ch4-2桥孔水力计算+孔径设计.ppt

1、2022-8-251 学时：学时：24（hrs.）；）；时间：时间：2019.2.25-2019.5.14 教师：教师：齐梅兰齐梅兰 桥桥 渡渡 设设 计计Bridge Hydraulics2022-8-2524.1 设计洪水设计洪水4.2 桥孔布设桥孔布设4.3 桥梁孔径与水力计算桥梁孔径与水力计算孔径设计孔径设计Ch.4Ch.4 桥渡设计桥渡设计2022-8-254.3.1 河流基本水力学参数河流基本水力学参数(无桥无桥)Ch.44.3.2 桥址河段水力计算桥址河段水力计算34.3 桥梁孔径与水力计算桥梁孔径与水力计算4.3.3 孔径设计计算孔径设计计算2022-8-254.3.1 河流基

2、本水力学参数河流基本水力学参数(无桥无桥)（1 1）过流断面：）过流断面：由自由水面与湿周包围的区域由自由水面与湿周包围的区域面积计算面积计算可用分、总可用分、总计算法，用垂线划分计算法，用垂线划分断面。断面。复式断面应区分主槽复式断面应区分主槽过流和滩地过流。过流和滩地过流。已知已知:河槽几何形状河槽几何形状 (测量各点河床高程及其横向位置测量各点河床高程及其横向位置获得获得)、水位线、水位线图图 4.84.8 过流断面过流断面42022-8-252 2）断面平均流速、水深）断面平均流速、水深QAU=断面平均流速断面平均流速v：已知流量、水位、已知流量、水位、河槽形状河槽形状引入引入谢才公式

3、、谢才公式、已知河道纵坡已知河道纵坡单一断面：单一断面：按上式计算按上式计算复式断面：复式断面：划分主槽、滩地，分别按上式计算划分主槽、滩地，分别按上式计算(4-1)(4-2)54.3.1 河流基本水力学参数河流基本水力学参数(无桥无桥)上式中上式中:hi=第第i条垂线的水深条垂线的水深21321iUh Jn=各垂线平均流速各垂线平均流速v：断面平均水深断面平均水深 h：/hA B=水面宽度水面宽度过流断面面积过流断面面积2022-8-25复式断面复式断面v，h 计算图计算图,ttU h,ccU h64.3.1 河流基本水力学参数河流基本水力学参数(无桥无桥)2022-8-25面面积积计计算算

4、表表74.3.1 河流基本水力学参数河流基本水力学参数(无桥无桥)2022-8-25Uc 、Ut计算步骤：计算步骤：将断面河床高程和水位均绘于同一图中将断面河床高程和水位均绘于同一图中 划分主槽与滩地划分主槽与滩地求主槽平均水深：求主槽平均水深：hc=Ac/Bc求滩地平均水深：求滩地平均水深：ht=At/Bt求主槽平均流速：求主槽平均流速：求滩地平均流速：求滩地平均流速：2/3 1/21cccUhin=2/3 1/21tttUhin=84.3.1 河流基本水力学参数河流基本水力学参数(无桥无桥)2022-8-25全断面平均流速全断面平均流速 v 计算：计算：求主槽平均流速：求主槽平均流速：求滩

5、地平均流速：求滩地平均流速：2/3 1/21ccUhin=求主槽流量：求主槽流量：Qc=Uc Ac求滩地流量：求滩地流量：Qt=Ut At 求全断面流量：求全断面流量：Q=Qt+Qc 求全断面平均流速：求全断面平均流速：U=Q/A2/3 1/21ttUhin=94.3.1 河流基本水力学参数河流基本水力学参数(无桥无桥)2022-8-25桥址河段水流图：桥址河段水流图：平面：上游收缩段平面：上游收缩段 桥址被压缩桥址被压缩 下游扩散段下游扩散段纵面：上游壅高，纵面：上游壅高，桥址收缩，桥址收缩，下游复原下游复原4.3.2 桥址河段水力计算桥址河段水力计算 10（1 1）水力现象）水力现象纵断面

