橋涵水文課程大作業(yè)

橋涵水文課程大作業(yè)習(xí)題一根本資料某二級(jí)公路跨越某平原次穩(wěn)定河段，根本資料如下：1.水文資料橋位附近水文站歷年最大流量及相應(yīng)水位資料〔見(jiàn)此題表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(shí)測(cè)期內(nèi)；汛期含沙量ρ=2.5kg/河段根本順直，橋位軸線與河道正交，屬狹窄水面的河流，河槽內(nèi)天然沖淤比擬明顯，主流在河槽內(nèi)擺動(dòng)，汛期多為6~7級(jí)風(fēng)，平均風(fēng)速為13.9m/s，沿浪程方向平均水深為12m，計(jì)算浪程為700m；河槽糙率1nc=41河床比降i=0.14‰；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(cè)量資料〔見(jiàn)此題表二〕；2〕樁號(hào)94K+805、95K+185為灘槽分界點(diǎn)；3〕河床土質(zhì)狀況河床土壤為松軟土壤〔中砂〕；表層：d下層：d中值粒徑d50=25mm3.通航要求：二級(jí)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(shè)計(jì)計(jì)算要求1〕設(shè)計(jì)流量和設(shè)計(jì)水位的推求；2〕確定橋長(zhǎng)及布孔〔1:500〕；3〕確定橋面最低標(biāo)高；4〕確定墩臺(tái)基底標(biāo)高；5〕設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)、Q~H關(guān)系曲線圖、和橋孔布置圖。表一年最大流量和相應(yīng)水位表年份年最大流量Q相應(yīng)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(hào)及標(biāo)高樁號(hào)河床標(biāo)高〔m〕94K+79542.8179641.5579838.9580035.9996122.9598923.5395K+02624.84925.3111925.516628.618531.2823534.6528535.9630145.11設(shè)計(jì)流量將流量按大小值排列，并計(jì)算出經(jīng)驗(yàn)頻率，列于表三。表三洪水資料按流量大小排列經(jīng)驗(yàn)頻率P〔%〕〔采用值〕（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(gè)特大值的不連續(xù)系列，即a=3；實(shí)測(cè)期為20年，即n=20；實(shí)測(cè)期內(nèi)有兩個(gè)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(shí)測(cè)期最后年份是1986年，那么考證〔調(diào)查〕期N=(1986-1887)+1=100年。用適線法推求理論頻率曲線計(jì)算系列平均流量QQ計(jì)算系列變差系數(shù)C=0.3112應(yīng)用矩適線法確定采用的統(tǒng)計(jì)參數(shù)和理論頻率曲線。試取Cv=0.30，mPQ0.3313749.86112217.31211231.44〔2〕根據(jù)上一次擬合的結(jié)果，適當(dāng)增大Cv，并且增大m，使得Cs增大的更多，所以試取Cv=0.34PQ0.3314511.75112860.92211793.70推求設(shè)計(jì)流量河床起始樁號(hào)為94K+795，終點(diǎn)樁號(hào)為95K+301，算出河床總寬度為506m，根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》〔JTGB01-2003〕表可知，該橋總跨徑應(yīng)在100～1000m之間，屬于大橋的范圍。由表可知，二級(jí)公路大橋設(shè)計(jì)洪水頻率為1%。從上表可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)設(shè)計(jì)洪水頻率為1%時(shí)，Q=12860.92表5.0.2橋涵分類橋涵分類多孔跨徑總長(zhǎng)單孔跨徑Lx〔m〕特大橋L>Lx>大橋≤L≤≤Lx<中橋<L<≤Lx<小橋8≤L≤5≤Lx<涵洞——Lx<5表5.0.4橋涵設(shè)計(jì)洪水頻率公路等級(jí)設(shè)計(jì)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(jí)公路1/3001/1001/1001/1001/100二級(jí)公路1/1001/1001/1001/501/50三級(jí)公路1/1001/501/501/251/25四級(jí)公路1/1001/501/501/25不作規(guī)定設(shè)計(jì)水位的推求典型點(diǎn)的水力參數(shù)用EXCEL表格繪出的過(guò)水?dāng)嗝