【zl】桥涵水文课程作业926

桥涵水文课程大作业

桥涵水文课程大作业

习题一

一、基本资料

某二级公路跨越某平原次稳定河段，基本资料如下：

1.水文资料

1）桥位附近水文站历年最大流量及相应水位资料（见本题表1）。1887年，1974年和1975年的流量是由调查到的历史洪水位推求得到，其中，1974年、1975年亦在实测期内。.

2）汛期含沙量。

3）河段基本顺直，桥位轴线与河道正交，属狭窄水面的河流，河槽内天然冲淤比较明显，主流在河槽内摆动，汛期多为6~7级风，平均风速为13.9m/s，沿浪程方向平均水深为12m，计

算浪程为700m。.

4）河槽糙率、。

5）河床比降i=0.14‰。

6）容许冲刷系数p=1.1.

2.桥梁断面及地质资料

1）**江桥位断面测量资料（见本题表二）。

2）桩号94K+805、95K+185为滩槽分界点。

3）河床土质状况

河床土壤为松软土壤（中砂）。

表层：

下层：

中值粒径，平均粒径

3.通航要求：二级三类航道，通航频率P=5%。

桥位T型梁，结构高度为1.2m，桥面铺装厚度为0.12m

4.设计计算要求

1）设计流量和设计水位的推求。

2）确定桥长及布孔（1:500）。

3）确定桥面最低标高。

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4）确定墩台基底标高。

5）设计计算技术指导文件、Q~H关系曲线图、和桥孔布置图。

表一年最大流量和相应水位表

年份年最大流量Q 相应最高水位H（m)

1887 13000 39.4

1967 3450 34.38

1968 8300 37.25

1969 7900 37.13

1970 5800 35.6

1971 6300 36.18

1972 6650 36.6

1973 6700 36.65

1974 10100 37.9

1975 11400 38.55

1976 5600 35.54

1977 3800 34.67

1978 5920 35.7

1979 5900 35.68

1980 2700 33.75

1981 5700 35.56

1982 6000 36.1

1983 3300 34.1

1984 5500 35.5

1985 4500 35

1986 6050 36.2

表二里程桩号及标高

桩号河床标高（m）

94K+795 42.81

796 41.55

798 38.95

800 35.99

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961 22.95

989 23.53

95K+026 24.8

49 25.31

119 25.5

166 28.6

185 31.28

235 34.65

285 35.96

301 45.11

二、设计流量

1、将流量按大小值排列，并计算出经验频率，列于表三。

表三洪水资料

分析可知，以上资料属于共有3个特大值的不连续系列，即a=3。实测期为20年，即 n=20。实测

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4 / 19 期内有两个特大值（1974 年和 197

5 年），即 l=2。特大洪水最早出现年份是1887年，而实测期最后年份是1986年，则考证（调查）期.

N=(1986-1887)+1=100 年。

2、 用适线法推求理论频率曲线 计算系列平均流量

.

计算系列变差系数

.

应用矩适线法确定采用的统计参数和理论频率曲线。

（1） 试取，，

0.33

13749.86 1

12217.31 2 11231.44

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5 / 19 （2）根据上一次拟合的结果，适当增大，并且增大，使得

增大的更多，所以试取，，.

0.33

14511.75 1 12860.92 2 11793.70

3、 推求设计流量

河床起始桩号为94K+795，终点桩号为95K+301，算出河床总宽度为506m ，根据《公路工程技术标准》（JTG B01-2003）表5.0.2可知，该桥总跨径应在1001000m 之间，属于大桥的范围。由表5.0.4可知，二级公路大桥设计洪水频率为1%。从上表可以发现，当设计洪水频率为1%时，。.

