橋涵水文課程大作業(yè).doc

橋涵水文課程大作業(yè) 習(xí)題一一、 基本資料某二級(jí)公路跨越某平原次穩(wěn)定河段，基本資料如下：1.水文資料1） 橋位附近水文站歷年最大流量及相應(yīng)水位資料（見(jiàn)本題表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)；2） 汛期含沙量=2.5kg/m3；3） 河段基本順直，橋位軸線與河道正交，屬狹窄水面的河流，河槽內(nèi)天然沖淤比較明顯，主流在河槽內(nèi)擺動(dòng)，汛期多為67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；4） 河槽糙率1nc=41、1nt=30；5） 河床比降i=0.14；6） 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)本題表二）；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：d1=0.35mm，h1=0.80m；下層：d2=0.35mm，h2=0.80m。 中值粒徑d50=25mm，平均粒徑d=23mm3.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、QH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+02624.84925.3111925.516628.618531.2823534.6528535.9630145.11二、 設(shè)計(jì)流量1、 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）（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，則考證（調(diào)查）期N=(1986-1887)+1=100 年。2、 用適線法推求理論頻率曲線計(jì)算系列平均流量QQ=1Nj=1aQj+N-an-li=l+1nQi=110034500+100-320-2110170=6281.94m3/s計(jì)算系列變差系數(shù)Cv=1N-1j=1aQjQ-12+N-an-li=l+1nQiQ-12=1993.154048+97181.19414=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。（1） 試取Cv=0.30，m=4，Cs=0.96PQp0.3313749.86112217.31211231.44（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=0.34，m=3.21，Cs=1.09PQp0.3314511.75112860.92211793.703、 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)（JTG B01-2003）表5.0.2可知，該橋總跨徑應(yīng)在1001000m之間，屬于大橋的范圍。由表5.0.4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 =12860.92m3/s。表5.0.2 橋涵分類橋涵分類多孔跨徑總長(zhǎng) L（m）單孔跨徑 Lx（m）特大橋L1000Lx150大橋100L100040Lx150中橋30L10020Lx40小橋8L305Lx 20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)定三、 設(shè)計(jì)水位的推求1、 典型點(diǎn)的水力參數(shù)用EXCEL表格繪出的過(guò)水?dāng)嗝鎴D如下圖所示：2、 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)高(m)過(guò)水面積(m2）濕周(m)水力半徑(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左灘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右灘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其中流速采用曼寧-謝才公式推出：Q=wCRJC=1nR16式中：w過(guò)水?dāng)嗝婷娣e C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)表河床標(biāo)高(m)過(guò)水面積(m2)濕周流速(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繪制橋位斷面Q-h關(guān)系圖如下圖所示，經(jīng)過(guò)Origin對(duì)比發(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。即當(dāng)設(shè)計(jì)流量為12860.92m3/s時(shí)，設(shè)計(jì)水位為39.61m。四、 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Qs=12860.92m3/s，按內(nèi)插法求得橋下過(guò)水?dāng)嗝婷娣e為A=5330.10m2，橋下平均流速vs=2.36+39.61-38.9542.81-38.952.80-2.36=2.44m/s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vc為vc=vs=2.44m/s采用橋孔凈長(zhǎng)公式計(jì)算最小橋孔凈長(zhǎng)度：Lj=KQsQcnBc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；則算出最小橋孔凈長(zhǎng)度為：Lj=0.9512860.9212249.90.87380=376.62m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，這樣橋孔布置如下圖所示：設(shè)計(jì)流速vs采用天然河槽平均流速vc，則=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橋下過(guò)水?dāng)嗝鎸?shí)際面積A = 5330.10m2，大于上述計(jì)算的Aq= 4938.88m2，說(shuō)明布設(shè)方案符合需要的橋下最小過(guò)水面積。