硬塑标贯>－3.5；0.5≤<1为软塑标贯<－7；≥1为极软标贯<2；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1的轻亚粘土或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≤1砾砂：粒径>20mm的颗粒干燥时重量占全部重量25～50%；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：p=0.278(－μ)F(m3/s)；Sp—设计频率暴雨雨力(mm/小时)；τ—汇流时间(小时)；n—暴雨递减指数μ—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；μ=KSpK、—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；F—汇水面积平方公里，由地形图勾绘；表1推理公式水文区系或指数ⅠⅡⅢⅣμ=KSpK0.00250.0571.000.81.751.00.710.51τ=m(aL—主河沟长由地形图量取；J—主河沟比降由地形图量取,加权平均计算‰；J=m、α—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2τ=m（）a水文区系或指数ⅠⅡⅢⅣm0.730.0380.630.800.320.750.150.201.2经验公式：p=CSC、、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ⅠⅡⅢⅣp=CSC0.180.450.360.481.01.091.070.95n0.860.650.670.801.3简化公式：p=（Sp－μ）mFn、m、n—地区特征参数查表3表3简化公式水文区系或指数ⅠⅡⅢⅣp=（Sp－μ）mFn0.220.660.760.28m0.981.031.001.07n0.860.650.670.81以上公式适用1—300平方公里,超过也可用做计算方法一，当汇水面积小于1平方公里应用修正参数修正水文分区ⅠⅡⅢⅣ修正参数1.2～1.50.5～0.60.5～0.70.5～0.7实例：我省07211工程，管道口—长水公路，中周峪桥地处黄河流域属水文分Ⅳ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：μ=KSp其中查表1：K=0.8，=0.51S2%=80mm/小时μ=0.8×800.51=7.94mm/小时τ=m（L/=0.8(=1.3小时其中：表2m=0.8，а=0.2查图2n=0.752%=0.278(×10.9=174m3/s简化公式：p=（Sp-μ）mFn查表3=0.28m=1.07n=0.812%=0.28(80－7.48)1.07×10.90.81=190m3/s经验公式：=CS查表4查得C=0.48=0.95n=0.82%=CS=0.48×800.95×10.90.8=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：p=（h-z）3/2F4/5不考虑洪峰削减：p=（h-z）3/2F4/5 —地貌系数根据F，Ｉ（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Ⅱ、Ⅲ区，且西部黄土属Ⅳ区）汇流时间如20<F≤30为80min暴雨Ⅲ区，土壤类别Ⅲ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； —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；—湖泊水库影响折减系数查表；2.