工程地质与桥涵水文教学作者盛海洋.ppt

第一节 桥孔最小净长Lj计算第二节 桥面中心和引道路堤最低设计标高的确定,主要内容,第十三章 大中桥孔径计算,回总目录,学习目标：1、掌握桥孔最小净长Lj计算；2、掌握桥面中心最低标高计算；3、掌握引道路堤最低设计标高的计算；4、熟悉桥前最大壅水高度和桥下壅水高度计算；5、了解各种水面升高值（波浪高度、波浪侵袭高度、水流局部冲击高度、河弯超高、水拱和河床的淤高）计算。本章重点 1、桥孔最小净长计算；2、桥面中心最低标高和引道路堤最低设计标高的计算。本章难点 桥面中心最低标高和引道路堤最低设计标高的计算。,第一节 桥孔最小净长Lj计算,内容：一、建桥后的水流图式二、桥孔最小净长Lj计算,一、建桥后的水流图式,一、建桥后的水流图式,水流状态：1为开始壅水断面；2为最高壅水断面；3为桥位断面；4为桥后收缩断面；5为恢复断面。12为壅水段，水面呈a型壅水曲线。23水面呈漏斗状降落，纵向横向均有坡度，但至3断面，仍有桥下壅高Z，34水面继续呈漏斗状降落，至4断面为水深最小、动能最大的收缩断面，24整个为水面降落收缩段，从最高壅水断面至收缩断面纵向近似以斜直线连接，45为扩散段，水面呈C型壅水曲线，近似地纵向可以斜直线连接。,一、建桥后的水流图式,冲淤状态：12壅水段，过水断面水深沿流向逐渐增大，流速则由天然流速逐渐减小，挟沙能力渐渐减弱，因而该段出现淤积；24水面降落收缩段，因有效过水面积沿流程逐渐减小，流速相应增大，挟沙能力随之转向恢复后又提高，则该段河底出现淤积量沿程逐渐减小而转为冲刷；45扩散段，该段沿流向冲刷由大变小转为淤积，又从淤积逐渐恢复天然输沙平衡状态。,图13-2 桥下过水断面面积示意图,图13-2 桥下过水断面面积示意图,二、桥孔最小净长Lj计算,有关定义：沿着设计水位的水面线，两桥台前缘之间（埋入式桥台则为两桥台护坡坡面之间）的水面宽度，称为桥孔长度L，见图13-2。扣除全部桥墩宽度（仍沿原水面线）后，则称为桥孔净长Lj。,二、桥孔最小净长Lj计算,桥孔长度的确定，首先应满足排洪和输沙的要求，即保证设计洪水及其所挟带的泥沙能从桥下顺利通过，并从安全和经济两方面着眼，同时应综合考虑桥孔长度、桥前壅水和桥下冲刷的相互影响。公路工程水文勘测设计规范中规定，对于峡谷性河段上的桥梁，仅要求按河床地形布置桥孔，不宜压缩河槽，一般可不作桥孔长度计算外，对其他各类河段上的桥梁，可按以下三种公式计算桥孔最小净长Lj,二、桥孔最小净长Lj计算,（一）.河槽宽度公式（适用于桥位河段分类表中的开阔、顺直微弯、分汊、弯曲河段及滩、槽可分的不稳定河段）此公式认为桥孔净长Lj与河槽宽度Bc成正比。式中：Lj最小桥孔净长（m）；Qp设计流量（m3/s）；Qc设计水位下天然河槽流量（m3/s）；Bc天然河槽宽度（m）；K、n系数和指数，按表13-1采用。,（一）.河槽宽度公式,表13-1 K、n值表,二、桥孔最小净长Lj计算,（二）、单宽流量公式（适用于河段分类表中的宽滩河段）,二、桥孔最小净长Lj计算,（二）、单宽流量公式,式中：qc河槽平均单宽流量（m3/sm），按式 13-2b计算；水流压缩系数，按式13-2c计算；Q t天然河滩流量（m3/s）其他符号意义同前。