橋涵水文計算基本方法課件

橋涵水文計算前言橋涵水文是公路、鐵路、市政工程中橋梁、路基設計、建設的決定性因素之一，也是衡量橋梁、路基是否符合相應的行業(yè)標準的最基本標準。更為重要是它事關洪災區(qū)人民的生命和財產(chǎn)的安全，是災區(qū)人民群眾逃生和搶險時有限的幾條通道之一。由此可見橋涵水文在橋梁、路基設計、建設中是極其重要的工作項目。橋涵水文與本行業(yè)其它專業(yè)有所不同，橋涵水文調查、分析、計算本身并無精度指標要求，特別強調的是將通過各種途徑和方法得到的計算結果進行比較、論證后確定最終設計流量，使其更接近實際，更趨于合理。本次著重于橋涵水文分析、計算的基本方法和途徑。以上內容是橋涵水文工作主要工作內容，但重中之重是設計流量的推算。至于橋長、沖刷、調治構造物、橋面標高計算相比之下要簡單得多，因此，本次的重點放在設計流量的推算、外業(yè)調查、勘測的主要過程以及內業(yè)工作的主要內容和步驟。本次培訓著重于以下內容：一般情況水文分析計算橋孔長度和橋孔布設橋涵水文設計注意幾點問題及探討第一節(jié)水文勘測分析計算基本途徑

橋涵水文計算、分析基本途徑如下：

1、有水文觀測資料————水文統(tǒng)計法

2、無水文觀測資料——---形態(tài)斷面法

3、無水文觀測資料（無居民)—經(jīng)驗公式法有水文系列觀測資料時水文統(tǒng)計法（1）資料搜集和準備了解橋梁所處的位置和所屬河流、水系，勾繪匯水面積。收集與本橋位相關的水文、氣象資料。1）水文站的多年連續(xù)或不連續(xù)流量系列。2）水位站的多年連續(xù)或不連續(xù)水位系列。3）水文站多年使用的基本水文參數(shù)，如：糙率、比降、流速。4）橋位上游是否有水壩，若有，其設計、較核頻率各是多少、與橋梁設計同頻率的放流情況如何。5）橋位附近是否有與已知水文站相關的其它水文站。該水文站的水文系列如何。6）調查、搜集歷史洪水情況（年份、流量、水位）。7）收集所處地區(qū)的有關風、雨、流冰、氣溫等氣象資料。序號年代流量xK1K12K1′K1′2流量yK2K22K1′K2119504730.320.10（396）（0.39）（0.15）25161704.2017.64（3985）（3.86）（15.13）35210000.680.46（728）（0.71）（0.50）45330302.064.24（2007）（1.96）（3.84）5549160.630.40（675）（0.66）（0.44）65521601.472.16（1459）（1.42）（2.02）75616601.131.28（1144）（1.12）（1.25）8573930.270.07（346）（0.34）（0.12）95839152.677.12（2564）（2.50）（6.25）10592130.150.02（232）（0.23）（0.05）11603370.230.050.310.10295（0.29）（0.08）0.12126118451.261.581.692.861276（1.24）（1.54）2.7413628400.570.320.770.59622（0.61）（0.37）0.6114635600.380.140.510.26440（0.43）（0.18）0.29156417601.201.441.622.621000（0.98）（0.96）2.06166520731.411.991.903.611400（1.37）（1.88）3.3817663400.230.050.310.10275（0.27）（0.07）0.11186715201.041.081.391.93813（0.79）（0.62）1.43196819201.311.721.763.101610（1.57）（2.46）3.59206911300.770.591.041.08965（0.94）（0.88）1.2821708400.570.320.770.59618（0.60）（0.36）0.61227110900.740.551.001.00814（0.79）（0.62）1.0423724070.280.080.37.014350（0.34）（0.12）0.1624736300.430.190.580.34529（0.52）（0.27）0.39∑352222443.5914.0218.321100713.9917.6617.81水文系列回歸分析計算表回歸分析方程式：

Y-Y=gsy/sx(X-X)

兩系列近14年平均流量：Y＝786，X＝1092

經(jīng)計算得:

