桥涵水文-复习课件

桥涵水文

工程水文学在水电工程上的应用长江三峡水电站示意图工程水文学在水利工程上的应用长江荆江大堤工程水文学在桥梁工程上的应用长江江阴公路大桥工程水文学在市政工程上的应用广州暴雨后的街道潮白河向阳闸江阴长江公路大桥长江荆江大堤

第一章绪论当代严重制约社会经济发展的

三大水资源问题：

水量缺、水环境恶化、洪涝灾害一、我国水资源特点１、量缺：人均为世界人均约1/4。

669座城市400座供水不足，110座严重缺水。年均农田受旱面积4亿亩。2、时空分布极不均匀：黑、辽、海、黄、淮五大流域面积占全国28%，耕地占57.3%，人口占43.5%，水资源拥有量占12.3%。西南诸河耕地占1.8%，人口占1.5%，水资源拥有量占21.6%。大部分河流汛期４个月降水占全年７０％以上。3、洪涝灾害频繁

近十年来平均每年：

受灾县1699个（60%），死亡人数5352人，直接经济损失1262亿元。占自然灾害总损失的40%以上。

1998年湖南损失422.8亿，占当年国民生产总值13.2%。4、生态环境恶化水土流失面积367万平方公里。90%地表水体受污染。40%的城市水源受重度污染。大面积地下水超采。北方河流断流，黄河中游最多一年断流276天。大量湿地消失，动植物资源损失。←旱前的湖泊湿地旱时的情景→5、用水浪费严重

项目我国发达国家万元工业产值用水量（立方米）９１８～１０灌溉用水有效利用系数０.４０.７～０.８水重复利用率４０％７０～８０％

６、水能资源丰富全球水能蕴藏量３５万亿千瓦时我国５.９２万亿千瓦时开发利用率约２０％二、水资源利用的基本原则１、可持续利用不掠夺性开发与区域社会、经济、环境、生态协调发展与上下游地区协调发展（资源优化配置）２、综合利用３、经济原则：以最小投资获得最大效益。第二章河川径流第一节水循环及水量平衡一、自然界的水循环（下图）水循环中的主要要素：1、下垫面：河流与流域2、降水3、蒸发：水面蒸发、土壤蒸发、植物散发4、下渗5、径流：地表径流、地下径流（浅层地下水、深层地下水或承压水）二、自然界的水量平衡

总降水量＝总蒸发量

大循环：水分由海洋输送到大陆，又回到海洋的循环称为大循环。小循环：水分由陆地输送到陆地，又回到陆地，叫内陆小循环。

水分由海洋输送到海洋，又回到海洋，叫海洋小循环。

第二节河流及流域

一、河流及其分段

⒈河流：地面径流长期侵蚀地面，冲成沟壑，形成溪流，最后汇集成河流，其中分为各级支流及干流。

河流分段：河源、上游、中游、下游、河口。

长江中游淮河下游段黄河河口2.河流基本特征

⑴水位断面内自由水面高出某一基准面的高程称为水位。⑵河流长度L(km)：河源沿河道至河口的长度。⑶河流断面：垂直于水流方向的断面称为横断面。横断面内通过水流的部分称为过水断面，其面积称为过水断面面积，单位m2。

河流中沿水流方向各横断面最大水深点的连线称深泓线，沿深泓线的断面称为河流的纵断面。河流纵断能反映河床的沿程变化。⑷河道纵比降J(‰):单位河长的落差。二、流域1、分水线：地形等高线中的极大值称为山峰，山峰的下坡方向为山脊，相邻山脊之间的区域称为鞍部。山峰、山脊和鞍部的连接线称为分水线。2、流域：地面分水线包围的区域。1）流域面积F（km2）：流域分水线包围区域的水平投影面积，称为流域面积。2）闭合流域：地表与地下分水线重合的流域。3）非闭合流域：地表与地下分水线不重合，本流域与外流域有水量交换。

3、流域的自然地理特征流域的地理位置：一般以流域所处的经纬度来表示流域的气候特征：包括降水、蒸发、湿度、气温、气压、风等要素流域的下垫面条件：流域的地形、地质构造、土壤和岩石性质、植被、湖泊、沼泽情况等第三节径流一、径流的形成过程1、径流：指降落到流域表面的雨水，由地面与地下汇入河川，最终流出流域出口断面的水流。其中，沿着地面流动的水流称为地面径流；沿土壤岩石孔隙流动的水流称为地下径流；汇集到河流后，在重力作用下沿河床流动的水流称为河川径流。2、径流形成过程：流域内，自降雨开始到水流汇集到流域出口断面的整个物理过程，称为径流形成过程。降雨过程→扣除损失→净雨过程→流域汇流→流量过程⑴产流过程：降雨扣除损失后形成净雨。⑵汇流过程：净雨沿坡面和地下汇入河网，经河道汇集形成流域出口断面的流量过程。径流形成过程产流过程汇流过程坡地汇流河网汇流产流过程坡面汇流河网汇流流域汇流过程流域出口二、影响径流的因素1、气候因素：降雨、蒸发2、下垫面因素3、人类活动因素三、径流量的表示方法和度量单位⒈流量Q：是指单位时间内通过某一过水断面的水量，单位为m3/s。流量随时间的变化过程，用流量过程线来表示。WQ(m3/s)t(h)涨水段退水段洪峰流量Qm2、径流总量W：指某一时段T内通过某一过水断面的总水量，常用有单位为m3、万m3、亿m3、(m3/s)·月、(m3/s)·d等。W=Q×TWQ(m3/s)t(h)

