桥涵水文计算基本方法.ppt

桥涵水文计算,前 言桥涵水文是公路、铁路、市政工程中桥梁、路基设计、建设的决定性因素之一，也是衡量桥梁、路基是否符合相应的行业标准的最基本标准。更为重要是它事关洪灾区人民的生命和财产的安全，是灾区人民群众逃生和抢险时有限的几条通道之一。由此可见桥涵水文在桥梁、路基设计、建设中是极其重要的工作项目。桥涵水文与本行业其它专业有所不同，桥涵水文调查、分析、计算本身并无精度指标要求，特别强调的是将通过各种途径和方法得到的计算结果进行比较、论证后确定最终设计流量，使其更接近实际，更趋于合理。本次着重于桥涵水文分析、计算的基本方法和途径。以上内容是桥涵水文工作主要工作内容，但重中之重是设计流量的推算。至于桥长、冲刷、调治构造物、桥面标高计算相比之下要简单得多，因此，本次的重点放在设计流量的推算、外业调查、勘测的主要过程以及内业工作的主要内容和步骤。本次培训着重于以下内容：一般情况水文分析计算 桥孔长度和桥孔布设 桥涵水文设计注意几点问题及探讨,第一节 水文勘测分析计算基本途径,桥涵水文计算、分析基本途径如下：1、有水文观测资料 水文统计法 2、无水文观测资料-形态断面法 3、无水文观测资料（无居民)经验公式法有水文系列观测资料时水文统计法（1）资料搜集和准备了解桥梁所处的位置和所属河流、水系，勾绘汇水面积。收集与本桥位相关的水文、气象资料。1）水文站的多年连续或不连续流量系列。2）水位站的多年连续或不连续水位系列。3）水文站多年使用的基本水文参数，如：糙率、比降、流速。4）桥位上游是否有水坝，若有，其设计、较核频率各是多少、与桥梁设计同频率的放流情况如何。5）桥位附近是否有与已知水文站相关的其它水文站。该水文站的水文系列如何。6）调查、搜集历史洪水情况（年份、流量、水位）。7）收集所处地区的有关风、雨、流冰、气温等气象资料。,（2）水文观测资料的收集、整理和插补延长1）调查法：通过调查、走访河流两岸附近居民，通过他们对历史洪水的记忆对已有的水文系列进行插补和延长。2）考证法：通过文献、历史记载、碑刻、民间传说等对已有的水文系列进行插补和延长。3）两系列的相关分析法：若分析站水文系列较短，而同一流域内或相近的另系列水文系列较长，则可将该站作为参证站，将两站的水文系列通过回归分析的方法得到相关方程，再通过相关方程对较短的分析站水文系列进行插补和延长，从而得到更长的水文系列。4）流域面积比拟法：当上、下游水文站与测站流域面积相差不超过10可直接引用。如较大但不超过20可按下式计算：Q1=(F1/F2)Q25）水位、流量关系曲线法：当上、下游水文站间无支流汇入，两站相同年的最大洪峰流量大致成比例，则可通过两站资料用如下函数进行插补和延长。Q=f（Q）H=f（H）Q=f（H）6）过程线叠加法：利用两支流洪水过程线叠加得到合流后桥位处的设计流量。示例 1，两系列的相关分析法算例：例：某河有甲、乙两相邻水文站，甲站(参证站:流量X)有24年观测资料，乙站(分析站:流量Y)有14年，试应用甲站资料延长乙站资料，两站资料如下表。,水文系列回归分析计算表,回归分析方程式：Y-Y=gsy/sx(X-X)两系列近14年平均流量：Y786，X1092 经计算得:均方差:sy=416 sx=629 相关系数 g=0.96 相关系数机误 Eg0.014判断相关程度：4Eg=40.0140.056 g0.96 4Eg 相关良好根据以上回归分析方程式及相应各参数得到以下方程式：Y7860.96416629（X1092）整理得:Y=0.63X+98.04(本题为直线相关）其中自变量 X为参证站（流量x）系列流量;y为分析站（流量y）系列流量。上表括号内（流量y）为插补后分析站流量y的系列流量,插补延长所得资料不宜用于第三站，可能引起较大误差。