,（三）、基本河宽公式,适用于河段分类表中的滩槽难分的不稳定河段的公式,（三）、基本河宽公式,式中：基本河槽宽度（m），按式13-3b计算 年洪峰流量平均值（m3/s）；河床泥沙平均粒径（m）；设计洪水频率桥长换算系数，按式13-3c计算 频率为2的洪水流量（m3/s）；其他符号意义同前。,二、桥孔最小净长Lj计算,说明：影响桥孔净长的因素较多，目前还没有能同时反映各种影响因素的桥孔净长的公式。上述公式的计算结果仅为满足排洪输沙需要的最小桥孔净长，确定桥长时，可参照计算结果，运用标准跨径，结合桥位两岸地形、河床断面形态、河床演变趋势、河床地质特点、桥台和桥头引道高度等因素综合考虑。,第二节 桥面中心和引道路堤最低设计标高的确定,一、确定最低标高的计算公式（一）、桥面中心最低设计标高（二）、引道路堤最低设计标高 二、各种水面升高值计算（一）、壅水计算(二）、波浪高度和波浪侵袭高度（三）、水流局部冲击高度（四）、河弯超高（五）、水拱和河床的淤高,（一）、桥面中心最低设计标高,1、对于不通航河流（图13-3a）(1)按设计水位计算桥面中心最低标高 Hmin=Hp+h+hjh0(13-4),（一）、桥面中心最低设计标高,式中:Hmin 桥面中心最低标高（m）；Hp设计水位标高（m）；h根据河流的具体情况酌情考虑壅水、浪高、波浪壅高、水拱、局部股流壅高（水拱与局部股流壅高不能同时考虑，取其大者）、河弯超高、床面淤高、漂浮物高度等诸因素的总和（m）；具体确定见后分述；hj桥下净空安全值，见表13-2；h0桥梁上部构造建筑高度（包括桥面铺装高度）（m），由上部构造设计或标准图定。,表13-2 不通航河流桥下净空安全值hj 无铰攻的拱脚，可被设计洪水淹没，淹没高度一般不宜超过拱圈矢高的2/3；拱顶底面至设计水位的净高不小于1m。山区河流水位变化大，桥下净空安全值可适当加大。,（一）、桥面中心最低设计标高,（2）按流冰水位计算桥面中心最低标高（北方寒冷地区）Hmin=HpBhj h0(13-5)式中：HpB最高流冰水位（m）；(3)取式（13-4）和式（13-5）计算结果中大者作为采用的桥面中心最低标高。,（一）、桥面中心最低设计标高,2、对于通航河流（图13-3b）,（一）、桥面中心最低设计标高,通航河流的桥面中心最低标高除应满足不通航河流的要求外，同时还应满足下式要求：Hmin=Htn+HM+h0（13-6）式中：Htn设计最高通航水位（m）；如图13-4所示，采用表13-3规定的各级洪水重现期水位；HM通航净空高度（m），查表13-4 可得。其他符号意义同前,（一）、桥面中心最低设计标高,表13-3 天然河流设计最高通航水位,（一）、桥面中心最低设计标高,表13-3注：1、山区河流如经多年水文资料查证，出现高于设计最高通航水位的历时很短，则根据具体情况，三级航道的标准可降为10年一遇，四、五级航道可降为5年一遇，六、七级航道可按23年一遇标准执行。2、设计最低通航水位参见内河通航标准（GB 50139-1990）确定。,图13-5 导流堤设置和上游水面降落（a),图13-5 导流堤设置和上游水面降落（b),图13-5 导流堤设置和上游水面降落（b),图13-5 导流堤设置和上游水面降落图图中符号,图中符号：Ld桥梁两端桥台台尾间的距离（m）La桥头路堤起点（桥台台尾起算，有时近似则以桥台前缘起算）至同一端岸边的距离（m）L桥头路堤起点沿桥轴向至路堤上游侧形成最大壅水处的距离（m）Lx路堤计算点距桥台尾部（路堤起点）的距离（m）,（二）.