均方差:sy=416sx=629

相關系數(shù)g=0.96

相關系數(shù)機誤Eg＝±0.014判斷相關程度：

4Eg=4×0.014＝0.056g＝0.96﹥4Eg相關良好根據(jù)以上回歸分析方程式及相應各參數(shù)得到以下方程式：

Y－786＝0.96×416／629×（X－1092）整理得:Y=0.63X+98.04(本題為直線相關）其中自變量X為參證站（流量x）系列流量;y為分析站（流量y）系列流量。上表括號內（流量y）為插補后分析站流量y的系列流量,插補延長所得資料不宜用于第三站，可能引起較大誤差。

方程：Y=0.63x+98.04**

************

****400800120016002000240028003200360040004400

50010001500200025003000350040004500500055006000相關分析方程圖像參證站流量分析站流量Q=f(Q′)。。。。。。。?！?。。。H=f(H′)×。。。×。。?！痢?。。××。。。?！?。。?！痢?。。?！痢?。×水位、流量關系曲線分析站流量和水位參證站流量和水位Q′H′QHQ=f(H′)示例2,水位、流量關系曲線法示例：水位、流量關系曲線法就是利用兩系列的水位、流量對應關系曲線,直接對分析站系列流量進行插補和延長，如下圖：3、歷史洪水情況的調查、考證和排序（1）歷史洪水的調查與流量計算（與形態(tài)斷面法相同）

1）調查河段的選擇原則最好靠近所選斷面附近選擇有居民、易于指認洪痕的河段所選河段順直，斷面規(guī)整，基線與橋位間無支流匯入

2）洪水發(fā)生年份的調查及方法聯(lián)系歷史以便確認記憶引導群眾以民間事件為突破點恢復當年的記憶由民諺、刻字、碑文、報刊、歷史文獻、日記查得

3)指認并確定洪痕4、歷史洪水分析

1）洪水大、小的判斷。其方法主要如下：根據(jù)洪水淹沒深度來判斷根據(jù)建筑物破壞程度來判斷從詩文、敘事來判斷根據(jù)受災范圍、河流決口、漫溢的上下游位置來判斷

6、場次洪水次序和所處期限

期限時間最大流量實測期

36年(1935--1974)29700m3/s

調查期

108年(1974—1867）36000m3/s（1867年）

31000m3/s（1921年）

29700m3/s（1974年）

考證期

574年(1974－1400）43000m3/s（1583年）其中：與1867年大小相當?shù)暮樗€發(fā)生過5次，分別為：1416、1583、1693、1770、1852年，能夠確定大于1867年洪水的有3次。相當于1921年的洪水除上述6次以外尚有：1472、1706、1724年3次。

第二節(jié)有水文系列設計流量計算方法例：某橋位附近有水文站，能搜集到20年連續(xù)的流量觀測資料，通過洪水文獻考證知，從1784年至1982年期間，曾有8年發(fā)生過較大洪水。其中：1880年、1948年和1955年能調查到歷史洪水位，可推算得洪水流量；1975年在實測期內，有實測資料；其余4年未能獲得流量資料，只知1784年洪水大于1880年，另3年洪水均小于1948年，試求洪水流量Q1%。

關鍵詞：考證期、調查期、實測期、經(jīng)驗頻率、經(jīng)驗頻率曲線、理論頻率曲線重點參數(shù)和公式：Q、CV、CS、PⅢ

曲線和公式

QP%

=Q(1+ФPCV)解：經(jīng)驗頻率分析方法：第一種方法：可分為3個獨立系列：考證期（1784年～1982年）N2為199年，1784年洪水頻率為：P＝1/(N+1)=1/200=0.5%。調查期（1880年～1982年）N1為103年，包括1880年、1948年、1955年和1975年（在實測期內）4個特大值。頻率分別為：P=M/(103+1),M取1、2、3、4實測期（1963年～1982年）n為20年，頻率為：P=m/(n+1),m取1、2、3、……20，其中1975年為特大洪水，則L=1。第二種方法：在考證期內199年中各流量統(tǒng)一排位：實測系列外特大值經(jīng)驗頻率：P＝M/(N+1)（1）實測系列內其它項經(jīng)驗頻率：Pm=P+(1-P)×(m-L)/(n-L+1)