,400,800,1200,1600,2000,2400,2800,3200,3600,4000,4400,500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000,相 关 分 析 方 程 图 像,参 证 站 流 量,分 析 站 流 量,水位、流量关系曲线,分析站流量和水位,参证站流量和水位Q H,QH,Q=f(H),示例 2,水位、流量关系曲线法示例：水位、流量关系曲线法就是利用两系列的水位、流量对应关系曲线,直接对分析站系列流量进行插补和延长，如下图：,示例 3，过程线叠加法：当两支流上有较长的观测系列，合流后实测资料系列短，则可利用两支流过程线叠加法，插补延长合流后的流量，洪水传播时间按下式计算：t=L/VS 其中：L-洪水传播距离(m)VS洪水传播速度(m/s)，根据实测资料选其出现次数最多者,桥位,支流1,支流2,支流1,支流2,洪水传播时间 t,流量,Q11,Q21,Q22,Q12,Q13,Q23,试比较：Q11+Q21,Q12+Q22,Q13+Q23组合结果的大小,合流,t1,t2,3、历史洪水情况的调查、考证和排序（1）历史洪水的调查与流量计算（与形态断面法相同）1）调查河段的选择原则最好靠近所选断面附近选择有居民、易于指认洪痕的河段所选河段顺直，断面规整，基线与桥位间无支流汇入 2）洪水发生年份的调查及方法联系历史以便确认记忆引导群众以民间事件为突破点恢复当年的记忆由民谚、刻字、碑文、报刊、历史文献、日记查得 3)指认并确定洪痕4、历史洪水分析 1）洪水大、小的判断。其方法主要如下：根据洪水淹没深度来判断 根据建筑物破坏程度来判断从诗文、叙事来判断根据受灾范围、河流决口、漫溢的上下游位置来判断,5、历史洪水的排位 历史洪水的顺位，应充分利用文献记载，将调查、考证和实测到的大洪水分别置于不同历史时期去考察。首位（或前几位）应根据调查期和考证期综合排列。例：某站36年实测水文资料(1935-1974)，实测期最大洪峰流量9700m/s(1974年）。在近百年调查期中,大于1974年的历史洪水有两次，分别为36000m/s（1867年），31000m/s（1921年）；自文献上考证得知的特大洪水尚有43000m/s（1583年），且有自1400年1974年的574年间，与1867年大、小相当的洪水还发生过5次（分别为1416、1583、1693、1770、1852年）。能够确定大于1867年洪水的有三次，大于或相当于1921年的洪水除上述6次以外尚有1472年、1706年、1724年三次。1583年之前是否还有更大的洪水无从考证。在对以上各流量进行排序时需注意以下几方面问题三个期限，即：实测期、调查期、考证期。同一年份（流量）在不同系列中排号。同一年份（流量）在不同系列中排号哪个更合理。发生洪水的特征年:1583、1867、1921、1974年。,6、场次洪水次序和所处期限 期限 时间 最大流量 实测期 36年(1935-1974)29700m/s 调查期 108年(19741867）36000m/s（1867年）31000m/s（1921年）29700m/s（1974年）考证期 574年(19741400）43000m/s（1583年）其中：与1867年大小相当的洪水还发生过 5 次，分别为：1416、1583、1693、1770、1852年，能够确定大于1867年洪水的有 3 次。相当于1921年的洪水除上述6次以外尚有：1472、1706、1724年 3 次。,7、排序结果如下：（1）1974年洪水：实测36年系列中29700 m/s(1974年）虽排序第一,但因系 列过短已无意义。在108年的调查期内排第三位(第一位1867年，第二位 1921年，第三位1974年）。