桥涵水文第6章大中桥孔径计算.ppt

第六章 大中桥孔径计算,第6章 大中桥孔径计算,根据桥位断面的设计流量和设计水位，推算需要的桥孔最小长度和桥面中心最低高程，确定桥孔设计方案。计算依据：建桥前后桥位河段内水流和泥沙运动的客观规律。目前孔径计算方法，都是建立在某种假设和实验的基础上，具有经验性，有待改进.,一、桥位河段的水流图式由于泥沙运动的复杂性，在假设和实验的基础上只建立了缓流河段（弗汝德数Fr1）的简化水流图式。弗汝德数(Fr)Froude mumber：流体内惯性力与重力的比值。用佛汝德数来判别明渠水流的流态：当 Fr1，水流为缓流；Fr=1，水流为临界流；Fr1，水流为急流。,第一节 桥位河段水流图式和桥孔布设,桥孔对水流的压缩，从桥位上游相当远处的断面起，水面就开始壅高：无导流堤在桥位上游大约一个桥孔长度L处的断面达到最大壅水高度z。水流接近桥孔时，急剧收缩而呈“漏斗”状，无导流堤时直到桥位下游附近的（有导流堤时则到桥位中线断面），水面最窄，流速最大，形成桥位河段的颈口，称为收缩断面。收缩断面下游，水流逐渐扩散，到断面才恢复天然状态。,二、桥孔布置原则必须保证设计洪水以内的各级洪水和泥沙安全通过，并满足通航、流冰、流木及其他漂浮物安全通过的要求；应适应各类河流的特性及演变特点，避免河床产生不利变形，且做到经济合理。各类河段的特性及河床演变特点见表6-1-1；建桥后的桥前壅水，不得对两岸河堤、农田、村镇造成威胁，在平原地区尤为重要，往往以桥前壅水的允许高度作为桥孔长度的控制因素。,应考虑桥位上下游已建或拟建的水利工程、航道码头和管线等引起的河床演变对桥孔的影响。桥位河段的天然河道不宜开挖或改移。开挖、改移河道具有充分的技术、经济论证。跨越河口、海湾及海岛之间的桥梁，必须保证在潮汐、海浪、风暴潮、海流及海底泥沙运动等各种海洋水文条件影响下，正常使用和满足通航要求。,应与天然河流断面流量分配相适应。在稳定性河段上，左右河滩桥孔长度之比应近似与左右河滩流量之比相当，在次稳定和不稳定河段上，桥孔布设必须考虑河床变形和流量分布变化趋势的影响。桥孔不宜压缩河槽，可适当压缩河滩。在内河通航河段，通航桥孔布设应符合内河通航标准（GB 50139-2004）的规定，并应充分考虑河床演变和不同水位所引起的航道变化。通航海轮的桥孔布设应符合通航海轮桥梁通航标准（JTJ 311-97）规定。,应按公路工程技术标准（JTG B01-2003）中规定，对跨径小于或等于50m的桥孔，宜采用标准化跨径。应注意地质情况，桥梁的墩台基础避免设在断层、溶洞等不良地质处。,三、各类河段上桥孔布设河流受很多因素的影响，一条河流的各个河段往往具有不同的特征，各个河段既有共同的性质，又有不同的特点。根据河段的稳定性和河床的变形特征，把河段分为以下几类：峡谷河段、开阔河段、变迁河段、冲击漫流河段、顺直微弯河段、弯曲河段、分汊河段、宽滩河段、游荡河段和抄袭河口河段。见表6-1-2,河段类型的判别，结合实际情况，一般在桥位上游不小于34倍河床宽度，下游不小于2倍河床宽度的范围内，进行观察分析，对于弯曲的河段，在上游至少要包括一个河湾。河段稳定性及变形程度，可用50年左右的演变过程，作为衡量标准。,河源一号冰川是乌鲁木齐河的源头，位于125公里处的天格尔山中，海拔3860.476米，长约2,2公里，平均宽500米，面积1.8平方公里。