橋涵水文大中橋孔徑計(jì)算_第1頁(yè)
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橋涵水文大中橋孔徑計(jì)算第一頁(yè),共五十二頁(yè),編輯于2023年,星期日第6章大中橋孔徑計(jì)算根據(jù)橋位斷面的設(shè)計(jì)流量和設(shè)計(jì)水位,推算需要的橋孔最小長(zhǎng)度和橋面中心最低高程,確定橋孔設(shè)計(jì)方案。計(jì)算依據(jù):建橋前后橋位河段內(nèi)水流和泥沙運(yùn)動(dòng)的客觀規(guī)律。目前孔徑計(jì)算方法,都是建立在某種假設(shè)和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,具有經(jīng)驗(yàn)性,有待改進(jìn)….第二頁(yè),共五十二頁(yè),編輯于2023年,星期日一、橋位河段的水流圖式由于泥沙運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性,在假設(shè)和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上只建立了緩流河段(弗汝德數(shù)Fr<1)的簡(jiǎn)化水流圖式。弗汝德數(shù)(Fr)Froudemumber:流體內(nèi)慣性力與重力的比值。用佛汝德數(shù)來(lái)判別明渠水流的流態(tài):當(dāng)Fr<1,水流為緩流;Fr=1,水流為臨界流;Fr>1,水流為急流。第一節(jié)橋位河段水流圖式和橋孔布設(shè)第三頁(yè),共五十二頁(yè),編輯于2023年,星期日橋孔對(duì)水流的壓縮,從橋位上游相當(dāng)遠(yuǎn)處的斷面①起,水面就開(kāi)始壅高:無(wú)導(dǎo)流堤在橋位上游大約一個(gè)橋孔長(zhǎng)度L處的斷面②達(dá)到最大壅水高度△z。水流接近橋孔時(shí),急劇收縮而呈“漏斗”狀,無(wú)導(dǎo)流堤時(shí)直到橋位下游附近的③’(有導(dǎo)流堤時(shí)則到橋位中線斷面③),水面最窄,流速最大,形成橋位河段的頸口,稱(chēng)為收縮斷面。收縮斷面下游,水流逐漸擴(kuò)散,到斷面④才恢復(fù)天然狀態(tài)。第四頁(yè),共五十二頁(yè),編輯于2023年,星期日第五頁(yè),共五十二頁(yè),編輯于2023年,星期日二、橋孔布置原則①必須保證設(shè)計(jì)洪水以內(nèi)的各級(jí)洪水和泥沙安全通過(guò),并滿足通航、流冰、流木及其他漂浮物安全通過(guò)的要求;②應(yīng)適應(yīng)各類(lèi)河流的特性及演變特點(diǎn),避免河床產(chǎn)生不利變形,且做到經(jīng)濟(jì)合理。各類(lèi)河段的特性及河床演變特點(diǎn)見(jiàn)表6-1-1;③建橋后的橋前壅水,不得對(duì)兩岸河堤、農(nóng)田、村鎮(zhèn)造成威脅,在平原地區(qū)尤為重要,往往以橋前壅水的允許高度作為橋孔長(zhǎng)度的控制因素。第六頁(yè),共五十二頁(yè),編輯于2023年,星期日④應(yīng)考慮橋位上下游已建或擬建的水利工程、航道碼頭和管線等引起的河床演變對(duì)橋孔的影響。⑤橋位河段的天然河道不宜開(kāi)挖或改移。開(kāi)挖、改移河道具有充分的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)論證。⑥跨越河口、海灣及海島之間的橋梁,必須保證在潮汐、海浪、風(fēng)暴潮、海流及海底泥沙運(yùn)動(dòng)等各種海洋水文條件影響下,正常使用和滿足通航要求。