桥涵水文课程大作业.docx

桥涵水文大作业桥涵水文课程大作业 习题一一、 基本资料某二级公路跨越某平原次稳定河段，基本资料如下：1.水文资料1） 桥位附近水文站历年最大流量及相应水位资料（见本题表1）。1887年，1974年和1975年的流量是由调查到的历史洪水位推求得到，其中，1974年、1975年亦在实测期内；2） 汛期含沙量=2.5kg/m3；3） 河段基本顺直，桥位轴线与河道正交，属狭窄水面的河流，河槽内天然冲淤比较明显，主流在河槽内摆动，汛期多为67级风，平均风速为13.9m/s，沿浪程方向平均水深为12m，计算浪程为700m；4） 河槽糙率1nc=41、1nt=30；5） 河床比降i=0.14；6） 容许冲刷系数p=1.1.2.桥梁断面及地质资料1）*江桥位断面测量资料（见本题表二）；2）桩号94K+805、95K+185为滩槽分界点；3）河床土质状况河床土壤为松软土壤（中砂）；表层：d1=0.35mm，h1=0.80m；下层：d2=0.35mm，h2=0.80m。 中值粒径d50=25mm，平均粒径d=23mm3.通航要求：二级三类航道，通航频率P=5%。桥位T型梁，结构高度为1.2m，桥面铺装厚度为0.12m4.设计计算要求1）设计流量和设计水位的推求；2）确定桥长及布孔（1:500）；3）确定桥面最低标高；4）确定墩台基底标高；5）设计计算说明书、QH关系曲线图、和桥孔布置图。表一 年最大流量和相应水位表年份年最大流量Q相应最高水位H（m41967345034.381968830037.251969790037.131970580035.61971630036.181972665036.61973670036.6519741010037.919751140038.551976560035.541977380034.671978592035.71979590035.681980270033.751981570035.561982600036.11983330034.11984550035.519854500351986605036.2表二 里程桩号及标高桩号河床标高（m）94K+79542.8179641.5579838.9580035.9996122.9598923.5395K+02624.84925.3111925.516628.618531.2823534.6528535.9630145.11二、 设计流量1、 将流量按大小值排列，并计算出经验频率，列于表三。表三 洪水资料按流量大小排列经验频率 P（%）（采用值）（QQ-1）2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，以上资料属于共有3个特大值的不连续系列，即a=3；实测期为20年，即 n=20；实测期内有两个特大值（1974 年和 1975 年），即 l=2；特大洪水最早出现年份是1887年，而实测期最后年份是1986年，则考证（调查）期N=(1986-1887)+1=100 年。2、 用适线法推求理论频率曲线计算系列平均流量QQ=1Nj=1aQj+N-an-li=l+1nQi=110034500+100-320-2110170=6281.94m3/s计算系列变差系数Cv=1N-1j=1aQjQ-12+N-an-li=l+1nQiQ-12=1993.154048+97181.19414=0.3112应用矩适线法确定采用的统计参数和理论频率曲线。（1） 试取Cv=0.30，m=4，Cs=0.96PQp0.3313749.86112217.31211231.44（2）根据上一次拟合的结果，适当增大Cv，并且增大m，使得Cs增大的更多，所以试取Cv=0.34，m=3.21，Cs=1.09PQp0.3314511.75112860.92211793.703、 推求设计流量河床起始桩号为94K+795，终点桩号为95K+301，算出河床总宽度为506m，根据公路工程技术标准（JTG B01-2003）表5.0.2可知，该桥总跨径应在1001000m之间，属于大桥的范围。由表5.0.4可知，二级公路大桥设计洪水频率为1%。从上表可以发现，当设计洪水频率为1%时，Q =12860.92m3/s。