（2）考證期：N＝199年，,M=1,1784年的流量,

調查期:n=103年，a1＝4，包括1880年、1948年、1955年和1975年的特大洪水。L1＝1，即1975年洪水。實測期：n=20年，包括特大值1975年流量，應在調查期內按特大值排位。水文站觀測資料只有20年，年限較短，代表性不強，采用第二種方法的計算結果。

(用公式（2）計算）

19551975194818801784a2=1a1=41963實測期n=20調查期N1=103考證期N2=199L=1按年份順序排列按流量大小排列經(jīng)驗頻率P（％）經(jīng)驗頻率

P（％）方法二經(jīng)驗頻率

P（％）采用值年份流量(m3/s)年份流量(m3/s)方法一1784>38001784>38000.500.500.518803800188038001.000.961.001.019483350195535501.921.962.019553350197534702.884.762.922.919632570194833503.853.883.919643025196430259.528.698.7196517501970280514.2913.4913.5196616001963257019.0518.3018.3196714901968227023.8123.1023.1196822701974196028.5727.9127.9196912801979184033.3332.7232.7197028501965175038.1037.5237.5經(jīng)驗頻率計算表3.88+（100-3.88）*（2-1）/(20-1+1)1+（100-1）*（2-1）/(103-1+1)197116801972171042.8642.3342.3197217101971168047.6247.1347.1197315801966160052.3851.9451.9197419601973158057.1456.7556.7197534701978155061.9061.5561.6197611001981151066.6766.3666.4197713101967149071.4371.1671.2197815501982146076.1975.9776.0197918401977131080.9580.8780.819808401969128085.7185.5885.6198115101976110090.4890.9390.419821460198084095.2495.1995.2點繪經(jīng)驗頻率曲線：將經(jīng)驗頻率點群點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。適線中重點參數(shù)的求算：應用3點適線法確定統(tǒng)計參數(shù)Q、CV和CS。在經(jīng)驗頻率曲線上讀P5%,P50%,P95%所對應的流量得

Q5%=3210m3/s(Q1)、Q50%=1750m3/s(Q2)、Q95%=970m3/s(Q3)

公式：S＝(Q1+Q3-2Q2)/(Q1-Q3）

S＝（3120＋970－2×1750）/（3120－970）＝0.274

查表得：CS＝0.99，并知，當CS＝0.99時，P1＝5%,Ф1=1.88P2=50%,Ф2=-0.16,P3=95%,Ф3=-1.32

公式：Q=(Q3×Ф1

－Q1×Ф3）/（Ф1

－Ф3）＝[970×1.88－3120×（－1.32）]/[1.88－（－.32）]

＝1857m3/s

公式：CV

＝（Q1－Q3）/(Q3×Ф1－Q1×Ф3）＝0.36

將各頻率P%和對應的流量QP%點繪于海森幾率格紙上，檢測理論曲線和經(jīng)驗曲線的符合狀況，若符合很好，則該理論曲線即為所求，否則調整CV值后重復以上過程重新適線，直至兩線符合很好為止，再利用最終的理論曲線參數(shù)再推求設計流量。推求設計流量：利用PⅢ曲線公式并查各表得設計頻率Ф1％,計算可得設計流量Q1％,即：Q1％＝Q(1+Ф1％CV)=3863m3/s

經(jīng)驗頻率計算及經(jīng)驗頻率曲線、理論頻率曲線見下圖．

．經(jīng)驗頻率曲線理論頻率曲線．．．．1000

200030004000

5000600070008000

1510203040506070809095100(%)..............洪水（水面）比降的調查和測量：1)洪水比降是指沿河流某岸調查同一場次洪水所得到的多個洪水位點，再通過測量（方法同洪水位測量）得到各點標高，將其投影至中泓軸線上，點繪在坐標紙上（縱：洪水點標高，橫：軸線上各點投影距離）再計算確定洪水比降i值。2）現(xiàn)有河流水面比降的測量方法：①沿現(xiàn)有河流水面按《水文勘測規(guī)范》有關規(guī)定，在橋位上、下游事先布點，各點一人，每人一個木樁。先將木樁打入土中但不能打到與水面平。②看信號，所有人同時將木樁打至樁頂與水面平齊。③測量各樁頂標高、點繪各點、推求水面比降，用以代替洪水比降。被調查人年齡職業(yè)居住地其它被調查人胡車60