第七頁(yè),共五十二頁(yè),編輯于2023年,星期日⑦應(yīng)與天然河流斷面流量分配相適應(yīng)。在穩(wěn)定性河段上,左右河灘橋孔長(zhǎng)度之比應(yīng)近似與左右河灘流量之比相當(dāng),在次穩(wěn)定和不穩(wěn)定河段上,橋孔布設(shè)必須考慮河床變形和流量分布變化趨勢(shì)的影響。橋孔不宜壓縮河槽,可適當(dāng)壓縮河灘。⑧在內(nèi)河通航河段,通航橋孔布設(shè)應(yīng)符合《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》(GB50139-2004)的規(guī)定,并應(yīng)充分考慮河床演變和不同水位所引起的航道變化。通航海輪的橋孔布設(shè)應(yīng)符合《通航海輪橋梁通航標(biāo)準(zhǔn)》(JTJ311--97)規(guī)定。第八頁(yè),共五十二頁(yè),編輯于2023年,星期日⑨應(yīng)按《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTGB01-2003)中規(guī)定,對(duì)跨徑小于或等于50m的橋孔,宜采用標(biāo)準(zhǔn)化跨徑。⑩應(yīng)注意地質(zhì)情況,橋梁的墩臺(tái)基礎(chǔ)避免設(shè)在斷層、溶洞等不良地質(zhì)處。第九頁(yè),共五十二頁(yè),編輯于2023年,星期日三、各類(lèi)河段上橋孔布設(shè)河流受很多因素的影響,一條河流的各個(gè)河段往往具有不同的特征,各個(gè)河段既有共同的性質(zhì),又有不同的特點(diǎn)。根據(jù)河段的穩(wěn)定性和河床的變形特征,把河段分為以下幾類(lèi):峽谷河段、開(kāi)闊河段、變遷河段、沖擊漫流河段、順直微彎河段、彎曲河段、分汊河段、寬灘河段、游蕩河段和抄襲河口河段。見(jiàn)表6-1-2第十頁(yè),共五十二頁(yè),編輯于2023年,星期日河段類(lèi)型的判別,結(jié)合實(shí)際情況,一般在橋位上游不小于3~4倍河床寬度,下游不小于2倍河床寬度的范圍內(nèi),進(jìn)行觀察分析,對(duì)于彎曲的河段,在上游至少要包括一個(gè)河灣。河段穩(wěn)定性及變形程度,可用50年左右的演變過(guò)程,作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。第十一頁(yè),共五十二頁(yè),編輯于2023年,星期日①河源一號(hào)冰川是烏魯木齊河的源頭,位于125公里處的天格爾山中,海拔3860.476米,長(zhǎng)約2,2公里,平均寬500米,面積1.8平方公里。新疆天山一號(hào)冰川四、各類(lèi)河段的形態(tài)和橋梁第十二頁(yè),共五十二頁(yè),編輯于2023年,星期日第十三頁(yè),共五十二頁(yè),編輯于2023年,星期日第十四頁(yè),共五十二頁(yè),編輯于2023年,星期日②上游山區(qū)大峽谷第十五頁(yè),共五十二頁(yè),編輯于2023年,星期日長(zhǎng)江三峽支流干鉤子河第十六頁(yè),共五十二頁(yè),編輯于2023年,星期日③山區(qū)河流開(kāi)闊段第十七頁(yè),共五十二頁(yè),編輯于2023年,星期日④山口沖積扇第十八頁(yè),共五十二頁(yè),編輯于2023年,星期日第十九頁(yè),共五十二頁(yè),編輯于2023年,星期日⑤沖積漫流河段第二十頁(yè),共五十二頁(yè),編輯于2023年,星期日⑥黃土高原河段第二十一頁(yè),共五十二頁(yè),編輯于2023年,星期日⑦山前變遷性河段⑧長(zhǎng)江三加州河網(wǎng)地區(qū)河流⑨潮汐河口河段⑩近岸波第二十二頁(yè),共五十二頁(yè),編輯于2023年,星期日設(shè)計(jì)水位上,兩橋臺(tái)前緣之間的水面寬度,稱(chēng)為橋孔長(zhǎng)度(L),扣除全部橋墩寬度(順橋方向)后,稱(chēng)為橋孔凈長(zhǎng)(Lj)。