Chapter05-大中桥孔径计算

SchoolofCivilEngineeringHefeiUniversityofTechnologyPhD/ProfessorMingwuWANGHydrologyofBridge&CulvertChapter5大中桥孔径计算SchoolofCivilEngineeringPhDChapter5大中桥孔径计算1.概述1.1桥涵分类分类多孔跨径总长L(m)单孔跨径总长L0（m）特大桥L≥500L0≥100大桥100≤L＜50040≤L0＜100中桥30＜L＜10020≤L0＜40小桥8≤L≤308≤L0＜30涵洞L＜8L0＜8大中桥孔径计算:据桥位断面的设计流量和设计水位，推算桥孔的最小长度和桥面中心最低高程，为确定桥孔设计方案提供依据。Chapter5大中桥孔径计算1.概述1.1桥涵1.2大中桥设计一般规定避免桥前壅水危及农田；一般对桥下河床不采用铺砌加固；桥基应选良好地段；不影响通航和其它功能；流冰河道应考虑流冰、破冰措施；桥梁便于施工维修和连接工程。1.2大中桥设计一般规定避免桥前壅水危及农田；Chapter05-大中桥孔径计算Chapter05-大中桥孔径计算Chapter05-大中桥孔径计算2桥位选择2.1一般要求服从路线总方向及建桥的特殊要求；桥轴线为直线或曲率小的平滑曲线，纵坡小；少占农田，少拆迁和少淹没；有利于施工；适应国防、经济开发等需要。桥位:桥梁、引道路堤及调治构筑物三者位置的总称。桥位选择:选定合理的跨河位置。2桥位选择2.1一般要求服从路线总方向及建桥的特2.2水文及地形要求河床稳定；河道顺直；避免引道上游形成回流区；桥位应在支流上流；桥轴线应与洪水主流向正交。应考虑河段特点：峡谷性河段宜单跨；次稳定性河段对弯曲河段应选在主槽与河流总趋势一致的较长河段；变迁性河段应选在两岸与河槽稳定的束狭段或河槽摆动范围小河段上；游荡性河段应选在两岸有固定依托的较长束狭段上；宽滩性河段应选在河滩地势高、河槽稳定居中，滩、槽流量比小的河段；冲积漫滩性河段应选在冲积扇顶部或冲积区下游，桥轴线与洪水总趋势正交。2.2水文及地形要求河床稳定；河道顺直；避免引道上Chapter05-大中桥孔径计算Chapter05-大中桥孔径计算2.2水文及地形要求平原弯曲(婉蜒)河段：桥位应选在河湾逼近河岸处，较稳定的河湾中部，并选择河床与河槽方向接近平行处跨越2.2水文及地形要求平原弯曲(婉蜒)河段：桥位应选在河湾逼2.2水文及地形要求平原游荡性河段：桥位应选在河岸有固定的土丘或岸坝的天然束窄处，如无法利用时，应结合治河工程，筑堤束水，稳定河道。2.2水文及地形要求平原游荡性河段：桥位应选在河岸有固定的2.2水文及地形要求山前区变迁性河段：桥位应与岸边正交，考虑多变河汊的位置，必须设置导流、防护设施。若有可能，桥位选在上下游河道较窄、岸边稳定处为好。2.2水文及地形要求山前区变迁性河段：桥位应与岸边正交，考Chapter05-大中桥孔径计算2.2水文及地形要求1957年建成的武汉长江大桥，桥位选在长江河道顺直，桥头在林木繁茂的龟山和蛇山上。该桥位河道稳定，正桥和引桥都最短，既能满足长江通航净空的要求，又避免了两岸高填土路堤，同时，铁路在山林中通过城市中心地带，消除了对城市噪声污染和景观的干扰。2.2水文及地形要求1957年建成的武汉长江大桥，桥位选在Chapter05-大中桥孔径计算2.2地质要求应选在桥基地质条件相对良好地段，尽量避免断层、溶洞、侵蚀性岩类基础的地段；避免桥头引道通过不良工程地质地段；地震区还需满足抗震规范要求。2.3航运要求应选在顺直河段，远离浅滩急弯，上游不小于最长拖船队或木排长度的三倍及顶推船队的4倍，下游相应为1.5倍和2倍。河段航道稳定，有足够的水深，桥轴线与设计通航水位时的航迹线垂直。在流放水排的河段上，应取码头、贮木场或木材编排场的上游。2.4其它要求2.2地质要求应选在桥基地质条件相对良好地段，尽量3桥位勘测基本内容选定桥位桥位测量（总平面图、桥址地形图和纵剖面图）水文调查工程地质勘测（查明桥位区的岩性，构造，地基稳定性及不良工程地质现象，提供相应的设计所需参数和建议）桥位勘测:在桥位设计前，对桥位地区的政治经济情况、自然地理情况及其它条件作详细调查与测量。