橋涵水文計算的主要內(nèi)容與方法

1、 .PAGE8 / NUMPAGES8橋涵水文計算的主要容與方法任魯杰 （新紀(jì)元公路設(shè)計XX公司 烏魯木齊 830000）摘要：橋涵水文計算是橋涵設(shè)計的前期的基本工作，結(jié)構(gòu)設(shè)計的許多參數(shù)都需要建立在水文計算論證的基礎(chǔ)上。水文計算的方法很多，但都具有局限性，本文結(jié)合實際工作經(jīng)驗，就地區(qū)常用的水文計算的容與方法提出自己的一些見解。關(guān)鍵詞：橋涵；水文計算；設(shè)計流量；沖刷中圖分類號：U442.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B1 前言橋涵水文計算是橋梁設(shè)計的主要工作之一，是橋梁設(shè)計的依據(jù)。它是在實地調(diào)查和勘測的基礎(chǔ)上，運用歷年水文資料與水力學(xué)公式計算出設(shè)計洪水位和設(shè)計流量，以此推算橋梁孔徑、墩臺基礎(chǔ)埋置深度、橋面設(shè)計

2、高程等。橋涵的設(shè)計人員只有了解水文計算整個過程，才能詳細(xì)、準(zhǔn)確的進(jìn)行水文計算。水文計算有一個較復(fù)雜的計算過程，首先是收集外業(yè)資料，如河流的分布區(qū)域、河流所屬地區(qū)氣候、降雨和洪水情況與河流的源頭到橋位處得匯水面積以與流域間的蒸發(fā)量、主河道的長度、橋軸處得形態(tài)斷面、水文斷面、河床比降、橋位處河道地質(zhì)狀況等等，然后利用水文統(tǒng)計法、全國水文分區(qū)公式、地區(qū)經(jīng)驗公式、形態(tài)斷面法等方法計算出河流流量，進(jìn)行流量分析確定出設(shè)計流量，利用橋位處形態(tài)斷面反求水位，進(jìn)一步推算設(shè)計水位與橋梁設(shè)計標(biāo)高，并通過過水寬度確定橋長，最后進(jìn)行沖刷計算，對橋梁墩臺基礎(chǔ)的埋置深度進(jìn)行控制。2 設(shè)計流量計算分析方法水文統(tǒng)計法水文統(tǒng)計法

3、適用于大型橋涵項目，要求項目所在流域有水文觀測站，可以調(diào)查到歷年流量、水位與歷史洪峰的資料，通過調(diào)查、考證等方法對水文資料進(jìn)行插補和延長，將經(jīng)過數(shù)理統(tǒng)計過的流量資料進(jìn)行經(jīng)驗頻率分析，將經(jīng)驗頻率點群繪于海森幾率格紙上，目估通過點群分布中心，并兼顧到特大值作曲線，得到經(jīng)驗頻率曲線，應(yīng)用3點適線法確定統(tǒng)計參數(shù) Q、CV和CS，作理論頻率曲線、適線、推求設(shè)計流量。由于各大流域上水文站建站時間較晚，歷年的觀察資料較少且中小流域設(shè)立的水文站較少，水文統(tǒng)計法在中小橋水文計算中采用的較少，本文不做詳細(xì)介紹。經(jīng)驗公式法在缺乏歷史流量觀測資料的情況下，可根據(jù)全國水文分區(qū)Cv值與流域匯水面積等勘察數(shù)據(jù)，利用全國水文

4、分區(qū)經(jīng)驗公式或地方的流量計算經(jīng)驗公式推算。例如位于G315線的快克提來3號橋，橋位處于沙漠腹地，主要水流為洪水期時的漫流水，歷時時間短，水量較小，但2010年7月發(fā)生很大洪水，漫灘水流在此橋匯集且把橋位處沖成寬112米，深14.5的沖溝。該橋上下游無水文站，無歷史觀測資料，洪水過后橋下斷面下切無法判斷洪水痕跡標(biāo)高。此河流缺乏歷史流量觀測資料，故根據(jù)全國水文分區(qū)經(jīng)驗公式推算設(shè)計流量。由分區(qū)平均流量公式、分區(qū)和計算。以上各參數(shù)查高冬光主編的公路橋涵設(shè)計手冊橋位設(shè)計(表3-3-3 P型曲線值表)、(圖3-5-1 公路大中橋流量經(jīng)驗公式分區(qū))、(表3-5-1 全國水文分區(qū)經(jīng)驗公式表)、(表3-5-2