放羊官巴離村

胡優(yōu)記述：我是當?shù)厣?，今?0歲，一直生活在這里。我記得我21歲那年蛤蟆河發(fā)大水，水很大，我很害怕，水面在這兒也到我腰這麼深（就地量測：1.1米），我記得那年老王家狗剩取的媳婦，但大水兩天就退了。這場水還不是最大的，我48歲那年水更大，大水到我家房檐了，全村的人都跑后山上去了，我可以領你們到河邊的山坡再看，這里水深有1.3米。我一生就遇上這兩場大洪水，但我聽老一輩人說民國初還發(fā)生過一場洪水，聽它們講的情景要比這兩次洪水大得多，聽說那次洪水后這個村子房子全沒了，人也死了200多。證明人：它說后兩次的我也經(jīng)歷了，民國初還發(fā)生過的那場洪水我聽說也是這樣。結論：被調查人記憶清晰，且有其它事實佐證，旁證也證實事實準確。調查人

張三

證明人

李四洪水調查表洪水編號：洪1調查時間：99.6.5河灘m1河灘m3邊灘m2邊灘m2主槽m1按水面比降從洪水點推算至基線斷面處的調查洪水位。。。。洪4洪3洪2洪1樁號河底標高洪水點在中泓線間距各洪水位標高水面比降計算圖某洪水位在基線處狀況m為糙率系數(shù)

設計流量、設計水位的推求：有水文系列設計流量的推求方法是用觀測資料直接推求系列平均流量Q和參數(shù)Cv，然后再利用PⅢ公式推求設計流量QP%。。無水文系列時利用形態(tài)斷面法推求設計流量。形態(tài)斷面法：1）將測得各洪水位推算至已測的形態(tài)斷面內，推求對應頻率（P%)下的流量QP%2）根據(jù)已知頻率查表得ΦP%值，并根據(jù)橋梁所在區(qū)域查閱有關資料得到Cv值，根據(jù)PⅢ公式QP%=Q(1+ΦP%

Cv)反求平均流量Q。3）查表得Q1%對應Φ1%值，根據(jù)已求得的平均流量Q值再通過PⅢ公式Q1%=Q(1+Φ1%

Cv)即可得到設計流量Q1%。4）將通過以上計算所得的每個流量（含經(jīng)驗公式法結果）一并通過論證確定最終設計流量5）將設計流量Q1%放在形態(tài)斷面內得到了形態(tài)斷面處水位H′1%

6）將形態(tài)斷面處水位H′1%

通過洪水水面比降推算至橋位處的設計水位H1%

形態(tài)斷面法推求設計流量工作流程：

重點工作步驟：1）調查得到形態(tài)斷面處某年洪水位H′，并確定該年洪水頻率P，測得洪水水面比降I2）將該洪水位H′通過洪水比降I推算至形態(tài)斷面處，得到形態(tài)斷面處洪水位H1H1＝H′±I×L，其余流程如下：已知形態(tài)斷面處H1（對應）P

根據(jù)河床面選擇灘、槽糙率系數(shù)M根據(jù)形態(tài)斷面上計算該H1、糙率系數(shù)M利用水利學原理計算P對應流量QP根據(jù)已求得的流量QP、區(qū)域CV用PⅢ公式反算平均流量Q根據(jù)平均流量Q、查表得Ф1％再根據(jù)PⅢ公式推求Q1%將Q1%重置于形態(tài)斷面上，并計算該流量對應的水位H，將該H推算至橋位處得HQ第四節(jié)全國水文分區(qū)流量公式(無觀測資料）

第五節(jié)徑流公式(無觀測資料）小流域面積無觀測資料，設計流量可采用徑流公式計算。

第二章橋孔長度和橋孔布設橋孔長度的確定概念1）橋孔長度：沿著設計水位的水面線，兩橋臺前緣的水面長度2）橋孔凈長：橋孔長度扣除橋墩寬度后的長度橋孔長度的計算及適用條件1）河槽寬度公式：