W3、径流深Y：将计算时段内的径流总量均匀地铺在整个流域面积上所得的水层深，单位mm。第四节水文资料的收集与整理一、水文测站在流域内一定地点(或断面)按统一标准对所需要的水文要素作系统观测以获取信息并进行处理为即时观测信息，这些指定的地点称为水文测站。

水文测站所观测的项目有：水位、流量、泥沙、降水、蒸发、水温、冰凌、水质、地下水位等。只观测上述项目中的一项或少数几项的测站，则按其主要观测项目而分别称为水位站、流量站(也称水文站)、雨量站、蒸发站等。

根据测站的性质,河流水文测站又可分为：

----基本站：

是水文主管部门为全国各地的水文情况而设立的,是为国民经济各方面的需要服务的。

----专用站：

是为某种专门目的或用途由各部门自行设立的。

二、水文测站的设立水文测站的设立包括选择测验河段和布设观测断面。

1、测验河段的选择

在站网规划规定的范围内,具体选择测验河段时，主要考虑在满足设站目的要求的前提下，保证工作安全和测验精度，并有利于简化水文要素的观测和信息的整理分析工作。具体地说，就是测站的水位与流量之间呈良好的稳定关系（单一关系）。

2、观测断面的布设

水文测站一般应布设基线、水准点和各种断面（下图），即基本水尺断面、流速仪测流断面、浮标测流断面、比降断面。

三、水位观测1、水位：江河、湖泊等水体的自由水面相对于某一固定基准面的高程。黄海基面：是青岛验潮站的多年（一般取19年）平均海平面（19年每小时潮位观测记录的平均值）。2、设备及观测水尺、自计水位计、电传水位计（压力传感）等。

水位按下式计算：

水位=水尺零点高程+水尺读数

式中，水尺零点高程是指水尺板上刻度起点的高程，可以预先测量出来。

长江洪峰正在通过九江

自记水位计能将水位变化的连续过程自动记录下来，不遗漏任何突然的变化和转折，有的还能将所观测的数据以数字或图像的形式远传室内，使水位观测工作趋于自动化和远传化。

3、日平均水位计算1）、算术平均法：若一日内水位变化缓慢或不大，但有若干次等时距观测的水位记录。2）、面积包围法：就是将该日从零时至24时的水位过程线与横轴所包围的面积除以24小时。二、流量测验

学习要求掌握水道断面测量（包括水深和起点距的测量）的方法、流速仪及其测速、流量计算的步骤和方法。1、概述Q＝VA故流量Q的测验一般包括流速V测量和断面面积A测量两部分工作。二、流速仪法测流1、流速测量流速仪测速原理是利用水流冲动流速仪的旋杯或旋桨，同时带动转轴转动，在装有信号的电路上发出讯号，便可知道在一定时间内的旋转次数，流速愈大，转轴转得愈快，流速与转速之间有一定的关系。

2、断面流量流速仪只能测得某点的流速，为了求得断面平均流速，首先在断面上布设一些测速垂线，在每一条测速垂线上布设一定数目的测速点进行测速，最后根据测点流速的平均值求得测线平均流速，再由测线平均流速求得部分面积平均流速，进而推得断面流量。

测速垂线数目，根据河宽、水深来确定。测速垂线上的测点数，根据垂线的水深，流速仪的悬吊方式和测量精度的要求来确定。

流速测验示意图v’1v’2v’3v’4v’5v’6v’7

V(m/s)

B(m/s)O

H(m)河流断面布设测速垂线流速测验V(m/s)0.60.80.21.00.0H(m)垂线平均流速计算

一点法二点法三点法五点法3、流量计算

流速仪测流时有专用的记录和计算表格，通常在测流时随即计算流量。

方法是：点流速→垂线平均流速→部分面积平均流速→乘以对应的部分断面面积→部分流量→全断面流量⑴部分平均流速计算

岸边部分：

中间部分：

断面流量测验示意图H1H2H3H4H5H6H7b1b2b3b4b5b6b7b8

B(m/s)O

H(m)河流断面布设测深垂线测量水深测算间距⑵部分面积计算

岸边部分：三角形面积计算公式中间部分：梯形面积计算公式

断面流量计算示意图A1A2A3A4A5A6A7A8河流断面测深垂线部分面积平均流速V1V2V3V4V5V6V7V8部分面积⑶流量计算

第五节水文调查水文调查是补充定位观测的不足，使水文资料更加系统完整。一、洪水调查：

洪水调查工作包括：调查洪水痕迹洪水发生的时间、灾情测量、洪水痕迹的高程、了解调查河段的河槽情况；了解流域自然地理情况；测量调查河段的纵横断面；必要时应在调查河段进行简易地形测量；对调查成果进行分析，推算洪水总量、洪峰流量、洪水过程及重现期，最后写出调查报告。确定特大洪水重现期实例：