3桥位勘测基本内容选定桥位桥位勘测:在桥位设计前，对桥位地4大中桥孔径计算4.1桥位河段的水流图式大中桥位段多为缓坡河段，水流因受桥孔压缩影响，桥前出现α1型水面曲线；过桥水流多属堰流性质，即桥孔中将发生纵向与侧向收缩，呈淹没出流与自由出流情况。而自由出流条件下，收缩断面流速大，冲刷力强，桥孔设计除满足泄流条件外，还需考虑桥孔冲刷因素。故大中桥计算按自由出流情况，且允许桥下有一定的冲刷。4大中桥孔径计算4.1桥位河段的水流图式大中桥位4.1桥位河段的水流图式水流自断面1至断面2，因水面壅高，过水面积加大使流速逐渐减少，从上游挟带的泥沙则慢慢淤积。断面2至断面3，因过水断面减小，断面3（3’)处过水面积最小，相应流速最大，出现冲刷。断面3（3’）到断面4，则过水断面的慢慢恢复，挟沙能力也相应恢复，达到新的平衡。壅水曲线：水深沿程变化的水面曲线。4.1桥位河段的水流图式水流自断面1至断面2，因水4.2桥孔布置原则A）应与天然河流断面流量分配相适应。B）在通航和筏运河段，通航孔应设在稳定河段。E）山区河段：峡谷河段桥孔不宜压缩河槽，宜单孔跨越，桥基置于基岩上；开阔河段容许压缩河滩，但不容许压缩河槽，桥头河滩路堤应尽量与洪水主流正交。D）有流冰、流木的河段，桥孔宜适当放大。C）主流深泓线上不宜布设桥墩。4.2桥孔布置原则A）应与天然河流断面流量分配相适应。B）4.2桥孔布置原则F）平原区河段：

顺直微弯和蜿蜒河段应通过河床演变调查预测河湾的发展和深泓的摆动，考虑河床演变布设桥孔；分汊河段断面流量分配基本稳定的可作一河多桥布设，在滩槽不稳定应预估分配比例来布设桥孔；宽滩河段容许对河滩作较大压缩，但要考虑壅水影响；游荡性河段不宜过多压缩河床，结合当地规划修必要调治工程，在深泓线可能摆动范围内均应布设桥孔。4.2桥孔布置原则F）平原区河段：4.2桥孔布置原则G）山前区河段：

冲积漫流性河段应在河流上游狭窄段或下游收缩处跨越；山区变迁性河段容许较大压缩河滩，但需辅以调治构筑物，桥轴线与河岸或洪水总趋势正交，河滩内不宜设小桥或涵洞。4.2桥孔布置原则G）山前区河段：4.3桥孔长度计算桥孔长L：设计水位下，两桥台前缘之间的水面宽度。桥孔净长Lj：桥长扣除全部桥墩厚度后的长度。4.3桥孔长度计算桥孔长L：设计水位下，两桥台前缘之间的水净跨径lj：在设计水位下，相邻桥梁墩台间的距离，总跨径等于多孔净跨之和。桥孔最小净长Lj：指在给定的水文河河床条件下，安全通过设计洪水流量所必需的最小桥孔净长度。净跨径lj：在设计水位下，相邻桥梁墩台间的距离，总跨径等于多4.3桥孔长度计算标准跨径：对设支座桥梁（梁式桥、板式桥），指支座中心间的水平距离。对不设支座桥梁（拱式桥、钢构桥），指上下部结构的相交面之中心间的水平距离。标准跨径有:0.75,1.0,1.25,1.5,2.0,2.5,3.0,4.0,5.0,6.0,8.0,10,13,16,20,25,30,35,40,45,50,60桥孔计算方法：冲刷系数法和经验公式法4.3桥孔长度计算标准跨径：对设支座桥梁（梁式桥、板式桥）Ax：冲刷前由墩台侧面涡流（立轴辐流）形成滞水区所阻断的过水面积。Ad：冲刷前桥墩、桥台所占的桥下过水面积。Ay：冲刷前桥下实际的过水面积（有效过水面积）。Aq：冲刷前桥下毛过水面积（设计水位下冲刷前两桥台间的总面积）。Ax：冲刷前由墩台侧面涡流（立轴辐流）形成滞水区所阻断的过水Ay：冲刷前桥下实际的过水面积（有效过水面积）。Aj：冲刷前桥下毛过水面积扣除桥墩、桥台的阻水面积后的过水面积（净过水面积）。Ad：冲刷前桥墩、桥台所占的桥下过水面积。Ay：冲刷前桥下实际的过水面积（有效过水面积）。Aj：冲刷前λ：墩台阻水引起桥下过水面积的折减系数。对宽浅性河流，若两墩中心线间距离（跨径）为L0，墩厚为dλ：墩台阻水引起桥下过水面积的折减系数。对宽浅性河流μ：墩台侧面因漩涡形成滞留区而减少过水面积的折减系数。桥墩水流侧向压缩系数μ：墩台侧面因漩涡形成滞留区而减少过水面积的折减系数。