,新疆天山一号冰川,四、各类河段的形态和桥梁,上游山区大峡谷,长江三峡支流干钩子河,山区河流开阔段,山口冲积扇,冲积漫流河段,黄土高原河段,山前变迁性河段长江三加州河网地区河流潮汐河口河段近岸波,设计水位上，两桥台前缘之间的水面宽度，称为桥孔长度（L），扣除全部桥墩宽度（顺桥方向）后，称为桥孔净长（Lj）。桥孔长度的确定，首先应满足排洪和输沙的要求，保证设计洪水及其所挟带的泥沙从桥下顺利通过，并综合考虑桥孔长度、桥前壅水和桥下冲刷的相互影响。桥孔长度的计算方法：用桥下过水面积计算（冲刷系数法），用桥孔净长度经验公式计算。,第二节 桥孔长度,一、用桥下过水面积计算（冲刷系数法）原理：利用桥位断面的设计流量Qs和设计水位Hs，根据水力学的连续性原理（Q=Av）求出桥下顺利宣泄设计洪水时所需要的最小过水面积，用以确定桥孔的最小长度。冲刷完成过程：建桥后桥孔压缩水流，桥下流速增大到一定时，桥下河槽开始冲刷，水深增加，桥下过水面积逐渐扩大，流速逐渐下降，冲刷减缓，直到停止。别列柳伯基假定：桥下过水面积扩大到使桥下流速等于天然河槽流速时，桥下冲刷级停止。,计算桥孔长度，通常采用天然河槽平均流速作为设计流速，即一般冲刷完成后的桥下平均流速。冲刷系数法计算要素：Qs设计流量；Vs设计流速；Ad冲刷前桥墩所占的桥下过水面积；Ax冲刷前墩台侧面涡流所占的桥下过水面积；Ay冲刷前桥下有效的过水面积，不包括涡流及桥墩面积；Aj冲刷前桥下净水面积，不包括桥墩所占过水面积，Aj=Ay+Ax；,Aq冲刷前桥下毛过水面积，包括有效过水面积及桥墩和涡流所占过水面积，Aq=Ay+Ax+Ad=Aj+Ad；因墩台侧面涡流阻水而引起的桥下过水面积折减系数，又称压缩系数，=Ay/Aj；=1-0.375Vs/lj(lj为桥墩净间距）因桥墩阻水引起的桥下过水面积折减系数，=Ad/Aq，一般宽浅河段，可认为=b/lb 为桥墩宽度，l为桥墩中心间距。,冲刷系数p冲刷后与冲刷前桥下过水面积之比 P=A(冲后)/A(冲前)根据水力学连续性原理有 Qs=p Ay Vs Ay=Aj Aj=Qs/(p Vs)Ad=Aq Aj=Aq-Ad=(1-)Aq,冲刷系数p表示桥下河槽的冲刷程度，也表示桥孔对水流的压缩程度，是桥孔长度计算的控制因素。p 取值:平原稳定性河段水流河床稳定，不宜压缩，p取较小值；山前区变迁性河段因水流宽浅，多摆动，p值可取稍大些；平原河段不应大于1.2，山前区变迁性河段不应大于1.4。冲刷系数法适用于细颗粒、均匀的砂质河床、平原稳定性河床。,二、用桥孔净长度经验公式计算注意事项：由公式计算的为桥孔最小净长度，实际桥孔长度为算出最小桥孔净长度在加上所有桥墩的宽带；计算所得最小桥孔净长度为水流与桥轴正交时的长度，如为斜桥，则应换算为斜桥轴线方向的长度。,1、对于有明显河槽的各类河段Lj最小桥孔净长度；Qs设计洪水流量；Qc设计洪水的河槽流量；Bc河槽宽度；K、n反映河床稳定性系数和指数，见表6-2-1.,表6-2-1 K、n值表,2、对于无明显河槽的变迁性、游荡性河段河槽宽度Bc为选定桥孔长度的重要参数。对滩槽难分的地区，通过对我国新疆、青海、内蒙、河北等地实桥调查资料，多元逐步回归分析得到河床宽B0与多年洪水平均流量Q和河床平均粒径d存在下列关系：,引入一个与设计洪水频率p(%)相关的系数Cp，取最小桥孔净长度Lj为：Lj=CpB0有：其中：,桥面高程指桥面中心线上最低点的高程。必须满足桥下通过设计洪水、流冰、流木和通航的要求。