经长江重庆～宜昌河段洪水调查，同治九(1870年)川江发生特大洪水,沿江调查到石刻91处（如图）,推算得宜昌洪峰流量Qm=110000m3/s。

如果此洪水为1870～1992年以来最大,则N=123(年)，这么大的洪水平均123年就发生一次,可能性不大。又经调查,忠县东云乡长江岸石壁有两处宋代石刻，记述“绍兴二十三年癸酉六月二十六日水泛涨。”这是长江干流上发现最早的洪水题刻。据洪痕实测，忠县洪峰水位为155.6米。又据历史洪水调查，宜昌站洪峰水位为58.06米，推算流量为92800m3/s，3天洪量为232.7亿m3。宋绍兴23年即1153年，该次洪水,也小于1870年洪水,可以肯定自1153年以来1870年洪水为最大,故1870年洪水的重现期为：N=1992-1153+1=840(年)二、暴雨调查暴雨调查有两种：调查历史暴雨和调查现代暴雨。暴雨调查的主要内容有：暴雨成因、暴雨量、暴雨起迄时间、暴雨变化过程及前期雨量情况、暴雨走向及当时主要风向风力变化等。

三、枯水调查第三章水文统计原理第一节水文现象一、随机性

水文现象是自然现象的一种，在其发生和演变过程中，包含着必然性的一面，也包着偶然性的一面。

必然现象是在一定条件下，必然出现或不出现的现象。偶然现象是在一定条件下，可能出现也可能不出现的现象，也称随机现象。二、确定性规律1、周期性：年周期，多年周期。2、地区性：气候及下垫面相似地区的水文现化规律相似。3、相关性：水文现象之间存在一定的因果关系。第二节基本概念1、随机变量：随机试验取值随机的变量，分为离散型、连续型随机变量。2、概率P：随机变量出现某取值的可能性。3、频率P：随机变量某取值在试验中出现的比率。

掷币试验出现正面的频率表

在试验次数足够大的情况下，事件的频率和概率是十分接近的。5、总体与样本总体：某随机变量全部可能取值的集合。样本：总体中随机抽取的一部分。6、抽样误差：样本统计特性与总体统计特性之误差。样本容量越大，总体离散程度越小，抽样误差越小，即样本统计特性与总体统计特性接近的可能性越大。第三节随机变量及其概率分布

1、离散型随机变量的概率分布

离散型随机变量的概率分布一般以分布列表示。2、连续型随机变量的概率分布对于连续型随机变量，无法研究个别值的概率，只能研究某个区间的概率，或是研究事件X≥x的概率，以及事件X≤x的概率，后面二者可以相互转换，水文统计中常用X≥x的概率及其分布。

3、分布函数（水文称频率曲线）

F（x)=P(X≥x)=

0.20.40.60.81.011001000900800700P（X＞x）

x某雨量站的年雨量分布曲线4、密度函数：函数f（x）＝-F’（x）为概率密度函数，简称为密度函数或密度曲线。f（x）xdxf（x）dx概率密度函数概率分布函数与密度函数关系5、重现期T：随机变量某取值平均出现一次的间隔时间(多少年一遇)。对洪水：T=1/P如P=1％称百年一遇洪水。对枯水：T=1/(1-P)如P=90％称10年一遇枯水。第四节统计参数一、统计参数

1、均值(反映变量值的平均大小）2、变差系数(反映变量值相对于均值的离散程度）

3、偏态系数（反映变量值相对于均值的对称程度）Cv1Cv2Cv2

＞Cv1偏差系数对密度曲线的影响Cs＞0Cs＝0Cs＜0Cs对密度曲线的影响二、参数变化对频率曲线形状的影响1、均值增大，曲线整体上移；2、Cv增大，曲线绕均值附近顺时针转动；3、CS增大，曲线两头上翘，中间下沉。软件演示第五节经验频率曲线经验频率曲线——由实测资料绘制而成。1、将水文资料系列数据按从大到小的顺序排列；2、计算系列中各项的经验频率P：采用数学期望公式：式中m——

某项的排序号

n——系列总项数

年份Qm序号QmP（％）19871200116001019881320215122019891512313203019908904120040199197851110501992111069786019931600789070199463087508019957509630903、将经验频率点据点绘到机率格子上，根据点群趋势绘出一条平滑的曲线，称为经验频率曲线。在曲线上可求得指定频率P的水文变量值QP。经验频率曲线的缺陷1、外延任意性大；2、不便于和其它站的频率计算成果比较。结论：最好为经验频率曲线配一条理论线。————水文频率计算的适线法。第六节理论频率曲线理论频率曲线：由数学方程式所表示的频率曲线

