ch4-2橋孔水力計算+孔徑設(shè)計

1、2022/7/231 學時：24（hrs.）； 時間：2019.2.25-2019.5.14 教師： 齊梅蘭 橋 渡 設(shè) 計Bridge Hydraulics2022/7/2324.1 設(shè)計洪水4.2 橋孔布設(shè)4.3 橋梁孔徑與水力計算孔徑設(shè)計Ch.4 橋渡設(shè)計2022/7/234.3.1 河流基本水力學參數(shù) (無橋) Ch.44.3.2 橋址河段水力計算34.3 橋梁孔徑與水力計算4.3.3 孔徑設(shè)計計算2022/7/234.3.1 河流基本水力學參數(shù) (無橋)（1）過流斷面：由自由水面與濕周包圍的區(qū)域面積計算可用分、總計算法，用垂線劃分斷面。復式斷面應區(qū)分主槽過流和灘地過流。已知:河槽幾何

2、形狀 (測量各點河床高程及其橫向位置獲得)、水位線圖 4.8 過流斷面42022/7/232）斷面平均流速、水深斷面平均流速v ：已知流量、水位、河槽形狀引入謝才公式、已知河道縱坡單一斷面：按上式計算復式斷面：劃分主槽、灘地，分別按上式計算(4-1)(4-2)54.3.1 河流基本水力學參數(shù) (無橋)上式中: hi = 第i條垂線的水深各垂線平均流速v ：斷面平均水深 h ：水面寬度過流斷面面積2022/7/23復式斷面v ，h 計算圖64.3.1 河流基本水力學參數(shù) (無橋)2022/7/23面積計算表74.3.1 河流基本水力學參數(shù) (無橋)2022/7/23Uc 、 Ut計算步驟：將斷面

3、河床高程和水位均繪于同一圖中 劃分主槽與灘地求主槽平均水深： hc=Ac/Bc求灘地平均水深： ht=At/Bt求主槽平均流速： 求灘地平均流速： 84.3.1 河流基本水力學參數(shù) (無橋)2022/7/23全斷面平均流速 v 計算：求主槽平均流速： 求灘地平均流速： 求主槽流量：Qc= Uc Ac求灘地流量： Qt= Ut At 求全斷面流量：Q= Qt + Qc 求全斷面平均流速：U= Q/A94.3.1 河流基本水力學參數(shù) (無橋)2022/7/23橋址河段水流圖：平面：上游收縮段 橋址被壓縮 下游擴散段縱面：上游壅高， 橋址收縮， 下游復原4.3.2 橋址河段水力計算 10（1）水力現(xiàn)

4、象縱斷面擴散恢復收縮下降壅水2022/7/2311平面收縮段和擴散段長度；垂向水面壅高和降低幅度橋孔的壓縮程度、洪水大小影響水流的以下變化：4.3.2 橋址河段水力計算 2022/7/2312足夠大1倍橋孔長上游影響區(qū)外LuLdLc下游影響區(qū)外4Lc收縮、擴散段長度？收縮段4.3.2 橋址河段水力計算 2022/7/2313上游： 因水流受到橋結(jié)構(gòu)物阻礙，動能減小，而勢能（壓能）增大，表現(xiàn)為水位升高，稱為壅水。橋下： 因橋孔壓縮了過流斷面面積，流速增大，動能增大，而勢能減小，表現(xiàn)為水位降低。下游： 因水流出橋孔后，過流寬度（面積）增大，而流速減小，動能減小，而勢能增大，表現(xiàn)為水位升高，恢復至天