鎴D如下列圖所示：推求設(shè)計(jì)水位在CAD中繪出過(guò)水?dāng)嗝鎴D，計(jì)算出的主槽、左灘、右灘在各個(gè)高程的水力參數(shù)值：水力參數(shù)計(jì)算表河床標(biāo)過(guò)水面積(m2〕水力半河床比降i流速流量(m3/s)主槽左灘00000000001.015.028.59右灘00000其中流速采用曼寧-謝才公式推出：Q=wCC=式中：w——過(guò)水?dāng)嗝婷娣eC——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)表過(guò)水面積(m2)濕周流量(m3/s)1695.43327.512458.373364.61466.646541.353563.08486.057111.65003.72495.5711819.756912.55508.3719370.8繪制橋位斷面Q-h關(guān)系圖如下列圖所示，經(jīng)過(guò)Origin比照發(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(dāng)y=12860.92時(shí)，x=39.61確定橋長(zhǎng)及布孔前面已經(jīng)求出設(shè)計(jì)水位hs=39.61m，設(shè)計(jì)流量Qsv設(shè)計(jì)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(jì)算橋下過(guò)水面積。根據(jù)別列柳博斯基假定，當(dāng)橋下過(guò)水面積擴(kuò)大到使橋下〔平均〕流速等于天然河槽流速時(shí)，橋下沖刷即停止。當(dāng)設(shè)計(jì)水位h=39.61m時(shí)，天然河槽平均流速vv采用橋孔凈長(zhǎng)公式計(jì)算最小橋孔凈長(zhǎng)度：L式中：Lj——最小橋孔凈長(zhǎng)度〔m〕Qs——設(shè)計(jì)洪水流量〔m3/s〕Qc——設(shè)計(jì)洪水的河槽流量〔m3/s〕Bc——河槽寬度〔m〕對(duì)于次穩(wěn)定性河段，式中的K取0.95，n取0.87；那么算出最小橋孔凈長(zhǎng)度為：L根據(jù)橋位河床橫斷面形態(tài)，將左岸橋臺(tái)樁號(hào)布置在94K+800處，根據(jù)通航要求，按二級(jí)三類航道設(shè)計(jì)，通航凈寬應(yīng)不小于75.0m。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和受力條件，經(jīng)濟(jì)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(tái)樁號(hào)為95K+320，這樣橋孔布置如下列圖所示：設(shè)計(jì)流速vs采用天然河槽平均流速vcμλAA橋下過(guò)水?dāng)嗝鎸?shí)際面積A=5330.10m2，大于上述計(jì)算的Aq確定橋面最低標(biāo)高橋前壅水高度?z和橋下壅水高度沖刷前橋下流速v天然橋下平均流速voM，計(jì)算得：沖刷后橋下平均流速：v系數(shù)：KK橋前最大壅水高度：?z=橋下壅水高度?zq取0.5?z浪高?由實(shí)測(cè)風(fēng)速13.9m/s換算得到的計(jì)算風(fēng)速為14.9m/s,沿浪程方向平均水深為12m，計(jì)算浪程為700m。其中：ggD所以?因?yàn)?應(yīng)取KF=2.42，?按《公路工程水文勘測(cè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，靜水面以上波浪高度取2/3的波浪高度計(jì)0.66?hz；另外，波浪在橋墩前被阻擋時(shí)，墩前波浪高度將會(huì)壅高，近似取壅高值為0.2?hz。這樣，靜水面以上的波浪高度為波浪全高0.86?波浪坡面爬高橋頭路堤和導(dǎo)流堤頂面高程應(yīng)計(jì)入波浪坡面爬高。橋面最低高程計(jì)算〔1〕主橋建筑高度為1.2m，橋面鋪裝厚度為0.12m。按設(shè)計(jì)洪水通過(guò)要求的橋面最低高程：H〔2〕按二級(jí)三類航道通航標(biāo)準(zhǔn)，要求的橋面最低高程通航頻率p=5%，對(duì)應(yīng)的流量Q20%=7876.58mHH以上計(jì)算結(jié)果說(shuō)明，通航要求控制橋面高程，橋面最低高程確定為Hmin確定橋梁墩、臺(tái)基底標(biāo)高橋下斷面一般沖刷后水深按一般沖刷的簡(jiǎn)化公式進(jìn)行計(jì)算h式中：hp——一般沖刷后最大水深〔m〕hcmax——A——單寬流量集中系數(shù)，A=B——造床流量下的河槽寬度〔m〕，一般為河槽寬度BcQ1——計(jì)算斷面的天然河槽流量Qc〔m3/sQ2——橋下河槽通過(guò)的流量〔m3/s〕橋墩局部沖刷深度利用65-2修正公式計(jì)算h式中：hb——橋墩局部沖刷深度〔m〕K——系數(shù)，hb取回歸值〔出現(xiàn)幾率最大〕，K=0.46；hb取上限