1、线型：水文常用：正态、对数正态、皮尔逊Ⅲ型等。

2、皮尔逊Ⅲ型曲线的概率密度函数：皮尔逊Ⅲ型曲线是一条一端有限一端无限的不对称单峰、正偏曲线，数学上常称伽玛分布，其概率密度函数为:

3、皮尔逊Ⅲ型频率曲线及其绘制

水文计算中，一般需要求出指定频率P所相应的随机变量取值Xp，也就是通过对密度曲线进行积分，求出等于及大于Xp的累积频率P值。例：设某水文站=1000m3/s，Cv=0.5，Cs=1.5，试求此水文站附近某桥的设计洪峰流量Q1%和Q5%。4、水文频率计算适线法步骤：1）、点绘经验频率曲线；2）、用矩法公式计算、Cv、CS作为参数初估值,其中CS因抽样误差太大，计算无意义，一般假定为Cv的某倍比；3）、计算理论频率曲线（PⅢ)并绘于经验频率曲线同一图；4）、判断理论线与经验线拟合程度，调整参数至拟合最佳。习题1、绘制经验频率曲线即可查得设计值，为什么一般还要求绘制理论频率曲线？2、某站年最大洪峰流量资料如下表，试求频率为1％的设计洪峰流量。年份1959196019611962196319641965196619671968流量（m3/s）292020403030149035203920440202012301710年份196919701971197219731974197519761977流量（m3/s）17701540414436089195517506491130第七节相关分析一、相关关系的概念：按数理统计法建立两个或多个随机变量之间的联系，称之为近似关系或相关关系。把对这种关系的分析和建立称为相关分析。1、分类yyyxxx完全相关零相关统计相关2、水文相关分析的主要作用：插补延长资料系列、水文预报。二、简单直线相关（一）图解法

设xi和yi代表两系列的观测值，共有n对，对应值点绘于方格纸上，通过点群中心绘出相关直线。

()ΔΔy=ax+b（二）分析法⒈相关方程：确定相关线方程y=ax+b称y倚x的回归方程。应用最小二乘原理，求解使

极小之a，b。得到回归方程：

⒉相关系数：表示x、y两系列间的直线关系密切程度。当为零相关；为完全相关；为统计相关。或某流域年降雨径流相关图y（mm）x（mm）（三）相关分析的误差1、回归线误差——用回归线表示x与y的关系带来的误差，用均方误S表示。按误差理论，可能取值落在内的概率为68.27％，落在内的概率为99.7％。三、曲线相关1、图解法2、分析法：经函数变换，使其成为直线关系后求回归方程。如用幂函数两边取对数后得：Y=A+BX其中：Y=lgy，X=lgx，A=lga，B=n第四章设计洪水流量

设计洪水流量：公路、桥梁和涵洞等各项工程设计时，采用《公路工程技术标准》规定的某一设计洪水频率，推算设计洪水频率相应洪水的洪峰流量，称为设计洪水流量。第一节根据流量观测资料

推求设计流量学习目的：掌握由流量资料推求设计洪水的原理与方法。一、任务：现在需要在湘江支流潇水某兰花镇附近建设一座中型桥梁。根据规范的要求，该水库设计标准之一是，能够抵御五十年一遇的洪水。你作为设计人员，该如何完成任务？二、步骤：1、来到潇水建桥地点河流断面附近水文站，索要或者购买建站以来的水文特别是洪水数据。

你特别幸运，水文站对你很友好，将建站以来供24年（1980年～2003年）的数据都提供给你了。2、分析这些数据的准确性、一致性与代表性3、频率计算（水文频率计算适线法）三、特大洪水的处理——不连序系列经验频率确定特大洪水：比系列中一般洪水大得多的洪水称为特大洪水,并且通过洪水调查可以确定其量值大小及其重现期者。1、特大洪水重现期的确定：①从发生年代至今为最大

N=设计年份-发生年份+1

②从调查考证的最远年份至今为最大

N=设计年份-调查考证期最远年份+1

n=43年199218791954N2＝114年195018701322？1153N1=840年Qt1975n——实测期N1、N2——考证期1、2

Q1954——1950～92第一位，1879～1992第一位。

Q1870——1153～1992第二位。

Q1322——1153～1992第一位，流量无法考证。2、分别排位法

各项分别在可确定其重现期的最长系列内按数学期望公式计算经验频率。

P1870＝2/841=0.0024，P1954=1/115=0.0087，

P1975=2/44=0.046，••••••n=43年199218791954N2＝114年195018701322？1153N1=840年Qt1975

3、统一排位法（条件概率公式）

设最长调查期N1内频率区间为0～1，特大值最末项经验频率为PMa，N2系列（除项特大值被提到系列外排位外）各项在剩余频率范围1－PMa内均匀分布：

P1870＝2/841＝0.0024，

P1954=0.0024＋0.998×＝0.011，

P1975=0.011＋0.989×=0.034••••••例：某站自1935~1972年的38年中，有5年因战争缺测，故实有洪水资料33年。其中1949年为最大，并考证应从实测系列中抽出作为特大值处理，1956年排第二位，1971年为最小。另外，查明自1903年以来的70年间，为首的三次大洪水，其大小排位为1921、1949、1903年，并能判断在这70年间不会遗漏掉比1903年更大的洪水。同时，还调查到在1903年以前，还有三次大于1921年的特大洪水，其序位为1867、1852、1832年，但因年久远，小于1921年洪水则无法查清。试估算各项经验频率。