一、引起桥下水位升高的因素引起桥下水位升高的因素有壅水、波浪、水拱、河湾凹岸水面超高以及河床淤积等。1、壅水建桥后，天然水流受到桥孔压缩，桥梁上游形成壅水，天然水面（正常水深）以上被壅起的高度，称为壅水高度。,第三节 桥面高程,（1）桥前最大壅水高度z公路工程水文勘测设计指南推荐用计算桥前最大壅水计算公式为：,（2）桥下壅水高度z桥下壅水高度z是指桥下断面处的壅水高度，可以参照洪水情势和土质易冲程度按表6-3-2取值。,表6-3-2桥下壅水高度z取值,（3）壅水曲线最大壅水断面下游的水面壅水曲线，对于缓坡河流为a1型壅水曲线，在桥位设计中，可看做二次抛物线进行计算，壅水曲线全长L和任意断面A处壅水高度zA可按下式近似计算：i河床比降；LA任意断面A至最大壅水断面的距离。,2、波浪（1）桥位处的波浪高度桥位处的波浪高度一般通过调查确定，计算桥面高程时，以桥位静水面以上，波浪高度的三分之二记入，行进波在墩前受阻，还应计入波高增大。调查困难，按规范或设计手册推荐方法确定：,其中h2波浪高度，从波峰到波谷的高度；波浪平均高度；KF系数，时，取2.42，时，取2.3；th 双曲正切函数；平均水深；D风区长度或浪程；,Vw风速，水面以上10m高度处多年所测洪水期间自记2min平均最大风速的平均值：Vw0风速，水面以上10m高度处多年所测洪水期间自记10min平均最大风速的平均值。以上计算浪高公式适用于大陆地区河流、湖泊的 桥梁设计。,（2）路堤（或导流堤）边坡处的波浪爬高波浪冲向路堤或导流堤扥边坡而爬升的高度名称为波浪爬高也称边坡的波浪侵袭高度。he 波浪爬高，自静水面起算；K边坡粗糙系数，表6-3-3；KV与风速有关的参数，表6-3-4；R0相对爬高，查表6-3-5。,（3）斜向的波浪爬高当波浪斜向侵袭时，侵袭高度有所减弱，当边坡系数m1，斜向角度30时，按规范推荐公式计算：he修正后的波浪侵袭高度；构造物边坡上水边线与浪射线的夹角；he 波浪侵袭高度。,3、其他引起水位升高的情况涨水时同一断面的主槽流速比两侧河滩的流速大，主槽水位比河滩水位上涨快，形成河心水位高，两边河滩水位低的水拱现象；洪水由峡谷山口流出时，也会出现水拱现象；河湾处形成水门横比降，引起凹岸水位超过；局部股流用稿及河床淤积等。,河湾处水位超高值计算：h河湾水位超高值；V断面平均流速；B水面宽度；R河湾凹凸岸曲率半径的平均值。在计算桥面高程时，可计入河湾水位超高值的二分之一。,4、急流河槽中桥墩的水流冲击高度hd墩前水流冲击高度hd有水力学动量方程和连续方程得：h0、v0 墩前河槽的天然水深和流速。,二、桥下净空安全值1、不同航河段 非通航河流桥下最小净空,2、有流冰、流木的河段 流冰、流木的河段上桥梁最小净距,三、通航河流的桥下净空通航河段桥下净空尺度规定见表6-3-5和6-3-86-3-11。设计最高通航水位根据各种河流具体情况确定。一般天然河流的设计最高通航水位按下表中规定的各级洪水重现期水位采用：天然河流设计最高通航水位标准,四、桥面最低高程的确定1、不通航河段（1）按设计洪水位计算桥面高程Hmin桥面最低高程；Hs设计水位；hj桥下净空安全值；hD桥梁上部构造建筑高度，包括桥面铺装高度；各种水面升高值总和。,（2）按流冰水位计算桥面高程HSB设计最高流冰水位，应考虑床面淤高。,2、通航河段通航河段桥面高程除了满足不通航河流要求外，同时还应该满足：Htn 设计最高通航水位；HM通航净空高低。,第四节 计算实例,