值〔外包線，置信區(qū)間上界〕，Kζ——B1——橋墩計(jì)算寬度〔m〕h——墩前行進(jìn)水深〔m〕，以一般沖刷后水深hpd——沖刷層內(nèi)泥沙平均粒徑〔m〕；v——墩前行進(jìn)流速〔m/s〕，以一般沖刷完成時(shí)流速記；v0——床沙啟動(dòng)流速〔m/s〕vh——水深〔m〕；d——粒徑〔m〕;v'0——橋墩起沖速度〔m/s〕v'n——指數(shù)，以下式計(jì)算n=查墩形系數(shù)表得Kζ=1.0，計(jì)算墩寬行進(jìn)水流hp=18.89m起動(dòng)流速v起沖流速v'又n=〔1〕hb取回歸值，所以h〔2〕hb取上限值，所以h橋墩的最低沖刷線高程H橋臺(tái)沖刷hF根據(jù)布設(shè)的橋臺(tái)斷面，水流對(duì)橋臺(tái)沖刷的影響很小，不予考慮。習(xí)題二根本資料某公路跨越一小河，設(shè)計(jì)流量Qs=22m3/s，河床比降i=0.009，河槽粗糙系數(shù)n=0.033，設(shè)計(jì)水位H=101.50m，天然水力因素計(jì)算結(jié)果天然水力因素計(jì)算表樁號(hào)高程水深平均水深水寬過(guò)水面積0102.50.909091101.502100.31.20.61.0909090.6545454.51001.51.352.53.3756.1100.31.21.351.62.168.227273101.500.62.1272731.27636410102.5累計(jì)7.3181827.465909設(shè)計(jì)流量Qs=22m3/s，設(shè)計(jì)水位H河槽過(guò)水面積A=7.47m2，河槽寬度B=7.32m，平均水深h=1.02m臨界水深假設(shè)小橋進(jìn)出口取單孔、帶錐坡，流速系數(shù)?=0.90，收縮系數(shù)ε=0.90。河床加固選用碎石層上鋪砌厚度20cm的單層片石，取加固允容流速v=3.5m/sh1.3那么橋下水流為自由式出流。橋孔長(zhǎng)度L選用單孔標(biāo)準(zhǔn)跨徑6.0m鋼筋混凝土板橋，建筑高度為0.80m，凈跨5.4m。橋前水深HH橋面最低高程H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(shè)計(jì)高程，是允許的。根據(jù)路基設(shè)計(jì)高程，推算小橋孔徑路基設(shè)計(jì)高程104.20m，允許的最大橋前水深H為H橋下臨界水深hk和臨界流速vk，偏hv橋孔長(zhǎng)度B總結(jié)根據(jù)以上兩種情況，推算小橋孔徑的結(jié)果，比擬后，建議取加固允許流速3.50m/s，橋長(zhǎng)為6.0m的小橋?yàn)橐?。后一種情況，橋前水深H過(guò)大，橋下加固允許流速不應(yīng)小于4.00m/s，橋長(zhǎng)取4.00m。橋孔壓縮水流嚴(yán)重，橋下游出口流速過(guò)急，出口加固要求很高，既不經(jīng)濟(jì)，也不平安。習(xí)題三根本資料設(shè)計(jì)流量Qs=8m3/s，因路基高程限制，涵前水深H不得超過(guò)2.50m。根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r，采用單層細(xì)面粗鑿石料，鋪砌在碎石上，碎石層厚度不小于10cm，進(jìn)行洞底河床加固。試分別選用無(wú)壓力式蓋板涵，無(wú)壓力式石拱涵和鋼筋混凝土圓管涵，計(jì)算涵內(nèi)臨界水深h孔徑計(jì)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，那么加固允許平均流速為3.50m/s。2.1無(wú)壓力式蓋板涵任意形狀斷面的平均臨界水深hkh式中：hk——平均臨界水深〔mvk——臨界流速〔m/s〕，計(jì)算時(shí)可采用河床的容許〔不沖刷〕這里根據(jù)實(shí)際情況，再參照課本表9-3-3，假設(shè)涵洞內(nèi)臨界水深hk=1.25m，選取涵洞凈高h(yuǎn)T=1.8m，?=0.10m。H涵前水深H=H'0.87=1.954m，Q該計(jì)算值與條件QsB所以這里可以選用2.0m的標(biāo)準(zhǔn)孔徑。詳細(xì)計(jì)算參數(shù)匯總于下表：詳細(xì)計(jì)算參數(shù)匯總表ε1.0?0.95過(guò)水流量Q8m3/s臨界水深h1.06m涵洞凈高h(yuǎn)1.8m進(jìn)口水深??′1.7m過(guò)水面積A2.286m2涵前總水頭H1.753m涵前水深H1.954m涵洞孔徑B1.853m2.2無(wú)壓力式拱涵仍然采用試算法求解，首先參照小橋的設(shè)計(jì)方法，假設(shè)涵洞內(nèi)臨界水深hkh式中：hk——平均臨界水深〔mvk——臨界流速〔m/s〕，計(jì)算時(shí)可采用河床的容許〔不沖刷〕這里根據(jù)實(shí)際情況，再參照課本表9-3-3，假設(shè)涵洞內(nèi)臨界水深hk=1.25m，選取涵洞凈高h(yuǎn)T=2.0m，?=0.15m。H涵前水深H