经验公式：①p=KFn其中：K—迳流模量，华北华中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<10Km2②当有降雨资料时p=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0.4～0.3000.47～0.3370.5～0.40.60～0.555③当F<3Km2时p=CSF符号同上(二)大流域平原区山丘区洪水流量计算分区法分区经验公式表省分区号全国统一分区号区名o=CFn2=KFn‘1%/2%CS/CVⅠ44淮河山丘区o=51F0.4552=145F0.4481.182.5Ⅱ42淮河平原区o=0.46F0..82=7.65F0..631.152.0Ⅲ45长江流域o=8.85F0..652=58F0.5771.182.5Ⅳ43黄河流域o=2.35F0..73 2=7.3F0.7781.152.0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66.335.7188101Ⅱ42淮平原区0.6080.3289.955.35Ⅲ45长江流域11.56.27440Ⅳ43黄河流域3.061.649.55.1例：洛阳洛河大桥求1%F=11，581平方公里属黄河流域2%=7.3F0.73=7.3×11，5810.73=10790m3/s1%=10790×1.2=12947m3/s2.分区法：o=CF0.6①先由汇水面积中心查河南省C值等值线图(图7)；②再查“河南省Cv等值线图（图8）根据分区Cv/Cs求出Cs③再查皮Ⅲ曲线模比系数求得Kp；则o=CF0.6p=oKp例息县淮河大桥F=9000Km2汇水面积中心位置东径114º12′,北纬32º14′求50年一遇。查“河南省C等值线图C=13.6o=CF0.6=13.6×90000.6=3207m3/s②查:河南省Cv等值线图Cv=0.8③查分区经验公式表Cs=2.5Cv查皮Ⅲ模比系数K2%=3.33④2%=o×Kp=3207×3.33=10678m3/秒，如果我们按分区法计算：2%=145F0.48=145×90000.48=11466m3/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1～2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。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，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10～20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1：1～1：2与1：5～1：10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：，以%计，举例：2004年去某河调查一老人，年岁70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=1954年这是发洪水年份2004-1954=50年，p=2%相当50年一遇洪水如果过4年又是洪水则是1954+4=1958年该年洪水频率为4%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。流速的确定：5.1一般用曼宁公式计算：V=mR2/3Ｉ1/2，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3～5个最大石块（应是洪水冲下，而不是山坡滚下来，河岸受冲刷坍下来的）。V=5.5D—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/ss)序号土类属冲刷程度1淤泥、细砂弱1.32粗砂或有淤泥隔离离的粘土中等1.63带卵石的粗砂、粘粘土中等1.84砾石（粒径2～220mm）强2.05卵石（粒径20～～60mm）强3.06园石（粒径60～～200mm）强4.0流量计算：6.1一般为=VWw—断面积6.2p=jKp其中：j—多年平均流量，Kp—设计频率模比系数6.3如已知某一频率p1推求更高频设计流量p，p=6.4关于Cv、Cs及Kp值的确定我国有关科研单位提出F≤30Km2，流量按土的吸水类属确定变差系数Cv平均值，一般Ⅱ类(粘土)Cv=0.56，Ⅲ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。6.5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F=30Km2频率1.000.800.600.500.301.251.000.750.630.381.671.331.000.830.502.001.601.201.000.603.332.662.001.601.00使用方法：举例：已知10%求2%。