（2）1867年洪水：理应是自1867年1974年这108年的第一位，但通过文献考证 知：自1400年1974年的574年中，相当于1867年5次，其中大于1867年3 次，因此1867年洪水在574年系列中应排在第46位。（3）1921年洪水；根据文献考证，在574年中大于或相当于它的除以上6次外尚 有1427、1706、1724年3次共9次，由于本次洪水灾情小于1867年，文献记 载可能会有遗漏，尽管本次洪水同处于考证期和调查期之内，考虑到本次 洪水相对较小,和所在系列的相对可靠程度，因此，它的顺位可在调查期 中（1876年1974年）排位，即：108年中居第二位,1867年排第一位）。（4）1583年洪水在1400年1974年这574年中，没有超过它的洪水发生，因此 1583年的洪水在574年中排第一位，再长时间无法考证。各年流量对应频率排列表,各频率对应的流量根据形态断面法计算，最终设计流量需论证确定,第二节 有水文系列设计流量计算方法例：某桥位附近有水文站，能搜集到20年连续的流量观测资料，通过洪水文献考证知，从1784年至1982年期间，曾有8年发生过较大洪水。其中：1880年、1948年和1955年能调查到历史洪水位，可推算得洪水流量；1975年在实测期内，有实测资料；其余4年未能获得流量资料，只知1784年洪水大于1880年，另3年洪水均小于1948年，试求洪水流量Q1%。关键词：考证期、调查期、实测期、经验频率、经验频率曲线、理论频率曲线 重点参数和公式：Q、CV、CS、P 曲线和公式 QP%=Q(1+PCV)解：经验频率分析方法：第一种方法：可分为3个独立系列：考证期（1784年1982年）N2为199年，1784年洪水频率为：P1/(N+1)=1/200=0.5%。调查期（1880年1982年）N1为103年，包括1880年、1948年、1955年和1975年（在实测期内）4个特大值。频率分别为：P=M/(103+1),M取1、2、3、4实测期（1963年1982年）n为20年，频率为：P=m/(n+1),m取1、2、3、20，其中1975年为特大洪水，则L=1。,第二种方法：在考证期内199年中各流量统一排位：实测系列外特大值经验频率：PM/(N+1)（1）实测系列内其它项经验频率：Pm=P+(1-P)(m-L)/(n-L+1)（2）考证期：N199年，,M=1,1784年的流量,调查期:n=103年，a14，包括1880年、1948年、1955年和1975年 的特大洪水。L11，即1975年洪水。实测期：n=20年，包括特大值1975年流量，应在调查期内按特大值排位。水文站观测资料只有20年，年限较短，代表性不强，采用第二种方法的计算结果。(用公式（2）计算）,1955,1975,1948,1880,1784,a2=1,a1=4,1963,实测期n=20,调查期N1=103,考证期N2=199,L=1,经 验 频 率 计 算 表,3.88+（100-3.88）*（2-1）/(20-1+1),1+（100-1）*（2-1）/(103-1+1),点绘经验频率曲线：将经验频率点群点绘于海森几率格纸上，目估通过点群分布中心，并兼顾到特大值作曲线，得到经验频率曲线。适线中重点参数的求算：应用3点适线法确定统计参数 Q、CV和 CS。在经验频率曲线上读 P5%,P50%,P95%所对应的流量得 Q5%=3210 m/s(Q1)、Q50%=1750 m/s(Q2)、Q95%=970 m/s(Q3)公式：S(Q1+Q3-2Q2)/(Q1-Q3）S（312097021750）/（3120970）0.274 查表得：CS0.99，并知，当CS0.99时，P15%,1=1.88 P2=50%,2=-0.16,P3=95%,3=-1.32 公式：Q=(Q3 1 Q1 3）/（1 3）9701.883120（1.32）/1.88（.32）1857 