工程地質與橋涵水文教學作者盛海洋.ppt

第一節(jié) 橋孔最小凈長Lj計算 第二節(jié) 橋面中心和引道路堤最低設計標高的確定,主要內容,第十三章 大中橋孔徑計算,回總目錄,學習目標： 1、掌握橋孔最小凈長Lj計算 ； 2、掌握橋面中心最低標高計算； 3、掌握引道路堤最低設計標高的計算； 4、熟悉橋前最大壅水高度和橋下壅水高度計算； 5、了解各種水面升高值（波浪高度、波浪侵襲高度、水流局部沖擊高度、河彎超高、水拱和河床的淤高）計算。 本章重點 1、橋孔最小凈長計算； 2、橋面中心最低標高和引道路堤最低設計標高的計算。 本章難點 橋面中心最低標高和引道路堤最低設計標高的計算。,第一節(jié) 橋孔最小凈長Lj計算,內容： 一、建橋后的水流圖式 二、橋孔最小凈長Lj計算,一、建橋后的水流圖式,一、建橋后的水流圖式,水流狀態(tài)： 1為開始壅水斷面；2為最高壅水斷面；3為橋位斷面；4為橋后收縮斷面；5為恢復斷面。12為壅水段，水面呈a型壅水曲線。23水面呈漏斗狀降落，縱向橫向均有坡度，但至3斷面，仍有橋下壅高Z，34水面繼續(xù)呈漏斗狀降落，至4斷面為水深最小、動能最大的收縮斷面，24整個為水面降落收縮段，從最高壅水斷面至收縮斷面縱向近似以斜直線連接，45為擴散段，水面呈C型壅水曲線，近似地縱向可以斜直線連接。,一、建橋后的水流圖式,沖淤狀態(tài)： 12壅水段，過水斷面水深沿流向逐漸增大，流速則由天然流速逐漸減小，挾沙能力漸漸減弱，因而該段出現淤積；24水面降落收縮段，因有效過水面積沿流程逐漸減小，流速相應增大，挾沙能力隨之轉向恢復后又提高，則該段河底出現淤積量沿程逐漸減小而轉為沖刷；45擴散段，該段沿流向沖刷由大變小轉為淤積，又從淤積逐漸恢復天然輸沙平衡狀態(tài)。,圖13-2 橋下過水斷面面積示意圖,圖13-2 橋下過水斷面面積示意圖,二、橋孔最小凈長Lj計算,有關定義：沿著設計水位的水面線，兩橋臺前緣之間（埋入式橋臺則為兩橋臺護坡坡面之間）的水面寬度，稱為橋孔長度L，見圖13-2?？鄢繕蚨諏挾龋ㄈ匝卦婢€）后，則稱為橋孔凈長Lj。,二、橋孔最小凈長Lj計算,橋孔長度的確定，首先應滿足排洪和輸沙的要求，即保證設計洪水及其所挾帶的泥沙能從橋下順利通過，并從安全和經濟兩方面著眼，同時應綜合考慮橋孔長度、橋前壅水和橋下沖刷的相互影響。 公路工程水文勘測設計規(guī)范中規(guī)定，對于峽谷性河段上的橋梁，僅要求按河床地形布置橋孔，不宜壓縮河槽，一般可不作橋孔長度計算外，對其他各類河段上的橋梁，可按以下三種公式計算橋孔最小凈長Lj,二、橋孔最小凈長Lj計算,（一）.河槽寬度公式 （適用于橋位河段分類表中的開闊、順直微彎、分汊、彎曲河段及灘、槽可分的不穩(wěn)定河段）此公式認為橋孔凈長Lj與河槽寬度Bc成正比。 式中：Lj最小橋孔凈長（m）； Qp設計流量（m3/s）； Qc設計水位下天然河槽流量（m3/s）； Bc天然河槽寬度（m）； K、n系數和指數，按表13-1采用。,（一）.河槽寬度公式,表13-1 K、n值表,二、橋孔最小凈長Lj計算,（二）、單寬流量公式 （適用于河段分類表中的寬灘河段）,二、橋孔最小凈長Lj計算,（二）、單寬流量公式,式中： qc河槽平均單寬流量（m3/sm），按式 13-2b計算； 水流壓縮系數，按式13-2c計算； Q t天然河灘流量（m3/s） 其他符號意義同前。