5、全國水文分區(qū)Cv值表)與(表3-5-3全國水文分區(qū)Cs/Cv值表)，橋梁位于76區(qū)，昆侖山北坡區(qū)。查76區(qū)：C=0.4 n=0.8 Cv=0.75 Cs/Cv=3.5 Q1%/Q2%=1.15 =3.1550.2 m3/s=50.2（1+0.753.15）=168.7 m3/s1.15168.7=194 m3/s由于分區(qū)經(jīng)驗公式要求對各水文參數(shù)以與流域匯流面積把握準(zhǔn)確，故人為因素影響較大，為了提高計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，可利用全國與地方的經(jīng)驗公式分別計算，取一較大值以偏安全。形態(tài)斷面法形態(tài)斷面法是我們?nèi)粘９ぷ髦凶畛Ｓ玫姆椒ǎ嬎闼枰膮?shù)均可以通過現(xiàn)場調(diào)查得到。形態(tài)斷面法計算的準(zhǔn)確與否關(guān)鍵在于以下

6、三點：形態(tài)斷面位置的選擇、歷時洪水位的調(diào)查測量、河床糙率與比降的確定。形態(tài)斷面的選擇要求以下幾點：1）河道順直， 2）灘、槽力求分明， 3）形態(tài)斷面與橋位間無支流匯入，4）河槽中無島與沙洲 ， 5）形態(tài)斷面的位置盡量便于洪水點的指認(rèn)和測量。圖1 形態(tài)斷面法洪水點勘測過程示意圖根據(jù)調(diào)查與測量得到的數(shù)據(jù)繪制形態(tài)斷面圖與河流比降圖如下：圖2 形態(tài)斷面圖圖3 河道比降圖根據(jù)形態(tài)斷面與測量到的歷史最大洪水位標(biāo)高，勾繪并求得最大洪水位下的過水面積與濕周，并根據(jù)河道比降計算圖算出形態(tài)斷面處的河道比降，利用水力學(xué)公式計算出該洪水位下通過的洪水流量。再根據(jù)調(diào)查的洪水頻率換算出我們需要的一定頻率下的設(shè)計流量。例如

7、：Z807線K25+970處察汗托海2號橋，為跨越?jīng)_溝而設(shè)的橋梁。橋位兩側(cè)無居民居住，無水文站，無歷史洪水流量觀測資料，灘槽無明顯分界線。根據(jù)外業(yè)測量形態(tài)斷面如圖4所示，綜合分析河道與邊坡糙率為23，測量計算河道比降i=0.01，現(xiàn)場調(diào)查歷史洪水位標(biāo)高為1997.0m。根據(jù)圖4勾繪出的洪水位下的過水?dāng)嗝婷娣e為7.4m2,濕周12.45m。圖4 察汗托海2號橋形態(tài)斷面圖利用水力學(xué)公式計算如下：水力半徑：R = A/ =7.4/12.45=0.59m式中：R為水力半徑，單位m；A為過水?dāng)嗝婷娣e，單位m2。為濕周,單位m。計算流速：V= mR2/3i1/2 =230.592/30.011/2=1.6