6、纵断面扩散恢复扩散恢复收缩下降收缩下降壅水壅水2022-8-2511平面收缩段和扩散段长度；平面收缩段和扩散段长度；垂向水面壅高和降低幅度垂向水面壅高和降低幅度桥孔的压缩程度、洪水大小影响水流的以下变化：桥孔的压缩程度、洪水大小影响水流的以下变化：4.3.2 桥址河段水力计算桥址河段水力计算 2022-8-2512足够大足够大11倍桥孔长倍桥孔长上游影响区外上游影响区外L Lu uL Ld dL Lc c下游影响区外下游影响区外44L Lc c收缩、扩散段长度？收缩、扩散段长度？收缩段收缩段4.3.2 桥址河段水力计算桥址河段水力计算 2022-8-2513上游：上游：因水流受到桥结构物阻碍，

7、动能减小，而势能（压因水流受到桥结构物阻碍，动能减小，而势能（压能）增大，表现为水位升高，称为能）增大，表现为水位升高，称为壅水壅水。桥下：桥下：因桥孔压缩了过流断面面积，流速增大，动能增大，因桥孔压缩了过流断面面积，流速增大，动能增大，而势能减小，表现为水位降低。而势能减小，表现为水位降低。下游：下游：因水流出桥孔后，过流宽度（面积）增大，而流速因水流出桥孔后，过流宽度（面积）增大，而流速减小，动能减小，而势能增大，表现为水位升高，恢复减小，动能减小，而势能增大，表现为水位升高，恢复至天然水位。至天然水位。4.3.2 桥址河段水力计算桥址河段水力计算 2022-8-252022-8-2514

8、4.3.2 桥址河段水力计算桥址河段水力计算（2）桥下断面水深桥下断面水深 hq、流速、流速 vq桥下横断面桥下横断面桥址河段纵断面桥址河段纵断面1）hq近似按无桥时的均匀流近似按无桥时的均匀流水深水深 h0考虑，即考虑，即hq h02）面积）面积 AqAq=(B0-Bb)h0B0B0:无桥时断面宽度；无桥时断面宽度；Bb:桥、台阻水总宽度。桥、台阻水总宽度。3）Uq=Q/Aq 2022-8-2515壅水计算原理：壅水计算原理：符合流体力学的连续原理、运动及能量方程。符合流体力学的连续原理、运动及能量方程。一维、恒定流连续方程：一维、恒定流连续方程：222111111222iiiiiiiiif

9、i ipUUpUZZhgggggaaVrr+-+=+能量方程：能量方程：1iiQQ11iiiiEEE4.3.2 桥址河段水力计算桥址河段水力计算（3）桥上游壅水高度桥上游壅水高度2022-8-252022-8-25164.3.2 桥址河段水力计算桥址河段水力计算（3）桥上游壅水高度桥上游壅水高度桥址河段纵断面桥址河段纵断面建桥后水面线建桥后水面线无桥水面线无桥水面线建桥后升高的水位与天然时水位之差称为建桥后升高的水位与天然时水位之差称为壅水高度壅水高度。其中差值最大的称为其中差值最大的称为最大壅水高度最大壅水高度，记为，记为Z。2022-8-251 1）壅水断面水深、流速）壅水断面水深、流速取

10、断面取断面 （上游）、（上游）、（桥孔下游，图中）（桥孔下游，图中）2444422111114 1222fpUZggpUUZhgggaraVr-+=+能量方程：能量方程：连续方程：连续方程：111QUB H=444QUB H=(4-3)(4-3)4.3.2 桥下水力计算桥下水力计算2022-8-2517桥下横断面桥下横断面 纵断面纵断面扩散恢复扩散恢复收缩下降收缩下降壅水壅水2022-8-25224441114122wpUpUzzhggggaarr+=+22114422wUUzhggaaD=-+测管水头测管水头4 22 1wjjfhhhh-=+24 1142flUhRgl-=2224 240.