,（三）、基本河寬公式,適用于河段分類表中的灘槽難分的不穩(wěn)定河段的公式,（三）、基本河寬公式,式中： 基本河槽寬度（m），按式13-3b計算 年洪峰流量平均值（m3/s）； 河床泥沙平均粒徑（m） ； 設計洪水頻率橋長換算系數，按式13-3c計算 頻率為2的洪水流量（m3/s）； 其他符號意義同前。,二、橋孔最小凈長Lj計算,說明：影響橋孔凈長的因素較多，目前還沒有能同時反映各種影響因素的橋孔凈長的公式。上述公式的計算結果僅為滿足排洪輸沙需要的最小橋孔凈長，確定橋長時，可參照計算結果，運用標準跨徑，結合橋位兩岸地形、河床斷面形態(tài)、河床演變趨勢、河床地質特點、橋臺和橋頭引道高度等因素綜合考慮。,第二節(jié) 橋面中心和引道路堤最低設計標高的確定,一、確定最低標高的計算公式 （一）、橋面中心最低設計標高 （二）、引道路堤最低設計標高 二、各種水面升高值計算 （一）、壅水計算 (二）、波浪高度和波浪侵襲高度 （三）、水流局部沖擊高度 （四）、河彎超高 （五）、水拱和河床的淤高,（一）、橋面中心最低設計標高,1、對于不通航河流（圖13-3a） (1)按設計水位計算橋面中心最低標高 Hmin=Hp+h+hjh0 (13-4),（一）、橋面中心最低設計標高,式中: Hmin 橋面中心最低標高（m）； Hp設計水位標高（m）； h根據河流的具體情況酌情考慮壅水、浪高、波浪壅高、水拱、局部股流壅高（水拱與局部股流壅高不能同時考慮，取其大者）、河彎超高、床面淤高、漂浮物高度等諸因素的總和（m）；具體確定見后分述； hj橋下凈空安全值，見表13-2； h0橋梁上部構造建筑高度（包括橋面鋪裝高度）（m），由上部構造設計或標準圖定。,表13-2 不通航河流橋下凈空安全值hj 無鉸攻的拱腳，可被設計洪水淹沒，淹沒高度一般不宜超過拱圈矢高的2/3；拱頂底面至設計水位的凈高不小于1m。山區(qū)河流水位變化大，橋下凈空安全值可適當加大。,（一）、橋面中心最低設計標高,（2）按流冰水位計算橋面中心最低標高（北方寒冷地區(qū)） Hmin=HpBhj h0 (13-5) 式中：HpB最高流冰水位（m）； (3)取式（13-4）和式（13-5）計算結果中大者作為采用的橋面中心最低標高。,（一）、橋面中心最低設計標高,2、對于通航河流（圖13-3b）,（一）、橋面中心最低設計標高,通航河流的橋面中心最低標高除應滿足不通航河流的要求外，同時還應滿足下式要求： Hmin=Htn+HM+h0 （13-6） 式中： Htn設計最高通航水位（m）； 如圖13-4所示，采用表13-3規(guī)定的各級洪 水重現期水位； HM通航凈空高度（m），查表13-4 可得 。 其他符號意義同前,（一）、橋面中心最低設計標高,表13-3 天然河流設計最高通航水位,（一）、橋面中心最低設計標高,表13-3注： 1、山區(qū)河流如經多年水文資料查證，出現高于設計最高通航水位的歷時很短，則根據具體情況，三級航道的標準可降為10年一遇，四、五級航道可降為5年一遇，六、七級航道可按23年一遇標準執(zhí)行。 2、設計最低通航水位參見內河通航標準（GB 50139-1990）確定。