8、m/s式中： m為糙率系數(shù) i為河道比降計算流量：Q=AV=7.41.6=11.8m3/s3 推算設(shè)計水位橋梁標(biāo)高設(shè)計必須要滿足設(shè)計水位要求，設(shè)計水位是根據(jù)擬建橋梁后的形態(tài)斷面以與設(shè)計流量來反推，同樣以察汗托海2號橋為例，建成后橋位處形態(tài)斷面如圖5所示，根據(jù)建成后的形態(tài)斷面不同水深對應(yīng)不同的過水面積與濕周，計算得到對應(yīng)的流量，當(dāng)試算得到的流量設(shè)計流量時對應(yīng)的水位標(biāo)高即為設(shè)計水位，各水力要素計算過程見表1。表1 建成后河床橫斷面水利要素表水深濕周過水面積A水力半徑R流速v流量Q水位H0.57.63.30.43 1.34.29 19970.67.840.51 1.56.00 1997.10.784

9、.60.58 1.67.36 1997.20.88.25.30.65 1.79.01 1997.30.98.460.71 1.810.80 1997.418.66.60.77 1.912.54 1997.5圖5 擬建后斷面圖由表1可見，大于設(shè)計流量11.8的流量所對應(yīng)標(biāo)高為1197.5m，即為設(shè)計水位。4 橋孔長度計算按開闊、順直微彎、分叉、彎曲河段與灘、槽可分的不穩(wěn)定河段，根據(jù)公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)JTG C30-2002 公式（6.2.1-1）計算：式中：Lj橋孔最小凈長度（m）；Qp設(shè)計流量（m3/s）；Qc河槽流量（m3/s）；Bc河槽寬度（m）；Kq、n3系數(shù)和指數(shù)。查公路工程水文勘

10、測設(shè)計規(guī)JTG C302002表6.2.1，確定Kq與n3代入上式即可。橋孔長度的計算值還需與實地情況相比較，橋孔長度計算只是滿足設(shè)計流量下需要的過水寬度，而具體項目有可能是為跨越溝谷或路線而設(shè)，這種情況下就要根據(jù)實地勘察的情況來設(shè)置橋梁的跨徑了。5 推算設(shè)計橋面高程境的河流基本為不通航河流，且不考慮流冰對水位影響，按設(shè)計水位計算橋面設(shè)計高程，根據(jù)高冬光主編的公路橋涵設(shè)計手冊橋位設(shè)計相關(guān)公式計算：式中：Hmin橋面最低高程（m）；Hs設(shè)計水位（m）；h 根據(jù)河流具體情況，酌情考慮壅水、浪高、水拱或局部股流壅高（取較大者）、河灣高差諸因素的總和（m）；hj橋下凈空安全值（m）；h0橋梁上部建筑高

11、度（m）；橋前最大壅水高度計算橋前最大壅水高度可按高冬光主編的公路橋涵設(shè)計手冊橋位設(shè)計公式（5-3-10）計算：式中：以上各參數(shù)根據(jù)橋位處地質(zhì)情況等，查高冬光主編的公路橋涵設(shè)計手冊橋位設(shè)計和公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)JTG C302002相關(guān)表格而得。波浪高度計算波浪高度可按高冬光主編的公路橋涵設(shè)計手冊橋位設(shè)計公式（5-3-22）計算：式中：以上各參數(shù)根據(jù)橋位處地質(zhì)情況，河流形態(tài)，最大風(fēng)速等，查高冬光主編的公路橋涵設(shè)計手冊橋位設(shè)計和公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)JTG C302002相關(guān)表格而得。波浪侵襲高度計算波浪侵襲高度按高冬光主編的公路橋涵設(shè)計手冊橋位設(shè)計公式（5-3-28）計算：式中：以上各參數(shù)根

12、據(jù)橋位處地質(zhì)情況，河流形態(tài)，橋頭引道，沿河路堤導(dǎo)流壩等，查高冬光主編的公路橋涵設(shè)計手冊橋位設(shè)計和公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)JTG C302002相關(guān)表格而得。橋下凈空安全值與建筑高度不通航河流橋下凈空安全值可按照高冬光主編的公路橋涵設(shè)計手冊橋位設(shè)計表（5-3-1）選取，橋梁建筑高度為上部結(jié)構(gòu)底面至鋪裝頂面的合計高度。6 沖刷與基礎(chǔ)埋深橋下一般沖刷根據(jù)的普遍地質(zhì)條件，一般為非粘性土河床，且灘槽沒有明顯分界，可根據(jù)公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)JTG C302002公式非粘性土，灘槽一體計算。按642簡化式：式中：按641修正式:式中：以上各參數(shù)查高冬光主編的公路橋涵設(shè)計手冊橋位設(shè)計和公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)J