橋孔長(zhǎng)度的確定,首先應(yīng)滿足排洪和輸沙的要求,保證設(shè)計(jì)洪水及其所挾帶的泥沙從橋下順利通過(guò),并綜合考慮橋孔長(zhǎng)度、橋前壅水和橋下沖刷的相互影響。橋孔長(zhǎng)度的計(jì)算方法:①用橋下過(guò)水面積計(jì)算(沖刷系數(shù)法),②用橋孔凈長(zhǎng)度經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。第二節(jié)橋孔長(zhǎng)度第二十三頁(yè),共五十二頁(yè),編輯于2023年,星期日一、用橋下過(guò)水面積計(jì)算(沖刷系數(shù)法)原理:利用橋位斷面的設(shè)計(jì)流量Qs和設(shè)計(jì)水位Hs,根據(jù)水力學(xué)的連續(xù)性原理(Q=Av)求出橋下順利宣泄設(shè)計(jì)洪水時(shí)所需要的最小過(guò)水面積,用以確定橋孔的最小長(zhǎng)度。沖刷完成過(guò)程:建橋后橋孔壓縮水流,橋下流速增大到一定時(shí),橋下河槽開(kāi)始沖刷,水深增加,橋下過(guò)水面積逐漸擴(kuò)大,流速逐漸下降,沖刷減緩,直到停止。別列柳伯基假定:橋下過(guò)水面積擴(kuò)大到使橋下流速等于天然河槽流速時(shí),橋下沖刷級(jí)停止。第二十四頁(yè),共五十二頁(yè),編輯于2023年,星期日計(jì)算橋孔長(zhǎng)度,通常采用天然河槽平均流速作為設(shè)計(jì)流速,即一般沖刷完成后的橋下平均流速。沖刷系數(shù)法計(jì)算要素:Qs—設(shè)計(jì)流量;Vs—設(shè)計(jì)流速;Ad—沖刷前橋墩所占的橋下過(guò)水面積;Ax—沖刷前墩臺(tái)側(cè)面渦流所占的橋下過(guò)水面積;Ay—沖刷前橋下有效的過(guò)水面積,不包括渦流及橋墩面積;Aj—沖刷前橋下凈水面積,不包括橋墩所占過(guò)水面積,Aj=Ay+Ax;第二十五頁(yè),共五十二頁(yè),編輯于2023年,星期日Aq—沖刷前橋下毛過(guò)水面積,包括有效過(guò)水面積及橋墩和渦流所占過(guò)水面積,Aq=Ay+Ax+Ad=Aj+Ad;μ—因墩臺(tái)側(cè)面渦流阻水而引起的橋下過(guò)水面積折減系數(shù),又稱(chēng)壓縮系數(shù),μ=Ay/Aj;μ=1-0.375Vs/lj(lj為橋墩凈間距)λ—因橋墩阻水引起的橋下過(guò)水面積折減系數(shù),λ=Ad/Aq,一般寬淺河段,可認(rèn)為λ=b/lb為橋墩寬度,l為橋墩中心間距。第二十六頁(yè),共五十二頁(yè),編輯于2023年,星期日沖刷系數(shù)p沖刷后與沖刷前橋下過(guò)水面積之比P=A(沖后)/A(沖前)根據(jù)水力學(xué)連續(xù)性原理有∵Qs=p·Ay·VsAy=μAj∴Aj=Qs/(μ·p·Vs)∵Ad=λAqAj=Aq-Ad=(1-λ)Aq∴第二十七頁(yè),共五十二頁(yè),編輯于2023年,星期日沖刷系數(shù)p表示橋下河槽的沖刷程度,也表示橋孔對(duì)水流的壓縮程度,是橋孔長(zhǎng)度計(jì)算的控制因素。p取值:平原穩(wěn)定性河段水流河床穩(wěn)定,不宜壓縮,p取較小值;山前區(qū)變遷性河段因水流寬淺,多擺動(dòng),p值可取稍大些;平原河段不應(yīng)大于1.2,山前區(qū)變遷性河段不應(yīng)大于1.4。