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橋涵水文課程大作業(yè) 習題一一、 基本資料某二級公路跨越某平原次穩(wěn)定河段，基本資料如下：1.水文資料1） 橋位附近水文站歷年最大流量及相應水位資料（見本題表1）。1887年，1974年和1975年的流量是由調(diào)查到的歷史洪水位推求得到，其中，1974年、1975年亦在實測期內(nèi)；2） 汛期含沙量=2.5kg/m3；3） 河段基本順直，橋位軸線與河道正交，屬狹窄水面的河流，河槽內(nèi)天然沖淤比較明顯，主流在河槽內(nèi)擺動，汛期多為67級風，平均風速為13.9m/s，沿浪程方向平均水深為12m，計算浪程為700m；4） 河槽糙率1nc=41、1nt=30；5） 河床比降i=0.14；6） 容許沖刷系數(shù)p=1.1.2.橋梁斷面及地質(zhì)資料1）*江橋位斷面測量資料（見本題表二）；2）樁號94K+805、95K+185為灘槽分界點；3）河床土質(zhì)狀況河床土壤為松軟土壤（中砂）；表層：d1=0.35mm，h1=0.80m；下層：d2=0.35mm，h2=0.80m。 中值粒徑d50=25mm，平均粒徑d=23mm3.通航要求：二級三類航道，通航頻率P=5%。橋位T型梁，結(jié)構(gòu)高度為1.2m，橋面鋪裝厚度為0.12m4.設計計算要求1）設計流量和設計水位的推求；2）確定橋長及布孔（1:500）；3）確定橋面最低標高；4）確定墩臺基底標高；5）設計計算說明書、QH關(guān)系曲線圖、和橋孔布置圖。表一 年最大流量和相應水位表年份年最大流量Q相應最高水位H（m41967345034.381968830037.251969790037.131970580035.61971630036.181972665036.61973670036.6519741010037.919751140038.551976560035.541977380034.671978592035.71979590035.681980270033.751981570035.561982600036.11983330034.11984550035.519854500351986605036.2表二 里程樁號及標高樁號河床標高（m）94K+79542.8179641.5579838.9580035.9996122.9598923.5395K+02624.84925.3111925.516628.618531.2823534.6528535.9630145.11二、 設計流量1、 將流量按大小值排列，并計算出經(jīng)驗頻率，列于表三。表三 洪水資料按流量大小排列經(jīng)驗頻率 P（%）（采用值）（QQ-1）2年份流量（m3/s60207644419751140020.57805480419741010030.9739169611968830014.285714290.1994359051969790019.047619050.1420292291973670023.809523810.0281310721972665028.571428570.0252838141971630033.333333330.0096056431986605038.09523810.0029633461982600042.857142860.0020905261978592047.619047620.0010099241979590052.380952380.0008005261970580057.142857140.0001180451981570061.90476190.000043081976560066.666666670.0005756421984550071.428571430.001715721985450076.190476190.046530071977380080.952380950.1140475231967345085.714285710.1589694211983330090.476190480.1804998611980270095.238095240.280290808分析可知，以上資料屬于共有3個特大值的不連續(xù)系列，即a=3；實測期為20年，即 n=20；實測期內(nèi)有兩個特大值（1974 年和 1975 年），即 l=2；特大洪水最早出現(xiàn)年份是1887年，而實測期最后年份是1986年，則考證（調(diào)查）期N=(1986-1887)+1=100 年。2、 用適線法推求理論頻率曲線計算系列平均流量QQ=1Nj=1aQj+N-an-li=l+1nQi=110034500+100-320-2110170=6281.94m3/s計算系列變差系數(shù)Cv=1N-1j=1aQjQ-12+N-an-li=l+1nQiQ-12=1993.154048+97181.19414=0.3112應用矩適線法確定采用的統(tǒng)計參數(shù)和理論頻率曲線。（1） 試取Cv=0.30，m=4，Cs=0.96PQp0.3313749.86112217.31211231.44（2）根據(jù)上一次擬合的結(jié)果，適當增大Cv，并且增大m，使得Cs增大的更多，所以試取Cv=0.34，m=3.21，Cs=1.09PQp0.3314511.75112860.92211793.703、 推求設計流量河床起始樁號為94K+795，終點樁號為95K+301，算出河床總寬度為506m，根據(jù)公路工程技術(shù)標準（JTG B01-2003）表5.0.2可知，該橋總跨徑應在1001000m之間，屬于大橋的范圍。