m/s 公式：CV（Q1Q3）/(Q3 1 Q1 3）0.36,作理论频率曲线、适线、推求设计流量作理论频率曲线、适线：以Q=1857 m/s、CV 0.36、CS0.99 选取P1%、295各频率并查表得各对应的P值，根据 P 曲线公式：QP%=Q(1+P CV)求得:作理论频率曲线:QP%=1857*(1+0.36P)各P%频率对应的流量QP%如下表 表中 KP=(1+P CV),将各频率P%和对应的流量QP%点绘于海森几率格纸上，检测理论曲线和经验曲线的符合状况，若符合很好，则该理论曲线即为所求，否则调整CV值后重复以上过程重新适线，直至两线符合很好为止，再利用最终的理论曲线参数再推求设计流量。推求设计流量：利用P 曲线公式并查各表得设计频率1,计算可得设计流量Q1,即：Q1Q(1+1CV)=3863 m/s 经验频率计算及经验频率曲线、理论频率曲线见下图,1000,2000,3000,4000,5000,6000,7000,8000,1,5,10,20,30,40,50,60,70,80,90,95,100(%),.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,第三节 形态断面法推求设计流量(无观测资料）形态断面位置的选择1）河道顺直。2）滩、槽力求分明。3）形态断面与桥位间无支流汇入。4）河槽中无岛与沙洲。5）形态断面的位置尽量便于洪水点的指认和测量。洪水调查及洪水位测量1）场次洪水的调查：方法与前述相同，但须在指认地现场钉桩、编号、口述记录，调查时应有第三者确认签字。2）洪水位的测量：要从水准点引测通过中间转点直至调查指认的各洪水位点，并回测闭合到水准点。3）通过被调查人口述的时间或年龄确定对应场次洪水的对应频率，并须注意该场次洪水的实际频率与此人实际年纪的关系。,洪水（水面）比降的调查和测量：1)洪水比降是指沿河流某岸调查同一场次洪水所得到的多个洪水位点，再通过测量（方法同洪水位测量）得到各点标高，将其投影至中泓轴线上，点绘在坐标纸上（纵：洪水点标高，横：轴线上各点投影距离）再计算确定洪水比降 i值。2）现有河流水面比降的测量方法：沿现有河流水面按水文勘测规范有关规定，在桥位上、下游事先布点，各点一人，每人一个木桩。先将木桩打入土中但不能打到与水面平。看信号，所有人同时将木桩打至桩顶与水面平齐。测量各桩顶标高、点绘各点、推求水面比降，用以代替洪水比降。,洪 水 调 查 表,洪水编号：洪1,调查时间：,形态断面法洪水点勘测过程示意图,水文基线断面,桥位（顺桩断面）,。,。,。,洪1,洪2,洪3,洪4,。线外水准点1,。线外水准点2,中泓轴线,水准路线,流向,BM1,BM2,转点+,转点+,转点+,+转点,+转点,河滩m1,河滩m3,边滩m2,边滩m2,主槽m1,按水面比降从洪水点推算至基线断面处的调查洪水位,。,。,。,。洪4,洪3,洪2,洪1,桩号,河底标高,洪水点在中泓线间距,各洪水位标高,水面比降计算图,某洪水位在基线处状况,m为糙率系数,设计流量、设计水位的推求：有水文系列设计流量的推求方法是用观测资料直接推求系列平均流量 Q 和参数 Cv，然后再利用P公式 推求设计流量QP%。无水文系列时利用形态断面法推求设计流量。形态断面法：1）将测得各洪水位推算至已测的形态断面内，推求对应频率（P%)下的流量 QP%2）根据已知频率查表得P%值，并根据桥梁所在区域查阅有关资料得到Cv值，根据P公式 QP%=Q(1+P%Cv)反求平均流量 Q。3）查表得 Q1%对应1%值，根据已求得的平均流量 Q 值再通过 P公式 Q1%=Q(1+1%Cv)即可得到设计流量 Q1%。