表5.0.2 桥涵分类桥涵分类多孔跨径总长 L（m）单孔跨径 Lx（m）特大桥L1000Lx150大桥100L100040Lx150中桥30L10020Lx40小桥8L305Lx 20涵洞 Lx 5表5.0.4 桥涵设计洪水频率公路等级设计洪水频率特大桥大桥中桥小桥涵洞及小型排水构 造物高速公路1/3001/1001/1001/1001/100一级公路1/3001/1001/1001/1001/100二级公路1/1001/1001/1001/501/50三级公路1/1001/501/501/251/25四级公路1/1001/501/501/25不作规定三、 设计水位的推求1、 典型点的水力参数用EXCEL表格绘出的过水断面图如下图所示：2、 推求设计水位在CAD中绘出过水断面图，计算出的主槽、左滩、右滩在各个高程的水力参数值：水力参数计算表河床标高(m)过水面积(m2）湿周(m)水力半径(m)河床比降 i流速(m/s)流量(m3/s)主槽31.281695.43327.515.170.000141.452458.3735.5853216.92380.838.450.000142.016466.0335.993370.82380.848.850.000142.077011.3138.954495.62380.8311.800.000142.5111328.9642.815952.64380.9315.630.000143.0318036.50左滩31.280000.000140035.5850000.000140035.991.015.020.200.000140.120.1238.9518.788.592.190.000140.6011.2642.8151.3813.513.800.000140.8744.19右滩31.280000.000140035.585147.6985.811.720.000140.5175.3235.991912585.5100.191.910.000140.52100.1738.95489.32106.154.610.000140.98479.5342.81908.53113.937.970.000141.421290.11其中流速采用曼宁-谢才公式推出：Q=wCRJC=1nR16式中：w过水断面面积 C谢才系数 R水力半径J水力梯度 n糙率桥位断面水力参数表河床标高(m)过水面积(m2)湿周流速(m/s)流量(m3/s)31.281695.43327.511.452458.3735.5853364.61466.641.946541.3535.993563.08486.052.007111.638.955003.72495.572.3611819.7542.816912.55508.372.8019370.8绘制桥位断面Q-h关系图如下图所示，经过Origin对比发现， Q与h的关系近似满足如下函数：y=68.85x2-3628.23x+48547.45，当y=12860.92时，x=39.61。即当设计流量为12860.92m3/s时，设计水位为39.61m。四、 确定桥长及布孔前面已经求出设计水位hs=39.61m，设计流量Qs=12860.92m3/s，按内插法求得桥下过水断面面积为A=5330.10m2，桥下平均流速vs=2.36+39.61-38.9542.81-38.952.80-2.36=2.44m/s设计资料中给出了容许冲刷系数p=1.1，这里选用冲刷系数法计算桥下过水面积。根据别列柳博斯基假定，当桥下过水面积扩大到使桥下（平均）流速等于天然河槽流速时，桥下冲刷即停止。当设计水位h=39.61m时，天然河槽平均流速vc为vc=vs=2.44m/s采用桥孔净长公式计算最小桥孔净长度：Lj=KQsQcnBc式中：Lj最小桥孔净长度（m）；Qs设计洪水流量（m3/s）；Qc设计洪水的河槽流量（m3/s）；Bc河槽宽度（m）；对于次稳定性河段，式中的K取 0.95，n取 0.87；则算出最小桥孔净长度为：Lj=0.9512860.9212249.90.87380=376.62m根据桥位河床横断面形态，将左岸桥台桩号布置在94K+800处，根据通航要求，按二级三类航道设计，通航净宽应不小于75.0m。根据经验和受力条件，经济跨径比为 1:1:0.6。这里选用6孔连续梁，各孔跨径为60+100+100+100+100+60=520m，中间3孔均能满足通航要求，选用双柱式桥墩，墩径取2.0m，右桥台桩号为95K+320，这样桥孔布置如下图所示：设计流速vs采用天然河槽平均流速vc，则=1-0.375vslj=1-0.3752.4498=0.99=bl=2100=0.02Aj=Qspvs=12860.920.991.12.44=4840.10m2Aq=Aj1-=4840.101-0.02=4938.88m2桥下过水断面实际面积A = 5330.10m2，大于上述计算的Aq= 4938.88m2，说明布设方案符合需要的桥下最小过水面积。桥孔净长 Lj=520-2*11=498m，即为所求。五、 确定桥面最低标高1、 桥前壅水高度z和桥下壅水高度zq冲刷前桥下流速vM=QsAj=12860.924840.10=2.66m/s天然桥下平均流速voM，计算得：voM=vc=2.44m/s冲刷后桥下平均流速：vM=vM1+0.5d50-0.25vMvc-1=2.661+0.525-0.252.662.44-1=2.61m/s系数：KM=2vMvoM-1=22.612.44-1=7.58Ky=0.5vMg-0.1=0.52.619.80-0.1=0.68桥前最大壅水高度：z=KMKy2gvM2-voM2=7.580.6829.82.612-2.442=0.2258m桥下壅水高度zq取0.5zq，则zq=0.50.2258=0.11m2、 浪高h2由实测风速13.9m/s换算得到的计算风速为14.9m/s,沿浪程方向平均水深为12m，计算浪程为700m。