例：某水文站有实际观测资料41年（1959~1999），其中1998年的洪峰流量为41年中最大，次之的是1964年的洪水，并考证应从实测系列中抽出作为特大值处理，第三位的是1960年，1999年最小。

经过水文调查知道，1935年还发生过一次洪水，经过估算，该次洪水是1901年以来最大的一场洪水。另外经过访问发现1921年也发生过一次大洪水，但比1935年的洪水要小，比1998年的要大，具体数字不详。而且可以肯定，在调查中，没有遗漏掉比1964年更大的洪水。现在请你计算1901年、1921年、1935年、1960年、1964年、1998年，以及1999年洪水的经验频率。

4、不连续系列的统计参数、Cv和Cs的确定对于一个不连续系列，若在调查期N年内，有a个特大值，其中个发生在实测期n年内，假定（N-a）年内流量的均值及分布规律与（n-）年内的分布规律相同。则：第二节推理公式和经验公式前言：任务：兰花江码头村附近准备建设一座桥梁，要计算五十年一遇的设计洪水流量。分析：某一设计频率的洪水流量计算，根据资料类型的不同，一般有两种主要方法：1、如果有直接观测的当地流量的多年资料（附近有水文站而且观测多年），可以根据流量资料来推求；2、没有直接观测的多年资料，但是有当地以上流域的暴雨资料以及暴雨与流量之间的关系函数知识，那可以利用设计暴雨资料来推求设计洪水流量（推理公式法、经验公式法）。一、概述（一）特点1、无资料，必须利用地区综合信息，由暴雨推洪水；2、流域小，不考虑降雨、产流的空间分布不匀，降雨以点代面；3、工程小，主要研究洪峰流量；4、对暴雨只研究与造峰有关的最大24小时核心暴雨——短历时暴雨；5、方法必须简便，易于查算。（二）产汇流模型1、产流过程：降雨扣除损失后形成净雨，从降雨到净雨的过程为产流过程。2、汇流过程：坡面出现径流以后，从流域各处汇集到流域出口河流断面的过程。3、汇流时间：从流域最远点到出口断面的时间，用τ表示。4、假设：1）同频率的暴雨产生同频率的洪水；2）在流域上降雨强度是均匀的；3）洪峰流量（在同样降雨强度下）与集雨面积成正比。

二、推理公式推求设计洪峰流量1、基本形式：式中：Qp——频率为P%的流量（m3/s）K——单位换算系数0.278——频率为P%的平均净雨强度（mm/h）F——流域面积（km2）

2、暴雨公式——用于推求任意历时最大雨量的经验公式式中Sp——雨力，相当于t=1h的平均雨强，mm/h;n——暴雨递减指数。t≦1h时n=n1,t≧1h时n=n2(湖南t≧6h时n=n3）3、水科所推理公式形式如下：式中：——洪峰径流系数——汇流时间4、交通部公路科研所推理公式如下：式中：——降雨损失参数（mm/h）四、推求设计洪峰流量的经验公式法经验公式——公式的形式及参数由实测资料确定。如：参数查水文手册各地区值。第三节根据地区经验公式

推算设计流量一、全国水文分区流量计算参数表（表3-2-1）二、全国水文分区Cv值表（表3-2-2）三、全国水文分区Cs/Cv经验关系表（表3-3-3）四、用法1、Q2%=KFn’由表3-2-1可推Q2%、Q1%2、=CFn（表3-2-1）查表Cv（表3-2-2）查表Cs/Cv（表3-2-3），得Cs由皮尔逊Ⅲ型曲线得到任何给定频率的Qp%.第四章海洋水文

第一节潮汐和潮流一、潮汐与潮流潮汐：是日、月引潮力引起的海洋水面周期性的升降运动。潮流：潮汐引起的海水周期性的水平进退流动。（1）牛顿（1642-1727）首先提出了天体相互引力作用而产生海洋潮汐的理论。牛顿与伯诺里假定地球表面海水等深，海水在地月系统的惯性离心力与引力的共同作用下，使海水在地球表面向着月球与背着月球的两个方向移动，从而形成一个椭圆球体，该水圈即潮汐椭圆。

（2）该平衡潮理论可以解释潮汐的存在，但是，不能很好的预测潮汐出现的时间以及海洋上一些地方不能形成明显的半日潮的原因（如在西澳大利亚海岸）。于是一种动力潮理论认为，潮汐是一个绕着地球表面运动的长波，是受天文吸引力与旋转力控制的强制波。拉普拉斯（1749-1827）利用复杂的偏微分方程组描述了潮汐动力的相互作用。现代人利用大型计算机对此进行求解。