5、然水位。4.3.2 橋址河段水力計算 2022/7/232022/7/23144.3.2 橋址河段水力計算 （2）橋下斷面水深 hq、流速 vq橋下橫斷面橋址河段縱斷面1） hq近似按無橋時的均勻流水深 h0考慮，即hq h02）面積 AqAq = (B0-Bb) h0B0B0: 無橋時斷面寬度； Bb: 橋、臺阻水總寬度。3） Uq= Q / Aq 2022/7/2315壅水計算原理：符合流體力學的連續(xù)原理、運動及能量方程。一維、恒定流連續(xù)方程：能量方程：4.3.2 橋址河段水力計算 （3）橋上游壅水高度2022/7/232022/7/23164.3.2 橋址河段水力計算 （3）橋上游壅水高

6、度橋址河段縱斷面建橋后水面線無橋水面線建橋后升高的水位與天然時水位之差稱為壅水高度。其中差值最大的稱為最大壅水高度，記為Z。2022/7/231）壅水斷面水深、流速取斷面 （上游）、 （橋孔下游，圖中）能量方程：連續(xù)方程：(4-3)4.3.2 橋下水力計算2022/7/2317橋下橫斷面縱斷面擴散恢復收縮下降壅水2022/7/23測管水頭擴大損失(4-7)18最大壅水高：4.3.2 橋址河段水力計算 收縮損失2022/7/23將能量損失比率及動能壓縮系數(shù)等影響合并為一個系數(shù)，則有壓縮系數(shù) 天然斷面平均流速橋下斷面平均流速經(jīng)驗公式 1：(4-8)194.3.2 橋址河段水力計算 2022/7/2

7、3表4-4 壅水系數(shù) 取值204.3.2 橋址河段水力計算 河段特征阻擋流量/設(shè)計流量（%）壓縮系數(shù)河灘很小的山區(qū)河流10 0.05河灘較小的半山區(qū)河流11300.07河灘中等的平原河流31500.10河灘較大的低洼區(qū)河流500.152022/7/23橋下斷面水面壅高值(Zq)可近似計為(4-11)21254.3.2 橋址河段水力計算 2022/7/23224.3.3 孔徑設(shè)計計算 橋高：以梁底高程 Zb 表示。（1）孔徑橋孔長度（簡稱橋長）和高度?？紤]設(shè)計洪水、設(shè)橋后的水流變化、河床變化。橋長：設(shè)計水位時兩端橋臺前緣間距離。橋長軌底橋墩低水位高水位設(shè)計水位橋臺2022/7/23安全凈空指高出

8、設(shè)計水位+h 的最小空間高度（規(guī)范）。梁底高程 = 設(shè)計水位 + 橋下凈空= 安全凈空+ h（2）橋下凈空234.3.3 孔徑設(shè)計計算 軌底橋墩低水位高水位設(shè)計水位橋臺2022/7/23（3）梁底高程 Zb (4-12)還需注意：流冰、通航河流的最小凈跨和凈空要求244.3.3 孔徑設(shè)計計算 設(shè)計水位表4-5 凈空安全值橋梁底設(shè)計洪水凈空值(m)校核洪水凈空值(m)一般情況0.500.25有漂流物 1.501.00有泥石流1.00 -2022/7/23h 水位超高（4）254.3.3 孔徑設(shè)計計算 = 壅水高度+波浪爬高+彎道水面超高等。壅水高度 如前2022/7/23264.3.3 孔徑設(shè)計

9、計算 波浪高水面波浪高、路堤邊坡波浪爬高： 與浪程、風速、平均水深有關(guān)。確定方法：調(diào)查、試驗或經(jīng)驗公式計算。2022/7/23彎道橫向環(huán)流凸岸凹岸hy凸凹xzzy1JzhP1P2FT彎道平面彎道中水柱受力R凹岸凸岸橫向流速垂線分布彎道水面超高寫出隔離體的橫向受力平衡矢量方程：274.3.3 孔徑設(shè)計計算 2022/7/23zy1JzhP1P2FT彎道中水柱受力離心力為： (4-14) (4-13) (4-16) (4-15)將（4-14）-（4-16）代入（4-13），忽略橫比降的二次小量，得： (4-17)284.3.3 孔徑設(shè)計計算 2022/7/23h 近似計算式：彎道水面寬彎道曲率半徑