11、5 12jAUhAg-骣=-桫2 1jh-扩大损失扩大损失(4-7)()22112 111222122442jAAQhgAAAbaba-轾骣犏=-+犏桫犏臌18最大壅水高：最大壅水高：4.3.2 桥址河段水力计算桥址河段水力计算 收缩损失收缩损失2022-8-25将能量损失比率及动能压缩系数等影响合并为一个将能量损失比率及动能压缩系数等影响合并为一个系数系数，则有，则有()220qzUUhD=-压缩系数压缩系数 天然断面平均流速天然断面平均流速桥下断面平均流速桥下断面平均流速经验公式经验公式 1 1：(4-8)194.3.2 桥址河段水力计算桥址河段水力计算 2022-8-25表表4-44-4

12、 壅水系数壅水系数 取值取值204.3.2 桥址河段水力计算桥址河段水力计算 河段特征河段特征阻挡流量阻挡流量/设计流量（设计流量（%）压缩系数压缩系数河滩很小的山区河流河滩很小的山区河流10 0.05河滩较小的半山区河流河滩较小的半山区河流11300.07河滩中等的平原河流河滩中等的平原河流31500.10河滩较大的低洼区河流河滩较大的低洼区河流500.152022-8-25桥下断面水面壅高值桥下断面水面壅高值(Z Zq q)可近似计为可近似计为2Zzq(4-11)21254.3.2 桥址河段水力计算桥址河段水力计算 2022-8-25224.3.3 孔径设计计算孔径设计计算 桥高桥高：以梁

13、底高程：以梁底高程 Zb 表示。表示。（1 1）孔径）孔径桥孔长度（简称桥长）和高度桥孔长度（简称桥长）和高度。考虑设计洪水、设桥后的水流变化、河床变化。考虑设计洪水、设桥后的水流变化、河床变化。桥长桥长：设计水位时两端桥台前缘间距离。：设计水位时两端桥台前缘间距离。桥长桥长轨底轨底桥墩桥墩低水位低水位高水位高水位设计水位设计水位桥台桥台2022-8-25安全净空安全净空指高出设计水位指高出设计水位+h 的最小空间高度的最小空间高度（规范）。（规范）。梁底高程梁底高程 =设计水位设计水位 +桥下桥下净空净空=安全净空安全净空+h h（2 2）桥下净空桥下净空234.3.3 孔径设计计算孔径设计

14、计算 轨底轨底桥墩桥墩低水位低水位高水位高水位设计水位设计水位桥台桥台2022-8-25（3 3）梁底高程梁底高程 Zb净空安全值hZZb (4-12)还需注意：流冰、通航河流的最小净跨和净空要求还需注意：流冰、通航河流的最小净跨和净空要求244.3.3 孔径设计计算孔径设计计算 设计水位设计水位表表4-54-5 净空安全净空安全值值桥梁底桥梁底设计洪水净空值设计洪水净空值(m)(m)校核洪水净空值校核洪水净空值(m)(m)一般情况一般情况0.500.25有漂流物有漂流物 1.501.00有泥石流有泥石流1.00 -2022-8-25h 水位超高水位超高（4 4）254.3.3 孔径设计计算孔

15、径设计计算=壅水高度壅水高度+波浪爬高波浪爬高+弯道水面超高等。弯道水面超高等。壅水高度壅水高度 如前如前2022-8-25264.3.3 孔径设计计算孔径设计计算 波浪高波浪高水面波浪高、路堤边坡波浪爬高：水面波浪高、路堤边坡波浪爬高：与浪程、风速、平均水深有关。与浪程、风速、平均水深有关。确定方法：调查、试验或经验公式计算。确定方法：调查、试验或经验公式计算。2022-8-25弯道横向环流凸岸凹岸hy凸凹xzzy1JzhP1P2FT弯道平面弯道中水柱受力R凹岸凸岸横向流速垂线分布弯道水面超高弯道水面超高写出隔离体的横向受力平写出隔离体的横向受力平衡衡矢量矢量方程：方程：274.3.3 孔径