由表5.0.4可知，二級公路大橋設計洪水頻率為1%。從上表可以發(fā)現(xiàn)，當設計洪水頻率為1%時，Q =12860.92m3/s。表5.0.2 橋涵分類橋涵分類多孔跨徑總長 L（m）單孔跨徑 Lx（m）特大橋L1000Lx150大橋100L100040Lx150中橋30L10020Lx40小橋8L305Lx 20涵洞 Lx 5表5.0.4 橋涵設計洪水頻率公路等級設計洪水頻率特大橋大橋中橋小橋涵洞及小型排水構(gòu) 造物高速公路1/3001/1001/1001/1001/100一級公路1/3001/1001/1001/1001/100二級公路1/1001/1001/1001/501/50三級公路1/1001/501/501/251/25四級公路1/1001/501/501/25不作規(guī)定三、 設計水位的推求1、 典型點的水力參數(shù)用EXCEL表格繪出的過水斷面圖如下圖所示：2、 推求設計水位在CAD中繪出過水斷面圖，計算出的主槽、左灘、右灘在各個高程的水力參數(shù)值：水力參數(shù)計算表河床標高(m)過水面積(m2）濕周(m)水力半徑(m)河床比降 i流速(m/s)流量(m3/s)主槽31.281695.43327.515.170.000141.452458.3735.5853216.92380.838.450.000142.016466.0335.993370.82380.848.850.000142.077011.3138.954495.62380.8311.800.000142.5111328.9642.815952.64380.9315.630.000143.0318036.50左灘31.280000.000140035.5850000.000140035.991.015.020.200.000140.120.1238.9518.788.592.190.000140.6011.2642.8151.3813.513.800.000140.8744.19右灘31.280000.000140035.585147.6985.811.720.000140.5175.3235.991912585.5100.191.910.000140.52100.1738.95489.32106.154.610.000140.98479.5342.81908.53113.937.970.000141.421290.11其中流速采用曼寧-謝才公式推出：Q=wCRJC=1nR16式中：w過水斷面面積 C謝才系數(shù) R水力半徑J水力梯度 n糙率橋位斷面水力參數(shù)表河床標高(m)過水面積(m2)濕周流速(m/s)流量(m3/s)31.281695.43327.511.452458.3735.5853364.61466.641.946541.3535.993563.08486.052.007111.638.955003.72495.572.3611819.7542.816912.55508.372.8019370.8繪制橋位斷面Q-h關(guān)系圖如下圖所示，經(jīng)過Origin對比發(fā)現(xiàn)， Q與h的關(guān)系近似滿足如下函數(shù)：y=68.85x2-3628.23x+48547.45，當y=12860.92時，x=39.61。即當設計流量為12860.92m3/s時，設計水位為39.61m。四、 確定橋長及布孔前面已經(jīng)求出設計水位hs=39.61m，設計流量Qs=12860.92m3/s，按內(nèi)插法求得橋下過水斷面面積為A=5330.10m2，橋下平均流速vs=2.36+39.61-38.9542.81-38.952.80-2.36=2.44m/s設計資料中給出了容許沖刷系數(shù)p=1.1，這里選用沖刷系數(shù)法計算橋下過水面積。根據(jù)別列柳博斯基假定，當橋下過水面積擴大到使橋下（平均）流速等于天然河槽流速時，橋下沖刷即停止。當設計水位h=39.61m時，天然河槽平均流速vc為vc=vs=2.44m/s采用橋孔凈長公式計算最小橋孔凈長度：Lj=KQsQcnBc式中：Lj最小橋孔凈長度（m）；Qs設計洪水流量（m3/s）；Qc設計洪水的河槽流量（m3/s）；Bc河槽寬度（m）；對于次穩(wěn)定性河段，式中的K取 0.95，n取 0.87；則算出最小橋孔凈長度為：Lj=0.9512860.9212249.90.87380=376.62m根據(jù)橋位河床橫斷面形態(tài)，將左岸橋臺樁號布置在94K+800處，根據(jù)通航要求，按二級三類航道設計，通航凈寬應不小于75.0m。根據(jù)經(jīng)驗和受力條件，經(jīng)濟跨徑比為 1:1:0.6。這里選用6孔連續(xù)梁，各孔跨徑為60+100+100+100+100+60=520m，中間3孔均能滿足通航要求，選用雙柱式橋墩，墩徑取2.0m，右橋臺樁號為95K+320，這樣橋孔布置如下圖所示：設計流速vs采用天然河槽平均流速vc，則=1-0.375vslj=1-0.3752.4498=0.99=bl=2100=0.02Aj=Qspvs=12860.920.991.12.44=4840.10m2Aq=Aj1-=4840.101-0.02=4938.88m2橋下過水斷面實際面積A = 5330.10m2，大于上述計算的Aq= 4938.88m2，說明布設方案符合需要的橋下最小過水面積。橋孔凈長 Lj=520-2*11=498m，即為所求。