,圖13-5 導流堤設置和上游水面降落（a),圖13-5 導流堤設置和上游水面降落（b),圖13-5 導流堤設置和上游水面降落（b),圖13-5 導流堤設置和上游水面降落圖圖中符號,圖中符號： Ld橋梁兩端橋臺臺尾間的距離（m） La橋頭路堤起點（橋臺臺尾起算，有時近似則以橋臺前緣起算）至同一端岸邊的距離（m） L橋頭路堤起點沿橋軸向至路堤上游側形成最大壅水處的距離（m） Lx路堤計算點距橋臺尾部（路堤起點）的距離（m）,（二）.引道路堤最低設計標高,1、上游無導流堤或有梨形堤時（圖13-5a）,（二）.引道路堤最低設計標高,1、上游無導流堤或有梨形堤時（圖13-5a） 引道路堤任意點路肩最低設計標高可按下式計算： (1)當LxL時（建筑界限為斜直線） (2)當LxL時（建筑界限為水平線）,（二）.引道路堤最低設計標高1、上游無導流堤或有梨形堤時（圖13-5a）,式中：Hp設計水位（m）； Z橋前最大壅水高度（m）；確定見后述； i0橋位河段洪水比降； hp除了橋前壅水高度以外的水位附加高度（m），包括波浪侵襲高度（斜水流局部沖高）和河床淤積高等，波浪侵襲高度與斜水流局部沖高取兩者之較大者； S由橋軸線至形成橋前最高壅水處的距離（m）；按式（13-9）計算； L橋頭路堤起點至上游側形成最大壅水處的距離（m），按式（13-9）計算。,S=Ks(1M)B (13-9) 式中：B設計洪水時水面寬度（m）； M天然狀態(tài)下橋孔范圍內通過的流量與設計流量之比; Ks系數，按表13-5查用； L=AS0.5Ld (13-10) 式中：A系數，按表13-6查用。 其他符號意義同前。,表13-5 Ks值表,表13-6 A值表,（二）.引道路堤最低設計標高,2、上游有非封閉式導流堤時（圖13-5b）,（二）.引道路堤最低設計標高 2、上游有非封閉式導流堤時,引道路堤任意點處路肩的最低設計標高可按下列公式確定： (1)當LaL時（建筑界限為水平線） Hmin可按式（13-8）計算。 (2)當LaL時（建筑界限為水平線） Hmin=Hp+Z+LaSi0/L+hp+0.50 (13-11) 式中符號意義同前,（二）.引道路堤最低設計標高 3、上游有封閉式導流堤時,3、上游有封閉式導流堤時（圖13-5b） (1)當封閉式導流堤不會被洪水破壞時，引道路堤的最低設計標高由路堤下游水位控制，按下式計算： Hmin=Hp+Hx+he+0.50 (13-12) 式中：he自靜水面算起的波浪侵襲高度(m)，具體確定方法見后述內容； Hx引道路堤下游側水位較天然（設計）水位的降低值（m），按式（13-13）計算。 其他符號意義同前。,（二）.引道路堤最低設計標高 3、上游有封閉式導流堤時,計算端河灘引道路堤范圍內當設計水位時的平均水深（m） Kj水位降低系數，可按表13-7a）和表13-7b）查用； 其它符號意義同前。,（二）.引道路堤最低設計標高 3、上游有封閉式導流堤時,（2）當封閉式導流堤可能被洪水破壞時，引道路堤的最低設計標高按式（13-8）和式（13-11）計算。 位于壅水范圍內的橋位、河彎附近的橋位、有股流涌高和水拱現象的橋位等，河灘引道路堤標高應根據實際情況考慮增高值。,二、各種水面升高值計算,（一）、壅水計算 1.橋前最大壅水高度Z 2.橋下壅水高度Z 一般情況下可采用Z= Z。當河床堅實不易沖刷時，Z=Z;當河床松軟易于沖刷時，Z=0 3.