其中：gvw2=9.814.92=0.04414 ， vw2g=14.929.8=22.65408gDvw2=9.870014.92=30.89951 ， ghvw2=9.81214.92=0.52971所以hz=0.13th0.7ghvw20.7th0.0018gDvw20.450.13th0.7ghvw20.7gvw2=0.13th0.44867th8.428510-30.13th0.448670.04414=0.189因为hzh=0.18912=0.016ht=1.5m则桥下水流为自由式出流。4、 桥孔长度L=Bx=gQsvk3=9.8220.93.53=5.59m选用单孔标准跨径6.0m钢筋混凝土板桥，建筑高度为0.80m，净跨5.4m。5、 桥前水深HH=hk+vk22g2=1.25+3.5229.80.92=2.02m6、 桥面最低高程Hmin=Hd+H+J+D=100+2.02+0.8+0.5=103.32m取跨径为6.0m的小桥，桥面最低高程为103.32m，低于桥位断面处路基设计高程，是允许的。7、 根据路基设计高程，推算小桥孔径路基设计高程104.20m，允许的最大桥前水深H为H=Hmin-d-Hd=104.2-0.5-0.8-100=2.9m桥下临界水深hk和临界流速vk，偏安全地略去桥前行进流速水头时：hk=H221+22=2.920.921+20.92=1.79mvk=ghk=9.81.79=4.19m/s桥孔长度Bk=Qsghk3=229.81.793=2.93m8、 总结根据以上两种情况，推算小桥孔径的结果，比较后，建议取加固允许流速 3.50m/s，桥长为6.0m的小桥为宜。后一种情况，桥前水深H过大，桥下加固允许流速不应小于4.00m/s，桥长取4.00m。桥孔压缩水流严重，桥下游出口流速过急，出口加固要求很高，既不经济，也不安全。习题三1、 基本资料设计流量Qs=8m3/s，因路基高程限制，涵前水深H不得超过2.50m。根据当地情况，采用单层细面粗凿石料，铺砌在碎石上，碎石层厚度不小于 10cm，进行洞底河床加固。试分别选用无压力式盖板涵，无压力式石拱涵和钢筋混凝土圆管涵，计算涵内临界水深hk，涵前水深H和相应的孔径Bd。2、 孔径计算根据涵底加固和涵内水深，选定碎石层上铺砌厚度为20cm，则加固允许平均流速为3.50m/s。2.1无压力式盖板涵任意形状断面的平均临界水深hk为：hk=vk2g=3.529.8=1.25m式中：hk平均临界水深（m）vk临界流速（m/s），计算时可采用河床的容许（不冲刷）流速。这里根据实际情况，再参照课本表9-3-3，假设涵洞内临界水深hk=1.25m，选取涵洞净高hT= 1.8m，= 0.10m。则进水水深H=hT-=1.7m，临界断面过水面积Ak=Qvk=2.286m2，涵前总水头按下式求解H0=hk+vk22g2=1.943m涵前水深H=H0.87=1.954m，=1，=0.95，此时计算出的过涵流量为：Q=Ak2gH0-hk=8.004m3/s该计算值与已知条件Qs=8m3/s相差很小，所示计算结果较有代表性，涵洞孔径照下式计算求解：Bd=Qs1.58H1.5=1.853m所以这里可以选用2.0m的标准孔径。详细计算参数汇总于下表：详细计算参数汇总表1.00.95过水流量Qs8m3/s临界水深hk1.06m涵洞净高hT1.8m进口水深1.7m过水面积Ak2.286m2涵前总水头H01.753m涵前水深H1.954m涵洞孔径Bd1.853m2.2无压力式拱涵仍然采用试算法求解，首先参照小桥的设计方法，假设涵洞内临界水深hk为：hk=vk2g=3.529.8=1.25m式中：hk平均临界水深（m）vk临界流速（m/s），计算时可采用河床的容许（不冲刷）流速。这里根据实际情况，再参照课本表9-3-3，假设涵洞内临界水深hk=1.25m，选取涵洞净高hT= 2.0m，= 0.15m。则进水水深H=hT-=1.85m，临界断面过水面积Ak=Qvk=2.286m2，涵前总水头按下式求解H0=hk+vk22g2=2.115m涵前水深H=H0.87=2.126m，=0.96，=0.85，此时计算出的过涵流量为：Q=Ak2gH0-hk=7.681m3/s该计算值与已知条件Qs=8m3/s误差为3.99%，没有超过5%，所示计算结果有一定的代表性，涵洞孔径照下式计算求解：Bd=Qs1.58H1.5=1.633m所以这里可以选用2.00m的标准孔径。详细计算参数汇总于下表：详细计算参数汇总表0.960.85过水流量Qs