4）将通过以上计算所得的每个流量（含经验公式法结果）一并通过论证确定最终设计流量5）将设计流量 Q1%放在形态断面内得到了形态断面处水位H1%6）将形态断面处水位H1%通过洪水水面比降推算至桥位处的设计水位 H1%,形态断面法推求设计流量工作流程：重点工作步骤：1）调查得到形态断面处某年洪水位 H，并确定该年 洪水频率 P，测得洪 水水面比降 I 2）将该洪水位 H通过洪水比降I推算至形态断面处，得到形态断面处洪水位H1 H1 H IL，其余流程如下：,已知形态断面处H1（对应）P,根据河床面 选择滩、槽糙率系数M,根据形态断面上计算该H1、糙率系数M利用水利学原理计算P对应流量QP,根据已求得的流量QP、区域CV用P公式反算平均流量 Q,根据平均流量Q、查表得1再根据P公式推求Q1%,将Q1%重置于形态断面上，并计算该流量对应的水位H，将该H推算至桥位处得HQ,流量观测资料缺乏时洪峰流量的推求根据调查历史洪水资料推求设计流量 若调查历史洪水 Q1和Q2 根据皮尔逊型曲线（P)公式：Q1=Q(1+1 Cv)Q2=Q(1+2 Cv)得 XQ1/Q2=Q(1+1 Cv)/Q(1+2 Cv)既 XK1/K2 由此可得 QP=（KP/K2）Q2 其中KP/K2可查表获得。例：根据调查历史洪水资料得两个洪水资料,相应洪水重现期分别为20年和8年，相应流量分别为 Q20=150m/s,Q8=97m/s，求设计流量 Q1%.根据以上公式得 XQ20/Q8=150/971.55 查有关表得 Cv1.3，该值与桥位所在区域得Cv相符，再查本表得 K100/K8=2.58,所以由 公式：Q1%（K100/K8）Q8 即 Q1%2.5897250m/s根据地区洪水经验公式推求设计流量，地区洪水经验公式较多，所以要注意以下问题:1）什麽行业的公式。2）适用区域,第四节 全国水文分区流量公式(无观测资料）,第五节 径流公式(无观测资料）,小流域面积无观测资料，设计流量可采用径流公式计算。,第二章 桥孔长度和桥孔布设桥孔长度的确定概念1）桥孔长度：沿着设计水位的水面线，两桥台前缘的水面长度2）桥孔净长：桥孔长度扣除桥墩宽度后的长度桥孔长度的计算及适用条件1）河槽宽度公式：Lj=KqBc(QP/QC)适用条件：开口、顺直微弯段及滩、槽可分的不稳定河段 重点参数：河槽宽度 Bc2）单宽流量公式：Lj=QP/(qc)其中：qcQC/BC 适用条件：宽滩河段 重点参数：河槽平均单宽流量 qc（m/s.m)3）基本河宽公式 Lj=CPB0 适用条件：滩、槽难分的不稳定河段 重点参数：B0基本河槽宽度（公式计算）,n3,参考方法-供需面积法：（1）所需过水面积 SX 为 SX=QP/(VP)其中：VP 设计流速，依河槽情况而定，一般取河槽平均流速。水流压缩系数（2）桥下供给面积 SG 根据计算所需桥长在顺桩断面上两桥台所截取的累计面积差而得：SG S2 S1。（3）冲刷系数：P=SX/SG SX 冲刷终止时桥下需要过水面积 SG 冲刷前桥下提供过水面积 该冲刷系数一般在 1.21.4之间（4）桥位的布设 桥下供给面积 SG 应该扣除锥坡、桥墩所占的过水面积。桥位的具体布设应根据河槽的滩、槽具体分布情况据实布设，最后得到最终桥位，同时获得最终桥下下供给面积 SG。,过水面积累计曲线,桥孔布设,高程,累计面积,S2,S1,供给面积 SG=S2S1,桩号,设计水位,供需面积法桥孔布设,S=f(L),河槽,L1,L2,桥长L2-L1,桥面设计高程的确定无通航河流桥面设计高程的确定 Hmin=Hs+h+hj+h0 其中：Hs：为设计水位 h：为考虑壅水、浪高等因素 hj：为桥下净空安全值 h0：为桥梁上部结构建筑高度1）在计算浪高时风玫瑰图的使用：NW,桥位,浪程L,N,E,W,S,NW,SE,NE,SW,风玫瑰图,22.5,河流,风向（最大）,SE,说明：A、应使用桥位所在风区的风玫瑰图。B、应使用桥位所在风区的汛期风玫瑰图。