引道路堤最低设计标高,1、上游无导流堤或有梨形堤时（图13-5a）,（二）.引道路堤最低设计标高,1、上游无导流堤或有梨形堤时（图13-5a）引道路堤任意点路肩最低设计标高可按下式计算：(1)当LxL时（建筑界限为斜直线）(2)当LxL时（建筑界限为水平线）,（二）.引道路堤最低设计标高1、上游无导流堤或有梨形堤时（图13-5a）,式中：Hp设计水位（m）；Z桥前最大壅水高度（m）；确定见后述；i0桥位河段洪水比降；hp除了桥前壅水高度以外的水位附加高度（m），包括波浪侵袭高度（斜水流局部冲高）和河床淤积高等，波浪侵袭高度与斜水流局部冲高取两者之较大者；S由桥轴线至形成桥前最高壅水处的距离（m）；按式（13-9）计算；L桥头路堤起点至上游侧形成最大壅水处的距离（m），按式（13-9）计算。,S=Ks(1M)B(13-9)式中：B设计洪水时水面宽度（m）；M天然状态下桥孔范围内通过的流量与设计流量之比;Ks系数，按表13-5查用；L=AS0.5Ld(13-10)式中：A系数，按表13-6查用。其他符号意义同前。,表13-5 Ks值表,表13-6 A值表,（二）.引道路堤最低设计标高,2、上游有非封闭式导流堤时（图13-5b）,（二）.引道路堤最低设计标高2、上游有非封闭式导流堤时,引道路堤任意点处路肩的最低设计标高可按下列公式确定：(1)当LaL时（建筑界限为水平线）Hmin可按式（13-8）计算。(2)当LaL时（建筑界限为水平线）Hmin=Hp+Z+LaSi0/L+hp+0.50(13-11)式中符号意义同前,（二）.引道路堤最低设计标高 3、上游有封闭式导流堤时,3、上游有封闭式导流堤时（图13-5b）(1)当封闭式导流堤不会被洪水破坏时，引道路堤的最低设计标高由路堤下游水位控制，按下式计算：Hmin=Hp+Hx+he+0.50(13-12)式中：he自静水面算起的波浪侵袭高度(m)，具体确定方法见后述内容；Hx引道路堤下游侧水位较天然（设计）水位的降低值（m），按式（13-13）计算。其他符号意义同前。,（二）.引道路堤最低设计标高 3、上游有封闭式导流堤时,计算端河滩引道路堤范围内当设计水位时的平均水深（m）Kj水位降低系数，可按表13-7a）和表13-7b）查用；其它符号意义同前。,（二）.引道路堤最低设计标高 3、上游有封闭式导流堤时,（2）当封闭式导流堤可能被洪水破坏时，引道路堤的最低设计标高按式（13-8）和式（13-11）计算。位于壅水范围内的桥位、河弯附近的桥位、有股流涌高和水拱现象的桥位等，河滩引道路堤标高应根据实际情况考虑增高值。,二、各种水面升高值计算,（一）、壅水计算1.桥前最大壅水高度Z 2.桥下壅水高度Z 一般情况下可采用Z=Z。当河床坚实不易冲刷时，Z=Z;当河床松软易于冲刷时，Z=0 3.壅水曲线全长 式中：i洪水比降，以小数计 其他符号意义同前,（二）、波浪高度和波浪侵袭高度,（二）、波浪高度和波浪侵袭高度,式中：hb波浪高度（m），根据连续观测的100个波浪高度中最大的一个，即累积频率P=1%时得出的；th双曲正切函数，th=;D 计算浪程（m）确定方法见后述；沿浪程方向的平均水深（m）；汛期沿浪程向的风速（m/s），公式中为水面上10m高度处多年测得的洪水期间自记2min平均最大风速的平均值。