Lj=Kq×Bc×(QP/QC)

適用條件：開口、順直微彎段及灘、槽可分的不穩(wěn)定河段重點參數(shù)：河槽寬度Bc2）單寬流量公式：Lj=QP/(qc×β)其中：qc＝QC/BC適用條件：寬灘河段重點參數(shù)：河槽平均單寬流量qc（m3/s.m)3）基本河寬公式Lj=

CP×B0適用條件：灘、槽難分的不穩(wěn)定河段重點參數(shù)：B0－－基本河槽寬度（公式計算）n3參考方法---供需面積法：（1）所需過水面積SX為SX=QP/(μ×VP)

其中：

VP

設計流速，依河槽情況而定，一般取河槽平均流速。

μ水流壓縮系數(shù)（2）橋下供給面積SG根據(jù)計算所需橋長在順樁斷面上兩橋臺所截取的累計面積差而得：SG＝S2－S1。（3）沖刷系數(shù)：

P=SX/SG

SX

－沖刷終止時橋下需要過水面積

SG－沖刷前橋下提供過水面積該沖刷系數(shù)一般在1.2～1.4之間（4）橋位的布設①橋下供給面積SG

應該扣除錐坡、橋墩所占的過水面積。②橋位的具體布設應根據(jù)河槽的灘、槽具體分布情況據(jù)實布設，最后得到最終橋位，同時獲得最終橋下下供給面積SG

。

過水面積累計曲線橋孔布設高程累計面積S2S1供給面積SG=S2－S1樁號設計水位供需面積法橋孔布設S=f(L)河槽L1L2橋長＝L2-L1橋面設計高程的確定無通航河流橋面設計高程的確定Hmin=Hs+∑△h+△hj+△h0

其中：Hs：為設計水位∑△h：為考慮壅水、浪高等因素

△hj：為橋下凈空安全值△h0：為橋梁上部結構建筑高度1）在計算浪高時風玫瑰圖的使用：

NW橋位浪程LNEWSNWSENESW風玫瑰圖θθ≤22.5°河流風向（最大）SE說明：A、應使用橋位所在風區(qū)的風玫瑰圖。

B、應使用橋位所在風區(qū)的汛期風玫瑰圖。

2）浪高、壅高、波浪侵襲高度示意圖

其中：△Z′計算得，△Z可取△Z′/2

h1h1浪高h2h2波浪侵襲高度靜水面橋前最大壅水高△Z′橋位橋下壅水高△Z水面曲線河岸或河堤實際水面說明：

△Z一般取0.5△Z′，但山區(qū)半山區(qū)可以取△Z′通航河流橋面設計高程的確定

Hmin=Htn+Hm+△h0式中：Htn設計最高通航水位

Hm通航凈空高度說明：橋面設計高程除滿足通航要求外，尚應滿足泄洪要求。橋面設計高程取兩者大值。墩、臺沖刷計算橋下一般沖刷計算《勘規(guī)》法1）非粘性土河床橋下一般沖刷計算后的最大水深Hmax

（1）河槽部分①64－2簡化式（輸砂平衡原理）②64－1修正式(動力平衡流速、沖止流速原理）（2）河灘部分2）粘性土河床橋下一般沖刷計算Hmax

（1）河槽部分（2）河灘部分墩、臺局部沖刷計算(局部沖刷坑深度Hb)1）非粘性土河床橋墩局部沖刷計算——《勘規(guī)》法①65—2式②65—1修正式2）粘性土河床橋墩局部沖刷計算——《勘規(guī)》法注意：1）在進行橋下局部沖刷計算時，各計算式中的一般沖刷后墩前行近流速，應根據(jù)計算一般沖刷所采用的公式的形成原理（輸砂平衡原理：動力平衡流速、沖止流速原理等），選用對應的墩前行近流速計算公式。2）要分清河床土質（粘性、非粘性土）、計算部位（河槽、河灘）。3）總沖刷深度應包括河床自然演變沖刷、一般沖刷和局部沖刷。橋臺最大沖刷深度（目前尚不成熟），可參照公路橋涵設計手冊橋位設計》一書計算。－－《