16、设计计算孔径设计计算 2022-8-25zy1JzhP1P2FT弯道中水柱受力021PPTF21(2)2zUFhJRr=+离心力为：离心力为：2121hP2221zJhP (4-14)(4-13)(4-16)(4-15)将（将（4-14）-（4-16）代入（）代入（4-13），忽略），忽略横比降的二次小量，得：横比降的二次小量，得：2zUJgR=(4-17)284.3.3 孔径设计计算孔径设计计算 2022-8-25h 近似计算式：近似计算式：2121222RRRRUhdBgRUdBgRU BgR 弯道水面宽弯道水面宽弯道曲率半径弯道曲率半径 (4-19)294.3.3 孔径设计计算孔径设计计

17、算 两岸水位差两岸水位差h：212RRUhdBgR (4-18)2022-8-25桥长的确定受以下影响：桥长的确定受以下影响：1 1）河床冲刷、河床冲刷、2 2）壅水、壅水、3 3）河流稳定控制。河流稳定控制。净孔径（桥长）净孔径（桥长）L Lj j：不含桥台间各阻水墩宽；：不含桥台间各阻水墩宽；毛孔径（桥长）毛孔径（桥长）L L：含桥台间各阻水墩宽含桥台间各阻水墩宽 。iqB墩迎水面宽墩迎水面宽（5 5）桥长桥长304.3.3 孔径设计计算孔径设计计算 2022-8-251 1）受冲刷控制受冲刷控制设：无桥设计洪水时过流断面面积设：无桥设计洪水时过流断面面积 A0,建桥后的过流断面面积建桥后

18、的过流断面面积 Aq定义：冲刷系数定义：冲刷系数P:P=A0 /Aq联合连续方程求解，可联合连续方程求解，可得桥下流速得桥下流速vq(4-20)桥孔净长桥孔净长(桥下过水宽桥下过水宽):Lj=Aq/hqqqQUA=(4-21)河型P山区峡谷段开阔段1.0-1.21.1-1.4山前稳定段变迁段1.2-1.41.2-1.8平原1.1-1.4314.3.3 孔径设计计算孔径设计计算 表表4-64-6 冲刷系数冲刷系数值值2022-8-252 2）受壅水控制受壅水控制桥前壅水最大高度桥前壅水最大高度 Z ZnjLZ(4-22)Z Z 允许值允许值根据防洪要求、桥梁高度等确定。根据防洪要求、桥梁高度等确

19、定。隐含于关系式：隐含于关系式：22()Zf UD=(4-23)324.3.3 孔径设计计算孔径设计计算 2022-8-253 3）受河流稳定性控制受河流稳定性控制经验式：经验式：cncpjBQQKL有明显河槽有明显河槽30.024.007.16dQCLpj(4-26)如西北、华如西北、华北游荡河槽北游荡河槽洪水频率系数洪水频率系数下标下标C表示河槽，表示河槽，P 表示设计表示设计分析河流横向演变趋势、经验公式，等分析河流横向演变趋势、经验公式，等.334.3.3 孔径设计计算孔径设计计算(4-25)2022-8-253 3）受河流稳定性控制受河流稳定性控制344.3.3 孔径设计计算孔径设计