沖刷系數(shù)法適用于細(xì)顆粒、均勻的砂質(zhì)河床、平原穩(wěn)定性河床。第二十八頁(yè),共五十二頁(yè),編輯于2023年,星期日二、用橋孔凈長(zhǎng)度經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算注意事項(xiàng):①由公式計(jì)算的為橋孔最小凈長(zhǎng)度,實(shí)際橋孔長(zhǎng)度為算出最小橋孔凈長(zhǎng)度在加上所有橋墩的寬帶;②計(jì)算所得最小橋孔凈長(zhǎng)度為水流與橋軸正交時(shí)的長(zhǎng)度,如為斜橋,則應(yīng)換算為斜橋軸線方向的長(zhǎng)度。第二十九頁(yè),共五十二頁(yè),編輯于2023年,星期日1、對(duì)于有明顯河槽的各類(lèi)河段Lj—最小橋孔凈長(zhǎng)度;Qs—設(shè)計(jì)洪水流量;Qc—設(shè)計(jì)洪水的河槽流量;Bc—河槽寬度;K、n—反映河床穩(wěn)定性系數(shù)和指數(shù),見(jiàn)表6-2-1.第三十頁(yè),共五十二頁(yè),編輯于2023年,星期日表6-2-1K、n值表河段類(lèi)型Kn開(kāi)闊、順直微彎等穩(wěn)定性河段0.840.9分汊、彎曲、寬灘等次穩(wěn)定性河段0.950.87灘、槽可分的不穩(wěn)定河段0.691.59第三十一頁(yè),共五十二頁(yè),編輯于2023年,星期日2、對(duì)于無(wú)明顯河槽的變遷性、游蕩性河段河槽寬度Bc為選定橋孔長(zhǎng)度的重要參數(shù)。對(duì)灘槽難分的地區(qū),通過(guò)對(duì)我國(guó)新疆、青海、內(nèi)蒙、河北等地實(shí)橋調(diào)查資料,多元逐步回歸分析得到河床寬B0與多年洪水平均流量Q和河床平均粒徑d存在下列關(guān)系:第三十二頁(yè),共五十二頁(yè),編輯于2023年,星期日引入一個(gè)與設(shè)計(jì)洪水頻率p(%)相關(guān)的系數(shù)Cp,取最小橋孔凈長(zhǎng)度Lj為:Lj=Cp·B0有:其中:第三十三頁(yè),共五十二頁(yè),編輯于2023年,星期日橋面高程指橋面中心線上最低點(diǎn)的高程。必須滿足橋下通過(guò)設(shè)計(jì)洪水、流冰、流木和通航的要求。一、引起橋下水位升高的因素引起橋下水位升高的因素有壅水、波浪、水拱、河灣凹岸水面超高以及河床淤積等。1、壅水建橋后,天然水流受到橋孔壓縮,橋梁上游形成壅水,天然水面(正常水深)以上被壅起的高度,稱(chēng)為壅水高度。第三節(jié)橋面高程第三十四頁(yè),共五十二頁(yè),編輯于2023年,星期日(1)橋前最大壅水高度△z《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)指南》推薦用計(jì)算橋前最大壅水計(jì)算公式為:第三十五頁(yè),共五十二頁(yè),編輯于2023年,星期日(2)橋下壅水高度△z’橋下壅水高度△z’是指橋下斷面處的壅水高度,可以參照洪水情勢(shì)和土質(zhì)易沖程度按表6-3-2取值。序號(hào)洪水和河床土質(zhì)條件△z’取值1一般情況1/2△z2洪水暴漲暴落,土質(zhì)堅(jiān)硬,不易沖刷時(shí)△z3洪水漲落緩慢,土壤松軟,易沖刷時(shí)不計(jì)表6-3-2橋下壅水高度△z’取值第三十六頁(yè),共五十二頁(yè),編輯于2023年,星期日(3)壅水曲線最大壅水?dāng)嗝嫦掠蔚乃孥账€,對(duì)于緩坡河流為a1型壅水曲線,在橋位設(shè)計(jì)中,可看做二次拋物線進(jìn)行計(jì)算,壅水曲線全長(zhǎng)L和任意斷面A處壅水高度△zA可按下式近似計(jì)算:i—河床比降;LA—任意斷面A至最大壅水?dāng)嗝娴木嚯x。