表5.0.2 桥涵分类

表5.0.4 桥涵设计洪水频率

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公路等级

设计洪水频率

特大桥

大桥 中桥 小桥 涵洞及小 型排水构

高速公路

1/300 1/100 1/100 1/100 1/100 一级公路

1/300 1/100 1/100 1/100 1/100 二级公路

1/100 1/100 1/100 1/50 1/50 三级公路

1/100 1/50 1/50 1/25 1/25 四级公路

1/100 1/50

1/50

1/25

不作要求

三、 设计水位的推求

1、

典型点的水力参数

用EXCEL 表格绘出的过水断面图如下图所示：

2、

推求设计水位

在CAD 中绘出过水断面图，计算出的主槽、左滩、右滩在各个高程的水力参数值：

水力参数计算表

河床标高(m) 过水面积

(m 2

）

湿周(m) 水力半

径(m) 河床比降

i 流速(m/s) 流量(m 3/s) 主槽

31.28 1695.43 327.51 5.17 0.00014 1.45 2458.37 35.585 3216.92 380.83 8.45 0.00014 2.01 6466.03 35.99 3370.82 380.84 8.85 0.00014 2.07 7011.31 38.95 4495.62 380.83 11.80 0.00014 2.51 11328.96 42.81 5952.64 380.93 15.63 0.00014 3.03 18036.50

左滩

31.28 0 0 0 0.00014 0 0 35.585 0 0 0 0.00014 0 0 35.99

1.01 5.02

0.20

0.00014

0.12

0.12

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38.95 18.78

8.59 2.19

0.00014 0.60

11.26 42.81 51.38 13.51 3.80 0.00014 0.87 44.19 右滩 31.28 0 0 0 0.00014 0 0 35.585 147.69 85.81 1.72 0.00014

0.51 75.32 35.99 191．2100.19

1.91 0.00014 0.52 100.17 38.95 489.32 106.15 4.61 0.00014 0.98 479.53 4

2.81 908.53 11

3.93 7.97 0.00014

1.42 1290.11

其中流速采用曼宁-谢才公式推出：

式中：——过水断面面积

——谢才系数 ——水力半径 ——水力梯度 ——糙率

桥位断面水力参数表

河床标高(m) 过水面积(m 2)

湿周

流速(m/s) 流量(m 3/s)

31.28 1695.43 327.51 1.45 2458.37 35.585 3364.61 466.64 1.94 6541.35 35.99 3563.08 486.05 2.00 7111.6 38.95 5003.72 495.57 2.36 11819.75 42.81

6912.55

508.37

2.80

19370.8

绘制桥位断面Q-h 关系图如下图所示，经过Origin 对比发现，与的关系近似满足如下函数：，当时，

。即当设计流

量为

时，设计水位为

m 。.

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四、 确定桥长及布孔 前面已经求出设计水位，设计流量，按内插法求得桥下过水断面面积为，桥下平均流速

. 设计资料中给出了容许冲刷系数，这里选用冲刷系数法计算桥下过水面积。

根据别列柳博斯基假定，当桥下过水面积扩大到使桥下（平均）流速等于天然河槽流速时，桥下冲刷即停止。当设计水位时，天然河槽平均流速为

.

采用桥孔净长公式计算最小桥孔净长度：

式中：

——最小桥孔净长度（m ）。

——设计洪水流量（m 3/s ）。

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9 / 19 ——设计洪水的河槽流量（m 3/s ）。

——河槽宽度（m ）。 对于次稳定性河段，式中的取 0.95，取 0.87。则算出最小桥孔净长度为：

根据桥位河床横断面形态，将左岸桥台桩号布置在94K+800处，根据通航要求，按二级三类航道设计，通航净宽应不小于75.0m 。根据经验和受力条件，经济跨径比为 1:1:0.6。这里选用6孔连续梁，各孔跨径为60+100+100+100+100+60=520m ，中间3孔均能满足通航要求，选用双柱式桥墩，墩径取2.0m ，右桥台桩号为95K+320，这样桥孔布置如下图所示：

.

设计流速

采用天然河槽平均流速，则

桥下过水断面实际面积，大于上述计算的，说明布设技术指

导文件符合需要的桥下最小过水面积。桥孔净长

，即为所求。. 五、 确定桥面最低标高

1、 桥前壅水高度和桥下壅水高度

冲刷前桥下流速

天然桥下平均流速，计算得：

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10 / 19 冲刷后桥下平均流速：

.

系数：

桥前最大壅水高度：

. 桥下壅水高度取，则 2、 浪高 由实测风速换算得到的计算风速为,沿浪程方向平均水深为，计算浪程为。其中：

.

.

.

所以

.