,沿浪程方向的平均水深 则可通过作沿最大浪程方向的断面，计算出设计水位下河床底面下从桥位中心到上游泛滥线之间的水体的面积A，则可以按式 计算波浪高度hb的计算公式（13-16）已制成表格13-12可供查用。考虑浪高的影响，推求桥面中心最低标高时，取 计入。,（二）、波浪高度和波浪侵袭高度2、波浪侵袭高度he,2、波浪侵袭高度he 波浪侵袭高度的大小与波浪的特性、边岸坡度、坡面粗糙度以及透水性等因素有关。应尽量根据本地区的观测和调查资料确定。缺乏资料时，可根据以下经验公式确定。he=KKVRohb(13-17)式中：he波浪侵袭高度（自静水位起算）（m）K边坡糙渗系数，查表13-13确定；Kv与风速有关的系数，查表13-14；Ro相对波浪侵袭高度系数，查表13-15。,（二）、波浪高度和波浪侵袭高度2、波浪侵袭高度he,当有下列情况之一时，可不考虑波浪侵袭高度的影响。(1)洪峰历时短促的河流。(2)浪程短于200m时。(3)水深小于1m。(4)靠近路堤的河滩上，长有高于水深加半个波浪高度的成片灌木丛时。,（二）、波浪高度和波浪侵袭高度2、波浪侵袭高度he,当桥台和引道路堤受到波浪斜向侵袭时，侵袭高度有所减弱，当边坡系数m1和斜向角度30时，可用下式计算he值代替引道路堤最低设计标高计算中所考虑的 he式中：he修正后的波浪侵袭高度（m）；构造物边坡上水边线与浪射线之间的夹角。,（三）、水流局部冲击高度,(13-19)式中 hjb水流局部冲击高度（m）Vg冲向路堤、墩台的水流或股流平均速（m/s）水流流向于路堤、墩、台轴线间所成的平面交角（）m迎水面边坡系数,（四）河弯超高,(13-20)式中 hgc河弯两岸水位高差(m)；B河弯水面宽度(m)，如滩地有丛林或死水时，该部分水面宽应予以扣除；R河弯曲率半径(m)，按式13-20a计算。(13-20a)式中 R0凹岸曲率半径(m)；r0凸岸曲率半径(m)。,（五）水拱和河床的淤高,1、河流涨水时，流速逐渐增加，同一断面的主槽流速比两侧河滩大，主槽水位比河滩水位上涨快，从而形成水流中间高、两边低的水拱现象。2、在水拱严重的河段上建桥，确定桥面中心最低标高时应考虑水拱影响。水拱高度目前尚无合适的计算方法，在桥位设计时可通过现场调查确定。3、在河床逐年淤积抬高的河流上，桥下净高应考虑河床淤高而适当加大，河床淤高值的估算，可通过水文站多年实测断面资料推算。,本章小结,1、桥孔净长按照不同的河段，有三种计算公式（1）开阔、顺直微弯、分汊、弯曲河段及滩、槽可分的不稳定河段（2）宽滩河段 其中,（3）滩槽难分的不稳定河段 其中,本章小结,2、引道路堤最低设计标高的确定分上游无导流堤或梨形堤，上游有非封闭式导流堤，上游有封闭式导流堤三种情况，分别有不同的计算公式。,本章小结,3、各种水面升高值计算，暂无特别成熟的公式。应通过现场调查及实测资料推算。本节给了一些经验公式。,复 习 思 考 题,1、桥位河段的冲淤状态与水流状态有何联系？分析建桥后的水流图式有何意义？2、目前桥孔最小净长计算公式有哪四种？各自的适用性如何？3、桥面中心最低标高与桥面设计标高，引道路堤最低设计标高与引道路堤设计标高有何区别和联系？4、桥面中心最低标高的确定包括哪些因素？哪些因素目前尚无成熟的计算公式而需根据调查和实测确定？5、引道路堤最低设计标高是按哪三类分别进行公式计算的？6、什么叫波浪高度和波浪侵袭高度？各自用于什么标高计算？,到第十四章,到第十二章,