五、 確定橋面最低標高1、 橋前壅水高度z和橋下壅水高度zq沖刷前橋下流速vM=QsAj=12860.924840.10=2.66m/s天然橋下平均流速voM，計算得：voM=vc=2.44m/s沖刷后橋下平均流速：vM=vM1+0.5d50-0.25vMvc-1=2.661+0.525-0.252.662.44-1=2.61m/s系數(shù)：KM=2vMvoM-1=22.612.44-1=7.58Ky=0.5vMg-0.1=0.52.619.80-0.1=0.68橋前最大壅水高度：z=KMKy2gvM2-voM2=7.580.6829.82.612-2.442=0.2258m橋下壅水高度zq取0.5zq，則zq=0.50.2258=0.11m2、 浪高h2由實測風速13.9m/s換算得到的計算風速為14.9m/s,沿浪程方向平均水深為12m，計算浪程為700m。其中：gvw2=9.814.92=0.04414 ， vw2g=14.929.8=22.65408gDvw2=9.870014.92=30.89951 ， ghvw2=9.81214.92=0.52971所以hz=0.13th0.7ghvw20.7th0.0018gDvw20.450.13th0.7ghvw20.7gvw2=0.13th0.44867th8.428510-30.13th0.448670.04414=0.189因為hzh=0.18912=0.016ht=1.5m則橋下水流為自由式出流。4、 橋孔長度L=Bx=gQsvk3=9.8220.93.53=5.59m選用單孔標準跨徑6.0m鋼筋混凝土板橋，建筑高度為0.80m，凈跨5.4m。5、 橋前水深HH=hk+vk22g2=1.25+3.5229.80.92=2.02m6、 橋面最低高程Hmin=Hd+H+J+D=100+2.02+0.8+0.5=103.32m取跨徑為6.0m的小橋，橋面最低高程為103.32m，低于橋位斷面處路基設計高程，是允許的。7、 根據(jù)路基設計高程，推算小橋孔徑路基設計高程104.20m，允許的最大橋前水深H為H=Hmin-d-Hd=104.2-0.5-0.8-100=2.9m橋下臨界水深hk和臨界流速vk，偏安全地略去橋前行進流速水頭時：hk=H221+22=2.920.921+20.92=1.79mvk=ghk=9.81.79=4.19m/s橋孔長度Bk=Qsghk3=229.81.793=2.93m8、 總結(jié)根據(jù)以上兩種情況，推算小橋孔徑的結(jié)果，比較后，建議取加固允許流速 3.50m/s，橋長為6.0m的小橋為宜。后一種情況，橋前水深H過大，橋下加固允許流速不應小于4.00m/s，橋長取4.00m。橋孔壓縮水流嚴重，橋下游出口流速過急，出口加固要求很高，既不經(jīng)濟，也不安全。習題三1、 基本資料設計流量Qs=8m3/s，因路基高程限制，涵前水深H不得超過2.50m。根據(jù)當?shù)厍闆r，采用單層細面粗鑿石料，鋪砌在碎石上，碎石層厚度不小于 10cm，進行洞底河床加固。試分別選用無壓力式蓋板涵，無壓力式石拱涵和鋼筋混凝土圓管涵，計算涵內(nèi)臨界水深hk，涵前水深H和相應的孔徑Bd。2、 孔徑計算根據(jù)涵底加固和涵內(nèi)水深，選定碎石層上鋪砌厚度為20cm，則加固允許平均流速為3.50m/s。2.1無壓力式蓋板涵任意形狀斷面的平均臨界水深hk為：hk=vk2g=3.529.8=1.25m式中：hk平均臨界水深（m）vk臨界流速（m/s），計算時可采用河床的容許（不沖刷）流速。這里根據(jù)實際情況，再參照課本表9-3-3，假設涵洞內(nèi)臨界水深hk=1.25m，選取涵洞凈高hT= 1.8m，= 0.10m。則進水水深H=hT-=1.7m，臨界斷面過水面積Ak=Qvk=2.286m2，涵前總水頭按下式求解H0=hk+vk22g2=1.943m涵前水深H=H0.87=1.954m，=1，=0.95，此時計算出的過涵流量為：Q=Ak2gH0-hk=8.004m3/s該計算值與已知條件Qs=8m3/s相差很小，所示計算結(jié)果較有代表性，涵洞孔徑照下式計算求解：Bd=Qs1.58H1.5=1.853m所以這里可以選用2.0m的標準孔徑。詳細計算參數(shù)匯總于下表：詳細計算參數(shù)匯總表1.00.95過水流量Qs8m3/s臨界水深hk1.06m涵洞凈高hT1.8m進口水深1.7m過水面積Ak2.286m2涵前總水頭H01.753m涵前水深H1.954m涵洞孔徑Bd1.853m2.2無壓力式拱涵仍然采用試算法求解，首先參照小橋的設計方法，假設涵洞內(nèi)臨界水深hk為：hk=vk2g=3.529.8=1.25m式中：hk平均臨界水深（m）vk臨界流速（m/s），計算時可采用河床的容許（不沖刷）流速。這里根據(jù)實際情況，再參照課本表9-3-3，假設涵洞內(nèi)臨界水深hk=1.25m，選取涵洞凈高hT= 2.0m，= 0.15m。則進水水深H=hT-=1.85m，臨界斷面過水面積Ak=Qvk=2.286m2，涵前總水頭按下式求解H0=hk+vk22g2=2.115m涵前水深H=H0.87=2.126m，=0.96，=0.85，此時計算出的過涵流量為：Q=Ak2gH0-hk=7.681m3/s該計算值與已知條件Qs=8m3/s誤差為3.99%，沒有超過5%，所示計算結(jié)果有一定的代表性，涵洞孔徑照下式計算求解：Bd=Qs1.58H1.5=1.633m所以這里可以選用2.00m的標準孔徑。詳細計算參數(shù)匯總于下表：詳細計算參數(shù)匯總表0.960.85過水流量Qs8m3/s臨