（3）在每月的初一十五，太阳月亮地球位于一条直线上，潮汐引力最大，形成的潮差最大，称为大潮或者朔望潮，在上弦与下弦，地月日处于直角位置，日月引力相互抵消一部分，此时的潮差最小，称为小潮或者方照潮。在海水粘滞性的与地形影响下，大小潮会在朔望或者上下弦1~3天后出现。

高潮间隙：从月中天到高潮出现的时间间隔。低潮间隙：从月中天到低潮出现的时间间隔。潮汐的三种类型1、半日潮：一个太阴日内（24小时50分）出现两次高潮与两次低潮，潮位时间曲线为对称的余弦曲线。2、日潮：在一个太阴日内出现一次高潮与低潮，潮位时间曲线为对称的余弦曲线。3、混合潮：有不规则半日潮，半月的少数日子里两次高潮与低潮的高度历时都不相同；不规则日潮则是半月中多数时间是日潮，其余日子里是不规则半日潮。二、科氏力在研究大尺度风与海流系统运动的时候，海洋学家和气象学家必须考虑地球转动的影响，这种影响称为科氏效应，由法国数学家GaspardCoriolis(1792-1843)提出的。定性地说，在北半球，它使运动着的水质点向运动运动方向的右侧偏离；在南半球则相反。正是这种科式力的作用，使得大范围的水流运动方向往往与压力梯度线平行而不是垂直。三、基准面黄海平均海平面：是青岛验潮站的多年（一般取19年）平均海平面（19年每小时潮位观测记录的平均值）。四、海流海流是海洋中的流动的水流，引起海流的原因主要有：天体引潮力所引起的潮流；因为风的切应力作用于海面产生的风海流；由于近海岸波浪破碎而引起的水平方向的波流；或者是由于海面大气压力、海洋水温与盐度分布不均匀形成的梯度流。五、设计潮位的推算有n个年最高潮位观测值时，不同重现期的高潮位可采用耿贝尔曲线分布计算。给定频率P的随机变量为：式中：－给定频率P（%）相应的随机变量；－随机变量系列的均值；－随机变量系数的均方差；－与频率P和系列变量n有关的参数。耿贝尔分布主要是应用在那些求极值分布的计算中，比如高潮位与低潮位的频率分布。

第二节海岸和海口一、海岸近代研究认为，海岸与河口地区是生命活动最为旺盛的地区。也是原始生命诞生的主要场所。在这里，物质交换非常频繁。海底泥沙在波浪、潮汐、海流等动力作用下运动，形成了海岸演变过程。沙质海岸、淤泥质海岸二、河口：河流流入海洋、湖泊以及支流入干流的地方。河口可划分为：口外海滨段，河口段与近口段。潮流界：将潮流到达河流最远处称为潮流界。潮流区：在潮流界的上游，虽然潮流不能到达，但是水位却有受潮流影响而产生的周期性变化，直到此影响消失处，称为潮区界。潮区界与潮流界部分为近口段。在潮流界以下的河段，水流的流向经常受到潮流的影响经常发生顺逆流向的周期性变化。第三节波浪

海浪一般是风浪、涌浪以及涌浪传播到海岸所引起的近岸波的总称。风浪是在风在直接持续作用下产生的波浪；涌浪是在风停止后，海面存在的波浪或传到无风区的波浪。

一、波浪1、波浪要素和名称波峰：波面的最高点波谷：波面的最低点波高H：相邻波峰与波谷的竖直距离（m）波长L：相邻两波峰或两波谷间的水平距离周期T：波浪起伏一次所需的时间波速c：波面移动的速度，即单位时间内波动传播的水平距离(m/s)，c=L/T前进波：在海面上形成后，向岸边传播的波浪。2、水体的简易波动理论，首先是由G..B.Airy(1801—1892)提出的,他提出了在任意深度,平坦地形下波动传播的理论,指出这些波动的恢复力为重力,并有两种极端形式:深水波与浅水波。深水波：在水深大于一半波长处的前进波。深水波波速c=（gλ/2π）0.5λ为波长，g为重力加速度浅水波：在水深向岸边传播，水深d小于半波长。c2=(gλ/2π)(th2πh/λ)h为水深,th为双曲正切函数thx=(ex-e-x)／(ex+e-x)(显然，当x为无穷大的时候，thx为1)（3）波的能量波的能量传播是以波包的方式进行的，波能随着波高的平方而增加。（4）波浪的折射反射与绕射在海岸，水深变浅，波速变缓，波峰线会发生折射的现象，类似光线的折射。（5）海浪的破碎在深水中形成的前进波进入海滩之后，水深变浅，波陡增大（波陡是波高与波长的比例），波峰速度快，波谷速度慢，（因为波速与水深有关了），使得波面倾倒破碎；波浪破碎后，水质点继续向前移动，称为击岸波；击岸波继续向前传播并破碎，最后形成击岸水流，水流在岸边涌高，再向海回流。二、海浪固定点波高的统计分析波浪要素的长期统计分布：皮三分布波浪要素的短期统计分布：雷利（Rayleigh）分布深水波频率分布（累积频率）函数模比系数与累积频率P（%）的关系为：