橋孔凈長(zhǎng) Lj=520-2*11=498m，即為所求。五、 確定橋面最低標(biāo)高1、 橋前壅水高度z和橋下壅水高度zq沖刷前橋下流速vM=QsAj=12860.924840.10=2.66m/s天然橋下平均流速voM，計(jì)算得：voM=vc=2.44m/s沖刷后橋下平均流速：vM=vM1+0.5d50-0.25vMvc-1=2.661+0.525-0.252.662.44-1=2.61m/s系數(shù)：KM=2vMvoM-1=22.612.44-1=7.58Ky=0.5vMg-0.1=0.52.619.80-0.1=0.68橋前最大壅水高度：z=KMKy2gvM2-voM2=7.580.6829.82.612-2.442=0.2258m橋下壅水高度zq取0.5zq，則zq=0.50.2258=0.11m2、 浪高h(yuǎn)2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：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?yàn)閔zh=0.18912=0.016ht=1.5m則橋下水流為自由式出流。4、 橋孔長(zhǎng)度L=Bx=gQsvk3=9.8220.93.53=5.59m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。5、 橋前水深HH=hk+vk22g2=1.25+3.5229.80.92=2.02m6、 橋面最低高程Hmin=Hd+H+J+D=100+2.02+0.8+0.5=103.32m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。7、 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=Hmin-d-Hd=104.2-0.5-0.8-100=2.9m橋下臨界水深hk和臨界流速vk，偏安全地略去橋前行進(jìn)流速水頭時(shí)：hk=H221+22=2.920.921+20.92=1.79mvk=ghk=9.81.79=4.19m/s橋孔長(zhǎng)度Bk=Qsghk3=229.81.793=2.93m8、 總結(jié)根據(jù)以上兩種情況，推算小橋孔徑的結(jié)果，比較后，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)，也不安全。習(xí)題三1、 基本資料設(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hk，涵前水深H和相應(yīng)的孔徑Bd。2、 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，則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hk為：hk=vk2g=3.529.8=1.25m式中：hk平均臨界水深（m）vk臨界流速（m/s），計(jì)算時(shí)可采用河床的容許（不沖刷）流速。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。則進(jìn)水水深H=hT-=1.7m，臨界斷面過(guò)水面積Ak=Qvk=2.286m2，涵前總水頭按下式求解H0=hk+vk22g2=1.943m涵前水深H=H0.87=1.954m，=1，=0.95，此時(shí)計(jì)算出的過(guò)涵流量為：Q=Ak2gH0-hk=8.004m3/s該計(jì)算值與已知條件Qs=8m3/s相差很小，所示計(jì)算結(jié)果較有代表性，涵洞孔徑照下式計(jì)算求解：Bd=Qs1.58H1.5=1.853m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1.00.95過(guò)水流量Qs8m3/s臨界水深hk1.06m涵洞凈高h(yuǎn)T1.8m進(jìn)口水深1.7m過(guò)水面積Ak2.286m2涵前總水頭H01.753m涵前水深H1.954m涵洞孔徑Bd1.853m2.2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hk為：hk=vk2g=3.529.8=1.25m式中：hk平均臨界水深（m）vk臨界流速（m/s），計(jì)算時(shí)可采用河床的容許（不沖刷）流速。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。則進(jìn)水水深H=hT-=1.85m，臨界斷面過(guò)水面積Ak=Qvk=2.286m2，涵前總水頭按下式求解H0=hk+vk22g2=2.115m涵前水深H=H0.87=2.126m，=0.96，=0.85，此時(shí)計(jì)算出的過(guò)涵流量為：Q=Ak2gH0-hk=7.681m3/s該計(jì)算值與已知條件Qs=8m3/s誤差為3.99%，沒(méi)有超過(guò)5%，所示計(jì)算結(jié)果有一定的代表性，涵洞孔徑照下式計(jì)算求解：Bd=Qs1.58H1.5=1.633m所以這里可以選用2.00m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0.960.85過(guò)水流量Qs8m3/s臨