壅水曲線全長 式中：i洪水比降，以小數計 其他符號意義同前,（二）、波浪高度和波浪侵襲高度,（二）、波浪高度和波浪侵襲高度,式中：hb波浪高度（m），根據連續(xù)觀測的100個波浪高度中最大的一個，即累積頻率P=1%時得出的； th雙曲正切函數，th= ; D 計算浪程（m）確定方法見后述； 沿浪程方向的平均水深（m）； 汛期沿浪程向的風速（m/s），公式中為水面上10m高度處多年測得的洪水期間自記2min平均最大風速的平均值。,沿浪程方向的平均水深 則可通過作沿最大浪程方向的斷面，計算出設計水位下河床底面下從橋位中心到上游泛濫線之間的水體的面積A，則可以按式 計算 波浪高度hb的計算公式（13-16）已制成表格13-12可供查用?？紤]浪高的影響，推求橋面中心最低標高時，取 計入。,（二）、波浪高度和波浪侵襲高度 2、波浪侵襲高度he,2、波浪侵襲高度he 波浪侵襲高度的大小與波浪的特性、邊岸坡度、坡面粗糙度以及透水性等因素有關。應盡量根據本地區(qū)的觀測和調查資料確定。缺乏資料時，可根據以下經驗公式確定。 he=KKVRohb (13-17) 式中：he波浪侵襲高度（自靜水位起算）（m） K邊坡糙滲系數，查表13-13確定； Kv與風速有關的系數，查表13-14； Ro相對波浪侵襲高度系數，查表13-15。,（二）、波浪高度和波浪侵襲高度 2、波浪侵襲高度he,當有下列情況之一時，可不考慮波浪侵襲高度的影響。 (1)洪峰歷時短促的河流。 (2)浪程短于200m時。 (3)水深小于1m。 (4)靠近路堤的河灘上，長有高于水深加半個波浪高度的成片灌木叢時。,（二）、波浪高度和波浪侵襲高度 2、波浪侵襲高度he,當橋臺和引道路堤受到波浪斜向侵襲時，侵襲高度有所減弱，當邊坡系數m1和斜向角度30時，可用下式計算he值代替引道路堤最低設計標高計算中所考慮的 he 式中：he修正后的波浪侵襲高度（m）； 構造物邊坡上水邊線與浪射線之間的夾角。,（三）、水流局部沖擊高度,(13-19) 式中 hjb水流局部沖擊高度（m） Vg沖向路堤、墩臺的水流或股流平均速（m/s） 水流流向于路堤、墩、臺軸線間所成的平面交角（） m迎水面邊坡系數,（四）河彎超高,(13-20) 式中 hgc河彎兩岸水位高差(m)； B河彎水面寬度(m)，如灘地有叢林或死水時，該部分水面寬應予以扣除； R河彎曲率半徑(m)，按式13-20a計算。 (13-20a) 式中 R0凹岸曲率半徑(m)； r0凸岸曲率半徑(m)。,（五）水拱和河床的淤高,1、河流漲水時，流速逐漸增加，同一斷面的主槽流速比兩側河灘大，主槽水位比河灘水位上漲快，從而形成水流中間高、兩邊低的水拱現象。 2、在水拱嚴重的河段上建橋，確定橋面中心最低標高時應考慮水拱影響。水拱高度目前尚無合適的計算方法，在橋位設計時可通過現場調查確定。 3、在河床逐年淤積抬高的河流上，橋下凈高應考慮河床淤高而適當加大，河床淤高值的估算，可通過水文站多年實測斷面資料推算。,本章小結,1、橋孔凈長按照不同的河段，有三種計算公式 （1）開闊、順直微彎、分汊、彎曲河段及灘、槽可分的不穩(wěn)定河段 （2）寬灘河段 其中, （3）灘槽難分的不穩(wěn)定河段 其中,本章小結,2、引道路堤最低設計標高的確定分上游無導流堤或梨形堤，上游有非封閉式導流堤，上游有封閉式導流堤三種情況，分別有不同的計算公式。,本章小結,3、