设计波浪的两个标准是：波浪高度和周期的频率。波列累积频率：指在实际海面上不规则波列的出现频繁，它代表波浪要素的短期统计分面。显著波：取观测波列的连续100个波，其中前10个大波的平均值作为特征波高，称为1/10大波或显著波。有效波：取波列中前1/3大波的平均值作为特征波高，称为1/3大波或有效波。三、不同重现期设计波浪推算波浪要素的长期统计分布：皮三分布波浪高度和周期的频率分析方法：适线法四、我国的风况和海浪概况第四节波浪对桥梁墩台的作用力圆柱及其他形状桩柱的波浪力一、分析1、水流对墩台的作用力等于墩台使水流速度发生改变的反作用力。墩台上每点受到的波浪力都可以通过求该点速度的时间微分来得到。2、水体本身存在一个对其他物体的压力。3、因此，墩台所受到的水流波浪力应该是1、2两因素形成的合力。二、数学公式表达对于第1因素形成的力（驻点压力），我们可以得到以下公式：

该公式说明速度压力（驻点压力）是与速度的平方以及柱体阻水投影面积成正比的，该公式也表明，这个力是由于水流的动能转化为压能而来的。

对于第2因素形成的力（惯性压力），我们可以得到以下公式：该公式说明波浪对柱形建筑物的惯性压力是与速度的改变以及柱体的横断面面积成正比例的。

*（建议大家参考相关流体力学或者水力学书籍中绕流与边界层章节）第五章大中桥孔径计算一、任务：某一级公路跨越平原区次稳定河段修建一座桥梁，请计算该桥梁最小桥孔净长度以及桥面最低高程

1、采用百年一遇设计洪水流量3500m3/s；2、设计水位Hs=63.65米；2、按照V1-(1)级航道通航标准；3、采用4孔30米预应力混凝土箱梁为上部结构；双柱式桥墩，墩径取1.60米；4、桥面最低高程为67.50米。请问该桥孔布设方案是否合理？桥面最低高程是否合适？二、分析大中桥的孔径计算，主要根据桥位断面的设计流量和设计水位，推算需要的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，提供设计依据。河流断面建设桥梁之后，因为河床压缩，断面必然冲刷，为顺利宣泄洪水以及相应的泥沙，桥下必须有足够的过水面积。三、思考研究1、桥位河段的水流图式（P104页）注：由于桥孔对水流的压缩，从桥位上游相当远处的断面①起，水面就开始壅高，并呈a型壅水曲线，无导流堤时直到桥位上游大约一个桥孔长度L处的断面②达到最大壅水高度△Z。水流接近桥孔时，急剧收缩，直到桥位下游附近的断面③，水面最窄，流速最大；在其下游，水流又逐渐扩散，到断面④才恢复天然状态。2.桥孔布置原则桥孔的位置和大小应与天然断面的流量分配相适应，满足泄洪排沙的要求，保证桥头陆堤不致溃决。3、桥孔净长度：设计水位上两桥台前缘之间的水面宽度，称为称孔长度；扣除全部桥墩宽度后，则称为桥孔净长。1）冲刷系数法列别柳伯斯基假设（1875）：桥下过水面积扩大到使桥下流速等于天然河槽流速时候，桥下冲刷即停止。建议以天然河槽平均流速作为河槽冲刷停止时的平均流速。显然，以水力学中的水流连续性原理，洪水流量应该等于洪水冲刷后的断面面积乘以天然河槽平均流速。有关概念：桥下毛过水面积：河流过水断面面积（包含桥墩以及涡流所占面积）桥下净过水面积：毛过水面积扣除桥墩所占面积之后的过水面积。桥墩阻水折减系数：桥墩阻水面积与毛过水面积的比值。桥下有效过水面积：桥下净过水面积扣除墩台侧面涡流阻水面积后的过水面积。压缩系数：桥下有效过水面积与桥下净过水面积的比值。冲刷系数：桥下一般冲刷完成后的过水面积与冲刷前过水面积的比值。以水力学中的水流连续性原理，洪水流量应该等于洪水冲刷后的有效断面面积乘以天然河槽平均流速。所以：设计洪水流量=天然河槽平均流速×冲刷后的有效过水面积冲刷后的有效断面面积=冲刷前的有效过水面积×冲刷系数冲刷系数：冲刷后与冲刷前的桥下过水面积之比；按照相应要求选取冲刷前的有效过水面积=冲刷前的净过水面积×压缩系数压缩系数=1－0.375×设计流速/桥墩净间距