13、TG C302002相關(guān)表格可得，一般取兩者計算結(jié)果的較大值作為我們的一般沖刷深度，但據(jù)經(jīng)驗表明64-1式對主流擺動較大、集中沖刷嚴(yán)重的游蕩性河段、變遷新河段，計算深度比較合適；對于穩(wěn)定性河段，特別是平原寬灘河段，算出的沖刷深度偏大；對于大顆粒土質(zhì)、淺水河段，計算值偏大。墩臺局部沖刷計算一般沖刷后墩前行近流速按下式計算：按652式：河床泥沙起動流速按下式計算：墩前泥沙起沖流速按下式計算：墩臺局部沖刷根據(jù)公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)JTG C302001非粘性土計算。當(dāng)VV0時，按以下公式計算：當(dāng)VV0時，按以下公式計算：式中：按651修正式：河床泥沙起動流速按下式計算：墩前泥沙起沖流速按下式計算：當(dāng)

14、VV0時，按以下公式計算：當(dāng)VV0時，按以下公式計算：式中：通過對兩種公式的計算結(jié)果比較，一般取較大值作為局部沖刷深度。根據(jù)公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)JTG C302002表7.6.2與7.6.4規(guī)定，確定基礎(chǔ)埋深的最小安全值為2.0m，如果橋臺、橋墩均位于河槽中，墩臺基底標(biāo)高應(yīng)均低于局部沖刷深度以下2m；如果橋臺位于河槽以外，則橋臺只需滿足一般沖刷深度以與凍土深度的要求，橋墩位于河槽中，依然要滿足局部沖刷深度的要求。7 結(jié)論以上容是橋涵水文工作主要工作容，但重中之重是設(shè)計流量的推算。至于橋長、沖刷、橋面標(biāo)高計算相比之下要簡單得多，因此，本次交流的重點放在設(shè)計流量的推算、外業(yè)調(diào)查、勘測的主要過程以

15、與業(yè)工作的主要容和步驟。在進(jìn)行水文計算時還需注意以下幾點：1、橋涵水文與本行業(yè)其它專業(yè)有所不同，橋涵的水文計算有多樣化、復(fù)雜化、區(qū)域化等特性，所以橋涵水文調(diào)查、分析、計算本身并無精度指標(biāo)要求，特別強調(diào)的是將通過各種途徑和方法得到的計算結(jié)果進(jìn)行比較、論證后確定最終設(shè)計流量，使其更接近實際，更趨于合理。 2、水文計算在一些特殊地質(zhì)區(qū)域受限制，例如局部沖刷在南疆部分地區(qū)粉砂地質(zhì)上算出沖刷深度很大，但實際可能不是沖刷，而是經(jīng)過長距離滲流等因素影響導(dǎo)致流速下降，其實際結(jié)果有可能是淤積。所以水文計算時盡可能參考相似地質(zhì)區(qū)域已經(jīng)建成的工程實例。參考文獻(xiàn)：公路工程水文勘測設(shè)計規(guī) JTG C30-2002高冬光.公路橋涵設(shè)計手冊.人民交通，2001年版鐵路設(shè)計手冊（橋涵水文計算）人民鐵道，1960年版葉鎮(zhèn)國.水力學(xué)與橋涵水文.人民交通，2003年版高東光，王亞玲.橋涵水文（第四版）.人民交通,2008年版1. 若不給自己設(shè)限，則 HYPERLINK s:/ duanwenxue /jingdian/ganwu/ 人生中就沒有限制你發(fā)揮的藩籬。2. 若不是心寬似海，哪有人生風(fēng)平浪靜。在紛雜的塵世里，為自己留下一片純靜的心靈空間，不管是潮起潮落，也不管是陰晴圓缺，