2%=10%×2.66特定情况下的水文分析与流量计算：直接类比法：桥址上下游已有桥桥涵，对原有有桥涵历史洪洪水泄流情况况的调查来推推求洪水流量量。由于桥头路堤及墩墩台的压束水水流，使桥前前产生雍水，入入口处形成水水面降落。其其水力图式与与宽顶堰差不不多，具体水水力图式有二二种当桥下游天然水深深ht≤1.3hk时，水面二二次降落，桥桥下为自由式式出流。当桥下游天然水深深ht>1.3hk时，进桥水水流推不开下下游水面顶托托影响，流速速降低而成为为自由出流。H、ht可通过调查洪水时时量得。图中中hk即桥下水深深为临界水深深hk=Vy—桥下允许流速m//s，根据土质质或铺砌情况况查表如中密密粘土水深2m时Vy=0.955m。桥前水头高度：HHo=H+ht=Ho--结合上式，最后的的判别式为：：自由式出流流：Ho≤（非自由式出出流：Ho＞原有桥的流量计算算：自由式：：=MBVyht非自由式：=VyyhtB桥深、M、φ值表桥台形式挤压系数流量系数M流速系数φ单孔锥坡填土0.901.550.90单孔桥八字翼墙0.851.460.90多孔桥或无锥坡或或桥台伸出锥锥坡外0.801.370.85拱脚淹没的拱桥0.751.290.802.有水库河流的水文文计算：2.1库内桥：永永久性水库可可直接利用水水库同频率资资料；如果没没有可通过计计算直接采用用天然设计流流量。在水库库壅水区应考考虑壅水对桥桥高的影响。壅水曲线示示意图最大壅水断面以上上壅水曲线，对对于缓坡，可可不按水力学学中水面曲线线绘制方法进进行精确计算算，可近似按按二次抛物线线进行计算。壅水曲线的全长和和任意断面A处的壅水高高度计算公式式如下：L==（1－）ZZZ—桥前最大壅水高度度（m）；L—壅水曲线全长（mm）；Ｉ—河床比降（以小数数计）；—任意断面A处的壅壅水高度（m）；LA—任意断面A至最大大壅水断面距距离（m）。2.2位于水库库下游的桥流流量计算：应等于同频频率的水库下下泄流量加水水库与桥位间间区间洪水流流量，即′p=pl+p()np—天然状态下坝址断断面与桥同频频率的设计流流量;pl—与桥同频率率的水库下泄泄流量(m3/s)；Fs—坝坝桥区间汇水水面积（Km2）；F—坝以以上汇水面积积（Km2）；n—指数数淮河平原0.8，山丘区0.45，黄河流域0.73，长江流域0.65；当两汇水水面积差10%可直接用水水库下泄流量量。2.3当水库库校核标准或或非永久性水水库，应考虑虑溃坝流量为为：理论公式式：g=KoKo—系数按坝长（水库库宽）与溃决决口门宽之比比查表如决口宽占坝长一一半Ko=0.36687。Hs—溃坝坝时坝体上游游水深可采用用坝高Hg；g—重力加加速度；bg—坝体体溃决口门平平均宽度（m），砼重力力坝溃口门宽宽等于坝长Bg；当为土堆石坝且水水库库容大于于106m3时，按bg=1.44（W、Bg、Hg）其中：Bg—坝长长；W——水库库容（104m3）；Hgg—坝高（m）。从以上计算我们可可知调查水库库要搜集水库库设计频率、水水位、流量；；校核频率、水水位流量；水水库库容（兴兴利、发电、防防洪、死库容容）下泄流量量，波浪淤积积壅水等资料料。3.倒灌河段段的水文计算算搜集大河倒倒灌影响的河河段，水位、流流量、流速、最最高倒灌水位位、河床比降降、倒灌、洪洪水涨落率、及及河段冲淤情情况。搜集倒灌区域地形形图，并绘制制桥前，蓄水水区水位—水面面积=f（H）关系曲线线。3.1当大河河水位上涨，而而支流为常水水位，支流桥桥梁发生倒灌灌，桥下流量量g应为倒灌流流量′与支流常水水位o之差即g=′－。倒灌流量′=式中：—支流受大大河倒灌作用用下的涨水强强度即蓄水上上涨率（m/s），当桥孔孔足够大时，桥桥孔上下游上上涨速度相同同，可借用大大河观测站的的水位资料，选选择较高水位位时的上涨速速度代替，无无资料可调查查。—桥前壅水的水面面面积（m2），可从地地形图中量取取也可近似计计算，一般壅壅水按水面形形状呈抛物形形，则=其中：B—桥位处处倒灌水面宽宽度；h——壅水深度，从从河床平均高高程算起（m）；河床比降（以小数数计）。3.2大河退退水：当上游为两岸较陡陡的非宽滩河河流，其蓄水水有限时，增增陡流量比天天然流量增大大很少，可以以略而不计。则则桥下通过的的流量为支流流天然流量（设设计流量）pp与退水流量量″之和即：g=p+″桥长和设计水位确确定原则：设计桥长要要按倒灌后急急剧退水，同同时支流出现现设计流量时时的情况来确确定。