桥墩水a）冲刷系数法冲刷系数：桥下河床冲刷后过水面积A冲后与冲刷前过水面积A冲前之比值。1875年，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时，桥下冲刷将随之停止。a）冲刷系数法冲刷系数：桥下河床冲刷后过水面积A冲后与冲刷a）冲刷系数法则Ay：冲刷前桥下实际的过水面积（有效过水面积）。Aj：冲刷前桥下毛过水面积扣除桥墩、桥台的阻水面积后的过水面积（净过水面积）。Ad：冲刷前桥墩、桥台所占的桥下过水面积。Aq：冲刷前桥下毛过水面积（设计水位下冲刷前两桥台间的总面积）。a）冲刷系数法则Ay：冲刷前桥下实际的过水面积（有效过水面a）冲刷系数法计算法:在实测桥位断面图上布设桥孔方案；计算设计水位下所取方案的毛过水面积Aqx（或净过水面积Ajx）；取Aqx≥Aq（略大于）且水面宽度最小的布设方案为采用方案，则所的最小水面宽度即为所求桥长；综合其它要求，按标准跨径划分桥孔长度、布设桥孔孔数。Aj：冲刷前桥下毛过水面积扣除桥墩、桥台的阻水面积后的过水面积（净水面积）。Aq：冲刷前桥下毛过水面积（设计水位下冲刷前两桥台间的总面积）。a）冲刷系数法计算法:在实测桥位断面图上布设桥孔方案；计算Chapter05-大中桥孔径计算Example已知设计洪峰流量Qp＝3500m3/s，设计水位Hp=63.65m;河槽流量Qc=3190m3/s,过水面积Ac=1030m2;河滩流量Qt=310m3/s,过水面积At=310m2;桥轴线与流向正交，若采用预应力钢筋混凝土简支梁桥跨此河道，标准跨径L0=30m，桥墩宽d=1m,冲刷系数P取1.2,试求桥孔长度L。Example已知设计洪峰流量Qp＝3500m3/sExample已知设计水位Hp=63.65m，比降J＝0.00035，河槽ηc=0.25,河滩ηt=0.05,若桥轴线与流向正交，若采用预应力钢筋混凝土简支梁桥跨此河道，标准跨径L0=30m，桥墩宽d=1m,冲刷系数P取1.2,试求桥孔长度L。Example已知设计水位Hp=63.65m，比降J则解：桥下最小的毛过水面积Aq计算Example则解：桥下最小的毛过水面积Aq计算Example桥墩水流侧向压缩系数μ桥墩阻水引起的过水面积折减系数λ桥墩水流侧向压缩系数μ桥墩阻水引起的过水面积折减系数λ绘制水面宽度与过水面积累积曲线桥长L计算将两岸桥台前缘置于桩号730.07与611.07间，得Aqx＝1053m2≈Aq绘制水面宽度与过水面积累积曲线桥长L计算将两岸桥台前缘置于桩b）经验公式法公路桥位勘测设计规范稳定和次稳定及宽滩性河段（单宽流量公式）b）经验公式法公路桥位勘测设计规范稳定和次稳定及宽滩性河段稳定、次稳定及不稳定河段（滩槽可分）（河槽宽度公式）稳定、次稳定及不稳定河段（滩槽可分）（河槽宽度公式）滩槽可分的变迁性、游荡性河段（输沙平衡公式）滩槽难分的不稳定河段（基本河宽公式）滩槽可分的变迁性、游荡性河段（输沙平衡公式）滩槽难分的不稳定滩槽难分的变迁性、游荡性河段滩槽难分的变迁性、游荡性河段则解：按单宽流量公式计算Example某桥跨越次稳定河段，设计流量Qp＝8470m3/s，河槽流量Qc=8060m3/s,河床全宽Bc=300m;设计水位下河槽平均水深为6.4m,河滩平均水深为3.5m,试求桥孔净长。则解：按单宽流量公式计算Example某桥跨越次稳定Chapter05-大中桥孔径计算4.4桥面标高计算桥面标高：桥面中心线上最低点的标高。非通航河流4.4桥面标高计算桥面标高：桥面中心线上最低点的标高。非通4.4桥面标高计算桥面标高：桥面中心线上最低点的标高。通航河流4.4桥面标高计算桥面标高：桥面中心线上最低点的标高。通航ΣΔh计算a)壅水高度天然水面以上壅起的水流高度。在无导流堤时，最大壅水高度大约位于桥位中心线上游一个桥孔长度处。在有导流堤时，最大壅水高度大约位于导流堤的上游坝端附近。计算公式有三种。ΣΔh计算a)壅水高度天然水面以上壅起的水流高度。