因为

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应取，则波浪高度为

按《公路工程水文勘测设计规范》，静水面以上波浪高度取2/3的波浪高度计。另外，波浪在桥墩前被阻挡时，墩前波浪高度将会壅高，近似取壅高 值为

。这样，静水面以上的波浪高度为波浪全高

的0.86倍，即

.

3、 波浪坡面爬高

桥头路堤和导流堤顶面高程应计入波浪坡面爬高。

4、 桥面最低高程计算 （1）主桥建筑高度为1.2m ，桥面铺装厚度为0.12m 。按设计洪水通过要求的桥面最低高程：

.

（2）按二级三类航道通航标准，要求的桥面最低高程 通航频率，对应的流量。通航净空高度为10m 。由直线内插

法得到

.

以上计算结果表明，通航要求控制桥面高程，桥面最低高程确定为

。

六、 确定桥梁墩、台基底标高

1、 桥下断面一般冲刷后水深 按一般冲刷的简化公式进行计算

.

式中：

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12 / 19 ——一般冲刷后最大水深（m ）。

——桥下河槽最大水深。

——单宽流量集中系数，

——造床流量下的河槽宽度（m ），一般为河槽宽度。

——计算断面的天然河槽流量（m 3/s ）。

——桥下河槽通过的流量（m 3/s ）。

2、 桥墩局部冲刷深度

利用 65-2 修正公式计算

式中：

——桥墩局部冲刷深度（m ） ，从一般冲刷后河床算起。

——系数，取回归值（出现几率最大），。取上限值（外包线，置信区间上界），。

. ——墩形系数。

——桥墩计算宽度（m ），以垂直于水流方向桥墩的投影宽度计算，反映水流冲击角对冲刷的影响。

——墩前行进水深（m ），以一般冲刷后水深代入。

——冲刷层内泥沙平均粒径（m ）。

——墩前行进流速（m/s ），以一般冲刷完成时流速记。

——床沙启动流速（m/s ），以张瑞瑾公式计算

——水深（m ）。

——粒径（m ）

;

——桥墩起冲速度（m/s ），以下式计算

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——指数，以下式计算

查墩形系数表得，计算墩宽， 行进水流， 起动流速

.

起冲流速

.

又

（1）取回归值，

所以

.

（2）取上限值，

所以

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.

3、 桥墩的最低冲刷线高程

4、 桥台冲刷

根据布设的桥台断面，水流对桥台冲刷的影响很小，不予考虑。

习题二

1、

基本资料

某公路跨越一小河，设计流量，河床比降

，河槽粗糙系数，设

计水位

，河槽横断面和设计流量下的水力计算如下图。路基设计高程在桥位处为

104.20m 。试计算小桥孔径和相应的最小桥面高程。

.

2、

天然水力因素计算结果

天然水力因素计算表

桩号 高程 水深 平均水深

水宽 过水面积

0 102.5 0.909091

101.5 0 2 100.3 1.2 0.6 1.090909 0.654545 4.5 100 1.5 1.35 2.5 3.375 6.1

100.3

1.2

1.35 1.6

2.16

桥涵水文课程大作业 15 / 19 8.227273

101.5 0 0.6 2.127273

1.276364 10

102.5 累计 7.318182

7.465909 设计流量

，设计水位，河槽最低点高程，天然最大水深

。. 河槽过水面积

，河槽宽度，平均水深，河槽流速

. 3、

临界水深 若小桥进出口取单孔、带锥坡，流速系数，收缩系数。河床加固选用碎石层上铺砌厚度20cm 的单层片石，取加固允容流速

，桥下断面为矩形断面，桥下临

界水深为：.

则桥下水流为自由式出流。

4、 桥孔长度

选用单孔标准跨径6.0m 钢筋混凝土板桥，建筑高度为0.80m ，净跨5.4m 。

5、 桥前水深H

6、 桥面最低高程

取跨径为6.0m 的小桥，桥面最低高程为103.32m ，低于桥位断面处路基设计高程，是允许的。

7、 根据路基设计高程，推算小桥孔径

路基设计高程104.20m ，允许的最大桥前水深H 为

桥下临界水深和临界流速，偏安全地略去桥前行进流速水头时：

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桥孔长度

8、 汇总报告

根据以上两种情况，推算小桥孔径的结果，比较后，建议取加固允许流速 3.50m/s ，桥长为6.0m 的小桥为宜。后一种情况，桥前水深H 过大，桥下加固允许流速不应小于4.00m/s ，桥长取4.00m 。桥孔压缩水流严重，桥下游出口流速过急，出口加固要求很高，既不经济，也不安全。.