设计水位取取支流设计流流量时水位和和倒灌水位中中最大者控制制桥高。4.有有水文站观测测资料的洪水水流量计算：：我们可以采采用求矩适线线法和三点适适线法来推求求p。首先我们要要搜集水文站站长期观资料料，愈长愈准准确，如有32年水位，或或者流量观测测资料（如不不连续的可用用插补延长等等办法）。4.1求矩适线法法：具体方法法如下按大小递减次序排列列求平均流量=求每个Ｉ=的KＩＩ值即每个Ｉ与的比KＩ=，或K或（KＩ－1）2，（KＩ－1）3计算Cv变差系数Cv=或Cv=Cv—变差系数表示系列列的离散程度度，Cv小离散小，频频率分布比较较集中。计算Cs偏差系数，该值反反映系列对均均值的对称偏偏斜程度；Cs=，一般不计算假定定计算每个Ｉ经验频频率P=（%）在海森机率格纸上上点绘经验频频率曲线，需需要可顺势延延长。计算离均系数=也也有皮尔逊Ⅲ型曲线的离离均系数表，可可通过已知Cv或Cs查各频率值。由求得的、Cv、Cs查皮Ⅲ曲线求得各各频率Kp值，计算p=（Cv+1），=Kp4.2三点适适线法在经验频率曲线上上任选三点如如5%、50%、95%或3%、50%、97%，利用该三三点的流量和和相应频率，推推求统计参数数的初试值，通通过适线确定定参数，然后后再按前面讲讲的方法一样样推求设计流流量。通过已知三个流量量和相应频率率列出三个方方程求解、Cv、Cs。如：1=（1Cvv+1）2=（2Cv+1）3=（3Cv+1）解联立方程最后得得：=Cv=S=偏偏度系数。若已知S和频率PP，查表“S与Cs关系表”可得Cs求得、Cv、Cs初试值后，计计算各频率流流量在已得至至经验频率曲曲线上，绘制制理论频率曲曲线，反复调调整参数直到到适线好为止止即可按确定定的参数值求求得设计频率率流量p=Kp。三、桥长和桥面标标高的确定桥孔净长计算除了峡谷性河段上上的桥梁，可可以按地形布布孔，不作桥桥长计算，因因为峡谷性河河段流量不控控制桥高、桥桥长。桥高受受地形结构控控制。其它各各类河段的桥桥梁都要进行行计算。可按按下列公式：：1.河槽宽度度公式：此式主要适用于稳稳定、次稳定定、不稳定（滩滩槽可分）河河。L=K（Bcp、c—分别为设计流量和和河槽流量（m3/s）；Bc—河槽宽度（m）；；L—最小桥孔净长（mm）；K、n—系数和指数（见下下表1）。KK、n值表表1河段类型Kn稳定0.840.90次稳定（包括宽滩滩）0.950.87不稳定（滩槽可分分）0.691.592.单宽流量量公式：此式适用于稳定次次稳定、宽滩滩河段。L=L—最小桥孔净长（mm）；qc—河槽平均单宽流量量（m3/s·m）；—水流压缩系数（见见下表2）。新规范：=1.119(,其中：c、t—河槽及河滩滩流量（m3/s）水流压缩系系数值表2河段类型稳定次稳定0.92宽滩1.02(表中：Bc、—河河槽宽度及河河槽平均水深深；、—断面平均流速和平平均水深；t—河滩流量（m3//s）；g—重力加速速度g=9.881（m/s2）； —断面流速分布不均均匀修正参数数。=—河滩平均流速。3.基本河槽槽宽度公式3.1适用于于滩槽滩分的的变迁游荡河河段。L=KBooK—系数，K=1.00～0.7Bo—基本河槽宽度（mm）Bo=A（）其中：A—河段特特性系数，一一般为1.0～1.5，无滩宽浅浅河床为1.5～3.0或按下式计计算A=其中：E1—系数数一般为2.5无滩宽浅河河床为4.5；—为河床泥砂平均粒粒径。3..2适用于滩槽槽难分的不稳稳定河段L=0.85Cpp新规范L=Cpp式中：—基本河槽槽宽度=166.07())；其中：—洪峰流量量均值；Cpp—设计洪水频频率桥长换算算系数；Cpp=（）4.输沙平衡衡公式：新规规范末列入适适用于滩槽可可分变迁游荡荡河段。L=K（）BK—系数游荡河段为22.1～2.3，变迁河段段为1.7～2.0；桥面标高的确定1、不不通航河流H=Hp+++Hp—设计洪水位（m）；；—壅水、浪高、河宽宽两岸高差、漂漂浮物，河床床淤积高等因因素总和。—桥下净空；——上部建筑高高。1.1壅水计计算1.1.1==（－）n—系系数；—断面平均流流速（m/s）。值表河难路堤阻断流量量与设计流量量的比值（%）<1011—3031—50>500.050.070.100.10—桥下平均流速(mm/s)见下表桥下平均流流速土质土壤类别桥下平均流速松软土淤泥细砂、中砂、淤淤泥质亚粘土土=中等土粗砂、砾石、小卵卵石、亚粘土土、粘土=）密实土大卵石、大漂石、粘粘土=表中：—天天然状态下桥桥下平均