在ΣΔh计算a)壅水高度桥前最大壅水高度ΣΔh计算a)壅水高度桥前最大壅水高度水流阻力系数η表河滩路堤阻断流量与设计流量的比值（％）<1011-3031-50>50η0.050.070.100.15桥下平均流速υ土质土壤类型桥下平均流速松软土淤泥、细砂、淤泥质亚粘土中等土粗砂、砾石、小卵石、亚粘土和粘土密实土大卵石、大漂石水流阻力系数η表河滩路堤阻断流量与设计流量的比值（％）<10壅水曲线任一断面壅水高度ΔZ’壅水曲线任一断面壅水高度ΔZ’桥下壅水高度1)一般取桥前最大壅水高度的一半；2)山区和半山区河流取桥前最大值；3)平原河流取0。桥下壅水高度1)一般取桥前最大壅水高度的一半；2)山区和b)波浪波浪高度波浪高度：相邻波峰与波谷间的垂直距离。波浪高度在计算桥面标高时通常计2/3。波浪长度：相邻两个波峰（波谷）间的水平距离。浪程（风距）：相波浪传播的。b)波浪波浪高度波浪高度：相邻波峰与波谷间的垂直距离。波浪高b)波浪波浪高度双曲正切函数hyperbolictangentb)波浪波浪高度双曲正切函数hyperbolictangb)波浪侵袭高度：波浪沿斜面的爬高。波射线：波浪推进的路线。河滩路堤或导流堤高程：b)波浪侵袭高度：波浪沿斜面的爬高。波射线：波浪推进的路线。解：ΔZ计算Example已知设计流量Qp＝2457m3/s，按冲刷系数法得桥下实有过水面积A=578m2;河滩路堤阻断得河滩过水面积Atn=255m2，河滩流速υtn=1.12m/s,桥墩面积折减系数λ=0.04,河床土质中等密实土壤，浪程D=0.5km,河湾汛期沿浪程方向风速υw=12m/s,平均水深为7m，平均泛滥宽度B=130m,有效浪程系数KD=0.6,引道边坡系数m=1.5,桥前最大壅水高度要求不超过1m，试求：桥下水面升高值ΣΔh，检查桥孔是否可满足桥前最大壅水高度限制。解：ΔZ计算Example已知设计流量Qp＝2457查表5－10可知，桥下平均流速计算公式为：天然状态下桥下全断面平均流速河槽平均流速则桥前最大壅水高度为桥下壅水高度为故桥孔设计符合最大壅水高度要求。查表5－10可知，桥下平均流速计算公式为：天然状态下桥下全断查表5－11，12，13得KA=0.75，KV=1.2，Ke=2.52ΣΔh计算波浪高度查表5－11，12，13得KA=0.75，KV=1.2，Ke已知某桥位断面及地质钻孔资料如下图所示，桥位河段属山区开阔河段，设计水位位997.061m，设计流量Qp＝2074m3/s，河床比降为0.005,平滩水位为994.828m,滩槽分界点里程桩号为K118＋565.3m和K118＋660m，河槽糙率系数1/nc＝35，河滩糙率系数1/nt=25,河床土层分界点标高为990m,982m,978m，水流与桥位正交。通过风向、风速观测资料分析整理，并结合河段的水域地形，计算所得浪程为600m,沿浪程的平均水深为2.81m，风速为30m/s。试确定桥孔长度和桥面标高。Example已知某桥位断面及地质钻孔资料如下图所示，桥位河段属山解：1）基本数据计算桥位断面可分为三部分：左河滩（K118+560.7～565.3)、河槽（K118+565.3～

660）、右河滩（K118+660～668.8)Example解：1）基本数据计算桥位断面可分为三部分：左河滩（K118+桥孔长度计算此是桥下宣泄设计洪水所需要的最小孔径。全断面设计流量a）经验公式计算该桥位河段属山区开阔河段，故桥孔长度计算此是桥下宣泄设计洪水所需要的最小孔径。全断面设计b）冲刷系数计算初步拟定上部结构采用预应力混凝土简支梁，等跨布置跨径30m，下部结构采用双柱式桥墩，假定墩径为1.3m。

查表5－1得P=1.25,查表5－2，得桥墩侧向压缩系数μ＝0.95。河槽的天然平均流速υc作为设计流速υs。则桥下毛过水面积Aqjb）冲刷系数计算初步拟定上部结构采用预应力混凝土简支b）冲刷系数计算拟定将左岸0号桥台前缘置于历程K＋118＋560m处，采用4跨，跨径30m，依次向右布置，4号桥台前缘置于历程K118+580m,其桥孔净长Lj＝30×4－1.3×3=113.5m。可见，该方案没有压缩左河滩，而压缩了右河滩，里程K