第三十七頁(yè),共五十二頁(yè),編輯于2023年,星期日2、波浪(1)橋位處的波浪高度橋位處的波浪高度一般通過(guò)調(diào)查確定,計(jì)算橋面高程時(shí),以橋位靜水面以上,波浪高度的三分之二記入,行進(jìn)波在墩前受阻,還應(yīng)計(jì)入波高增大。調(diào)查困難,按規(guī)范或設(shè)計(jì)手冊(cè)推薦方法確定:第三十八頁(yè),共五十二頁(yè),編輯于2023年,星期日其中△h2——波浪高度,從波峰到波谷的高度;——波浪平均高度;KF—系數(shù),時(shí),取2.42,時(shí),取2.3;th—雙曲正切函數(shù);—平均水深;D—風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度或浪程;第三十九頁(yè),共五十二頁(yè),編輯于2023年,星期日Vw—風(fēng)速,水面以上10m高度處多年所測(cè)洪水期間自記2min平均最大風(fēng)速的平均值:Vw0—風(fēng)速,水面以上10m高度處多年所測(cè)洪水期間自記10min平均最大風(fēng)速的平均值。以上計(jì)算浪高公式適用于大陸地區(qū)河流、湖泊的橋梁設(shè)計(jì)。第四十頁(yè),共五十二頁(yè),編輯于2023年,星期日(2)路堤(或?qū)Я鞯蹋┻吰绿幍牟ɡ伺栏卟ɡ藳_向路堤或?qū)Я鞯虙O邊坡而爬升的高度名稱(chēng)為波浪爬高也稱(chēng)邊坡的波浪侵襲高度。he—波浪爬高,自靜水面起算;K△—邊坡粗糙系數(shù),表6-3-3;KV—與風(fēng)速有關(guān)的參數(shù),表6-3-4;R0—相對(duì)爬高,查表6-3-5。第四十一頁(yè),共五十二頁(yè),編輯于2023年,星期日(3)斜向的波浪爬高當(dāng)波浪斜向侵襲時(shí),侵襲高度有所減弱,當(dāng)邊坡系數(shù)m>1,斜向角度β≥30°時(shí),按規(guī)范推薦公式計(jì)算:h’e—修正后的波浪侵襲高度;β—構(gòu)造物邊坡上水邊線與浪射線的夾角;he—波浪侵襲高度。第四十二頁(yè),共五十二頁(yè),編輯于2023年,星期日3、其他引起水位升高的情況①漲水時(shí)同一斷面的主槽流速比兩側(cè)河灘的流速大,主槽水位比河灘水位上漲快,形成河心水位高,兩邊河灘水位低的水拱現(xiàn)象;②洪水由峽谷山口流出時(shí),也會(huì)出現(xiàn)水拱現(xiàn)象;③河灣處形成水門(mén)橫比降,引起凹岸水位超過(guò);④局部股流用稿及河床淤積等。第四十三頁(yè),共五十二頁(yè),編輯于2023年,星期日河灣處水位超高值計(jì)算:△h—河灣水位超高值;V—斷面平均流速;B—水面寬度;R—河灣凹凸岸曲率半徑的平均值。在計(jì)算橋面高程時(shí),可計(jì)入河灣水位超高值的二分之一。第四十四頁(yè),共五十二頁(yè),編輯于2023年,星期日4、急流河槽中橋墩的水流沖擊高度△hd墩前水流沖擊高度△hd有水力學(xué)動(dòng)量方程和連續(xù)方程得:h0、v0—墩前河槽的天然水深和流速。第四十五頁(yè),共五十二頁(yè),編輯于2023年,星期日二、橋下凈空安全值1、不同航河段非通航河流橋下最小凈空橋梁部位高出計(jì)算水位m高出最高流冰面m梁底洪水期無(wú)大漂流物0.500.75洪水期有大漂流物1.50-有泥石流1.00-支承墊石頂面0.250.50拱腳0.250.25第四十六頁(yè),共五十二頁(yè),編輯于2023年,星期日2、有流冰、流木的河段流冰、流木的河

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