20、计算 河段类别河段类别 K K n n稳定稳定 0.84 0.84 0.90 0.90次稳定次稳定 0.950.95 0.87 0.87不稳定不稳定 0.690.69 1.59 1.59表表4-74-7 式（式（4-254-25）系数和指数）系数和指数 break2022-8-25本本 讲讲 重重 点点1)桥址河段水力学特征；桥址河段水力学特征；2）水力学变量计算的基本原理和方法；水力学变量计算的基本原理和方法；3）桥孔长度、控制因素、相关计算桥孔长度、控制因素、相关计算4）桥孔高度设计考虑的因素、净空安全值取值条桥孔高度设计考虑的因素、净空安全值取值条件、水面超高分类件、水面超高分类5）基本

21、概念：桥长定义、冲刷系数、壅水基本概念：桥长定义、冲刷系数、壅水354.3.3 孔径设计计算孔径设计计算 2022-8-251 思考题思考题（1）桥渡设计洪水标准的表示方法）桥渡设计洪水标准的表示方法?（2）设计洪水由哪两因素表示）设计洪水由哪两因素表示?（3）设计洪水与校核洪水的区别）设计洪水与校核洪水的区别?（4）洪水重现期的单位？）洪水重现期的单位？（5）洪水频率分析中的洪水样本如何选取？）洪水频率分析中的洪水样本如何选取？（6）桥孔布设的内容及其与河流演变的关系？）桥孔布设的内容及其与河流演变的关系？（7）桥位河段水流变化特征及其原因？（分桥上游、桥下和）桥位河段水流变化特征及其原因？

22、（分桥上游、桥下和桥下游）桥下游）36第四次第四次 思考题思考题+作业习题（解答题）作业习题（解答题）2022-8-252 解答题解答题(交作业交作业)（1）某桥设计洪水标准为）某桥设计洪水标准为P=1%，建成于，建成于2010年，请问该桥何年，请问该桥何时将遇设计洪水？为什么？时将遇设计洪水？为什么？（2）某铁路跨河桥的桥位位于曲率半径）某铁路跨河桥的桥位位于曲率半径R为为1000m的平原河湾的平原河湾附近，河流上无漂浮物、泥石流和通航需求。前期水文勘测得附近，河流上无漂浮物、泥石流和通航需求。前期水文勘测得出的桥轴线河槽横断面如图出的桥轴线河槽横断面如图1所示，河床纵比降为所示，河床纵比降

23、为0.02%，主槽，主槽糙率糙率0.02，河滩糙率，河滩糙率0.025，桥下河床为中值粒径为，桥下河床为中值粒径为2mm的中等的中等密实覆盖层。已知该桥的设计洪水位为密实覆盖层。已知该桥的设计洪水位为157.8m，在预可行性研，在预可行性研究阶段，设计人员初步拟定该桥采用究阶段，设计人员初步拟定该桥采用532m等跨简支梁桥形式，等跨简支梁桥形式，桥墩宽度为桥墩宽度为2.5m，桥轴线与水流正交，梁底高程，桥轴线与水流正交，梁底高程159.0m。请回。请回答以下问题：答以下问题：37第四次第四次 思考题思考题+作业习题（解答题）作业习题（解答题）2022-8-251）试论该桥位河段的稳定性。）试论

24、该桥位河段的稳定性。2）根据所学桥渡设计知识及有关规范，判断该桥桥孔设计方）根据所学桥渡设计知识及有关规范，判断该桥桥孔设计方案（桥长及桥下净空）是否合理，若合理，请在图上画出桥墩案（桥长及桥下净空）是否合理，若合理，请在图上画出桥墩及桥台位置；若不合理，则给出合理的桥孔布置方案。及桥台位置；若不合理，则给出合理的桥孔布置方案。3）若按最大壅水高度限值为）若按最大壅水高度限值为0.10m设计，净桥长如何？设计，净桥长如何？4）若按冲刷系数不大于）若按冲刷系数不大于1.2设计，净桥长又如何？设计，净桥长又如何？38第四次第四次 思考题思考题+作业习题（解答题）作业习题（解答题）图图1 桥轴线河槽横断面图桥轴线河槽横断面图(完完)