,2）浪高、壅高、波浪侵袭高度示意图 其中：Z计算得，Z可取 Z/2,h1,h1浪高,h2,h2波浪侵袭高度,静水面,桥前最大壅水高Z,桥位,桥下壅水高Z,水面曲线,河岸或河堤,实际水面,说明：Z 一般取0.5 Z，但山区半山区可以取Z,通航河流桥面设计高程的确定 Hmin=Htn+Hm+h0 式中：Htn 设计最高通航水位 Hm 通航净空高度说明：桥面设计高程除满足通航要求外，尚应满足泄洪要求。桥面设计高程取两者大值。墩、台冲刷计算桥下一般冲刷计算勘规法1）非粘性土河床桥下一般冲刷计算后的最大水深 Hmax（1）河槽部分 642 简化式（输砂平衡原理）641 修正式(动力平衡流速、冲止流速原理）（2）河滩部分2）粘性土河床桥下一般冲刷计算 Hmax（1）河槽部分（2）河滩部分,墩、台局部冲刷计算(局部冲刷坑深度 Hb)1）非粘性土河床桥墩局部冲刷计算勘规法 652 式 651 修正式2）粘性土河床桥墩局部冲刷计算勘规法注意：1）在进行桥下局部冲刷计算时，各计算式中的一般冲刷后墩前行近流速，应根据计算一般冲刷所采用的公式的形成原理（输砂平衡原理：动力平衡流速、冲止流速原理等），选用对应的墩前行近流速计算公式。2）要分清河床土质（粘性、非粘性土）、计算部位（河槽、河滩）。3）总冲刷深度应包括河床自然演变冲刷、一般冲刷和局部冲刷。桥台最大冲刷深度（目前尚不成熟），可参照公路桥涵设计手册桥位设计一书计算。公路工程水文勘测设计规范条文说明第条。该手册称 951，952，和按冲刷系数P等方法计算。最低冲刷线标高确定：H=HP-Hmax-Hb,河滩,边滩,主槽,边滩,河滩,河槽,设计水位,平槽水位,第三章 桥涵水文设计注意几点问题及探讨,河床横断面图,目前，我国河流的堤坝防洪标准除较大的城市可能达到 1外，野外河堤防洪标准一般都达不到 1，多数在 1/30-1/20之间，不能满足我国现行公路、桥梁设计规范防洪标准。河堤的安全高度 h 一般是不能占用的，它至少包括河堤本身的波浪侵袭高和0.5米的安全高度，考虑溃堤时除外。桥梁设计长度和高度应考虑这种事实的存在，并应兼顾到溃堤、不溃堤两种可能的事实存在，最大限度保证桥梁在使用过程中的安全。,堤内水位（河堤设计频率下）,堤,堤,h,桥高、桥长问题,跨河堤桥梁设计的关键要素,堤内、外设计流量的确定 查明防洪堤远景规划最大安全泄洪流量Qan,并与桥梁设计流量Qs作比较,若Qan小于Qs，则跨越河堤的桥梁的设计流量采用Qan，Qan必须考虑远期提高防洪标准，且不得少于平堤通过的流量，同时堤外应设防洪桥孔或另设防洪桥。其流量按 Qw=Qs-Qan，Qan为不考虑远期提高防洪标准，也不平堤，仍按现状计算河道安全泄洪量。这样，建堤后堤内、外桥梁（孔径）泄洪能力总和大于Qs,若Qan大于Qs时，则桥梁设计流量仍采用Qs，但梁底高程必须高于远景规划的堤顶高程，通航河流亦应满足通航净空要求。堤内的最大泄洪流量的计算，一般由水利部门提供。冲刷计算采用的洪水频率 视桥梁重要程度，采用100年一遇或是300年一遇。,桥头引道长度和范围问题 功能方面：连接路基和桥梁。（无界限和长度的制约因素）防洪方面：桥台至洪泛区边缘。（有界限和长度的制约因素）桥头引道范围示意图,洪泛区边界,洪泛区边界,设计线,桥头引道范围,桥头引道范围,洪峰流量、对应频率；平均流量、设计流量对应关系问题：各洪峰流量必须有它们各自对应的频率才有意义，否则无用。设计流量是根据洪峰流量和与之对应的频率通过平均流量推求而得。仅调查到某年的洪水位而没有确定对应的频率，无法由它推求平均流量和设计流量，因此，此时的它是没有任何意义的。设计流量的论证和最终确定-论证过程中的引证要素 已经建成或正在使用中的桥梁水文成果 有关部门，特别是水利部门的成果 调查成果的可靠度 设计经验的积累 各种计算结果的相互对比和说明 最终设计流量确定的重点理由,