习题三

1、 基本资料 设计流量

，因路基高程限制，涵前水深H 不得超过2.50m 。根据当地情况，采用单层细面粗凿石料，铺砌在碎石上，碎石层厚度不小于 10cm ，进行洞底河床加固。试分别选用无压力式盖板涵，无压力式石拱涵和钢筋混凝土圆管涵，计算涵内临界水深，涵前水深和相应的孔径

。. 2、 孔径计算

根据涵底加固和涵内水深，选定碎石层上铺砌厚度为20cm ，则加固允许平均流速为3.50m/s 。

2.1无压力式盖板涵 任意形状断面的平均临界水深为：

式中：——平均临界水深（m ）

——临界流速（m/s ），计算时可采用河床的容许（不冲刷）流速。

这里根据实际情况，再参照课本表9-3-3，假设涵洞内临界水深

，选取涵洞净高，。则进水水深，临界断面过水面积，

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涵前总水头按下式求解

.

涵前水深

，

，，此时计算出的过涵流量为：

该计算值与已知条件

相差很小，所示计算结果较有代表性，涵洞孔径照下式计算求解：

所以这里可以选用2.0m 的标准孔径。详细计算参数汇总于下表：

详细计算参数汇总表

ε

1.0 ?

0.95 过水流量 8m

3/s 临界水深 1.06m 涵洞净高 1.8m 进口水深 ′ 1.7m 过水面积 2.286m 2 涵前总水头 1.753m 涵前水深

1.954m 涵洞孔径

1.853m

2.2无压力式拱涵

仍然采用试算法求解，第一步参照小桥的设计方法，假设涵洞内临界水深为：

式中：——平均临界水深（m ）

——临界流速（m/s ），计算时可采用河床的容许（不冲刷）流速。

这里根据实际情况，再参照课本表9-3-3，假设涵洞内临界水深

，选取涵洞净高

，

。则进水水深，临界断面过水面积

，

涵前总水头按下式求解.

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18 / 19 涵前水深，，，此时计算出的过涵流量为：

该计算值与已知条件

误差为3.99%，没有超过5%，所示计算结果有一定的代表性，涵洞孔径照下式计算求解：

.

所以这里可以选用2.00m 的标准孔径。详细计算参数汇总于下表：

详细计算参数汇总表 ε 0.96 ?

0.85 过水流量

8m 3

/s 临界水深

1.25m 涵洞净高 1.8m 进口水深 ′

1.65m 过水面积

2.286m 2 涵前总水头

2.115m 涵前水深

1.897m 涵洞孔径

2.241m 2.3 无压力式圆管涵

试取圆管直径

，当取用时，涵内过水断面圆心角为270°，涵内临界流速2.80m/s ，涵前水深

，故1孔圆管涵不宜使用。.

结论

综上所述，建议采用孔径为2.0m 的盖板涵或者孔径为2.50m 的石拱涵。

2.2无压力式拱涵

仍然采用试算法求解，第一步参照小桥的设计方法，假设涵洞内临界水深为：

式中：——平均临界水深（m ）

——临界流速（m/s ），计算时可采用河床的容许（不冲刷）流速。

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这里根据实际情况，再参照课本表9-3-3，假设涵洞内临界水深

，选取涵洞净高

，

。则进水水深

，临界断面过水面积

，涵前总水头按下式求解

.

涵前水深

，

，

，此时计算出的过涵流量为：

该计算值与已知条件误差为3.99%，没有超过5%，所示计算结果有一定的代表性，涵

洞孔径照下式计算求解：

.

所以这里可以选用2.50m 的标准孔径。详细计算参数汇总于下表：

详细计算参数汇总表

ε 0.96 ? 0.85 过水流量 8m 3

/s 临界水深 1.25m 涵洞净高 1.8m 进口水深 ′ 1.65m 过水面积 2.286m 2 涵前总水头 2.115m 涵前水深

1.897m 涵洞孔径

2.241m

2.3 无压力式圆管涵

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