10、 (4-19)294.3.3 孔徑設(shè)計計算 兩岸水位差h： (4-18)2022/7/23橋長的確定受以下影響： 1）河床沖刷、 2）壅水、 3）河流穩(wěn)定控制。凈孔徑（橋長）Lj ：不含橋臺間各阻水墩寬；毛孔徑（橋長）L： 含橋臺間各阻水墩寬 。墩迎水面寬（5）橋長304.3.3 孔徑設(shè)計計算 2022/7/231）受沖刷控制設(shè)：無橋設(shè)計洪水時過流斷面面積 A0, 建橋后的過流斷面面積 Aq定義：沖刷系數(shù)P: P = A0 / Aq聯(lián)合連續(xù)方程求解，可得橋下流速vq(4-20)橋孔凈長(橋下過水寬) : Lj = Aq / hq(4-21)河型P山區(qū)峽谷段開闊段1.0-1.21.1-1.4山前

11、穩(wěn)定段變遷段1.2-1.41.2-1.8平原1.1-1.4314.3.3 孔徑設(shè)計計算 表4-6 沖刷系數(shù)值2022/7/232）受壅水控制橋前壅水最大高度Z(4-22)Z 允許值根據(jù)防洪要求、橋梁高度等確定。隱含于關(guān)系式：(4-23)324.3.3 孔徑設(shè)計計算 2022/7/233）受河流穩(wěn)定性控制經(jīng)驗式：有明顯河槽(4-26)如西北、華北游蕩河槽洪水頻率系數(shù)下標C表示河槽，P 表示設(shè)計分析河流橫向演變趨勢、經(jīng)驗公式，等.334.3.3 孔徑設(shè)計計算 (4-25)2022/7/233）受河流穩(wěn)定性控制344.3.3 孔徑設(shè)計計算 河段類別 K n穩(wěn)定 0.84 0.90次穩(wěn)定 0.95 0

12、.87不穩(wěn)定 0.69 1.59表4-7 式（4-25）系數(shù)和指數(shù) break2022/7/23本 講 重 點1) 橋址河段水力學特征；2） 水力學變量計算的基本原理和方法；3） 橋孔長度、控制因素、相關(guān)計算4） 橋孔高度設(shè)計考慮的因素、凈空安全值取值條件、水面超高分類5） 基本概念：橋長定義、沖刷系數(shù)、壅水354.3.3 孔徑設(shè)計計算 2022/7/231 思考題（1）橋渡設(shè)計洪水標準的表示方法?（2）設(shè)計洪水由哪兩因素表示?（3）設(shè)計洪水與校核洪水的區(qū)別?（4）洪水重現(xiàn)期的單位？（5）洪水頻率分析中的洪水樣本如何選??？（6）橋孔布設(shè)的內(nèi)容及其與河流演變的關(guān)系？（7）橋位河段水流變化特征及其

13、原因？（分橋上游、橋下和橋下游）36第四次 思考題+ 作業(yè)習題（解答題）2022/7/232 解答題(交作業(yè))（1）某橋設(shè)計洪水標準為P=1%，建成于2010年，請問該橋何時將遇設(shè)計洪水？為什么？（2）某鐵路跨河橋的橋位位于曲率半徑R為1000m的平原河灣附近，河流上無漂浮物、泥石流和通航需求。前期水文勘測得出的橋軸線河槽橫斷面如圖1所示，河床縱比降為0.02%，主槽糙率0.02，河灘糙率0.025，橋下河床為中值粒徑為2mm的中等密實覆蓋層。已知該橋的設(shè)計洪水位為157.8m，在預可行性研究階段，設(shè)計人員初步擬定該橋采用532m等跨簡支梁橋形式，橋墩寬度為2.5m，橋軸線與水流正交，梁底高程159.0m。請回答以下問題：3