2）桥孔净长度经验公式法《公路工程水文勘测设计规范》（2002年），《公路桥位勘测设计规范》（1991年）推荐使用。对于有明显河槽的各类河段的经验公式有5个参数：设计洪水流量（Qs）、设计洪水的河槽流量（Qc）、河槽宽度（Bc）、河床稳定性系数与指数（K,n）。第三节桥面高程桥面高程：指桥面中心线上的最低点的高程。

1、雍水（1）桥前最大雍水高度上游能量：压能1+势能1+动能1下游能量：压能2+势能2+动能2雍高高度=下游能量+能量损失-上游能量（2）桥下雍水高度：参照经验取值2、波浪3、桥面最低高程（不通航）=设计水位+各种水面升高+桥下净空安全值+桥梁上部构造建筑高度4、桥面最低高程（通航）=设计最高通航水位+通航净空高度+桥梁上部构造建筑高度四、具体计算搜集桥梁基本资料,河流基本资料,桥位断面测量资料如下:河滩面积317m2，河滩宽度121m，河滩平均水深2.61m，河滩流速0.99m/s，河滩流量316m3/s，河槽面积1028m2，河槽宽度108m，河槽平均水深9.50m，河槽流速3.11m/s，河槽流量3193m3/s，河床面积1345m2，河床宽度229m，河床平均水深5.85m，平均流速2.61m/s，河床流量3508m3/s，设计水位63.65m，河段稳定性系数分别为0.95、0.87。1、桥孔净长度Lj=K(QS/Qc)mBc=0.95×

(3500/3190)0.87=111.52方案中的桥孔净长度=120-3×1.60=115.20>111.52方案合理.

2、桥面最低高程判断设计流量是否缓急流。经过计算，河槽的弗汝德数Fr=0.104，是缓流。桥前最大雍水高度可以按照公式(5-3-1)-(5-3-4)计算=0.29米桥下雍水高度=0.5*桥前最大雍水高度=0.15米

浪高可以按照公式(5-3-7)计算=2/3*1.01米河弯两岸超高按照公式(5-3-10)计算=0.37米取一半为凹岸对水流中线的超高=0.19米桥下安全净空要求为0.50米,桥梁建筑物建筑高度为1.20米.因此，按照设计洪水通过要求所需要的桥面最低高程为66.55米.

另外,考虑通航的要求,该级航道最高通航水位的重现期为5年，其五年一遇设计洪水流量可以求得,按照水位流量关系，可以得到相应水位为61.70米，通航要求的净空高度为4.50米，桥梁建筑物建筑高度为1.20米。所以，满足通航要求所需要的最低桥面高程为67.40米。比较洪水通过与通航要求水位。最后采用67.40米作为桥面最低高程。第六章桥墩和桥台冲刷一、任务：

某河流上准备建设公路桥一座。桥梁资料以及桥位断面河流资料如下：1、百年一遇设计洪水流量为3500m3/s，河槽流量为3193m3/s,河槽宽度为108.38m。桥梁建成后河槽可以扩展到整个桥孔，河槽最大水深为12.39m；2、桥孔长度为120m，收缩系数为0.959，桥墩阻水过水面积折减系数为0.053；请计算桥下断面一般冲刷水深与桥墩局部冲刷水深一般冲刷深度概念当桥梁上游进入桥下河槽断面的泥沙数量小于桥下断面因水流收缩流速增大而冲走的泥沙数量，桥下断面就会引起冲刷。这就是桥下一般冲刷。一般冲刷下的河床水深为一般冲刷水深。

二、一般冲刷的机理1、泥沙运动悬移质：悬浮于水中向下游移动的泥沙。推移质：在河床床面上滚动、滑动或者跳跃着间歇地向下游移动，速度小于水流速度。床沙：下沉到河床床面静止不动为床沙。2、粒径级配曲线：以小于或等于某一粒径的颗粒在整个沙样中所占重量百分数为纵轴，以粒径大小尺寸的对数为横轴，而绘制的曲线。3、平均粒径：上下两级筛孔的均值

4、中值粒径为沙样中大于和小于这种粒径的泥沙重量各占一半的那种粒径。5、粒径的表示：等容直径表示；6、泥沙容重：单位体积的重力7、泥沙沉速：在静止清水中均匀下沉的速度。8、泥沙的起动张瑞瑾-窦国仁泥沙起动流速公式：

9、推移质输沙率：单位时间内在过水断面单位河槽宽度上，通过的推移质的质量。以流速为主要参数的推移质输沙率公式，窦国仁（1977）

10、含沙量：含沙量是单位水体水流中所含悬移质的质量挟沙能力：单位水体能够挟带泥沙含悬移质与推移质的最大数量11、河床演变：在天然状况下或人类活动的干扰后，河床形态逐渐的变化。1）副流：由于过水断面形状的改变或河湾的影响，伴随着主流，在水流内形成一种尺度较大的旋转流动，这种从属主流而存在的旋转流动，称为副流。分为立轴副流（回流）、平轴副流（流流）、顺流副流（螺旋流）