桥涵水文第十六讲(总复习).ppt

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1、桥 涵 水 文（总复习）,道路桥梁系,水文学与桥涵水文基本概念,水文学定义：研究自然界中水体运行变化规律的科学。桥涵水文学属于工程水文学一类。工程水文学是一门阐述和运用水文规律、开发和发挥工程效益、为国民经济建设服务的学科。,桥涵水文学基本内容（一）,水文计算的任务是预估未来的水文情祝。主要是洪峰流量及其相应的水位。采用概率预估，预估未来某种出现机会的洪水的数值大小。“水文计算中的数理统计法（第二章），、“(大中河流)设计洪峰流量及设计水位的推求（第三章）”、“小流域暴雨设计洪峰流量计算（第三章）”等内容。,桥涵水文学基本内容（二）,洪峰流量的应用（第四章）预估桥梁全寿命期可能的水流冲刷深度和

2、河床变形（第五章）桥位勘测基本知识（第六章）小桥涵水文水力计算（第七章）,本课程的主要任务,1 推求设计水位确定桥面标高（第三章）2 推求设计流量初步确定桥涵孔径大小（第四章）3 河床变形及冲刷深度计算墩台埋置深度（第五章）4 熟悉桥涵水文基本知识和处理方法：河川径流基本知识、泥沙基本知识、小桥涵孔径确定、桥位勘测与桥位方案确定。,第一节 河流和流域,河流是一种天然水体，它由一定区域内的地面水和地下水所补给，并经常或间歇地沿着由其自身所造成的连续延伸凹地流动着。流域 把地面水和地下水补给河流的区域，即河流的地面集水区和地下集水区，合称为流域。,第一节 河流和流域,河流的分段一条河流从河源到河口

3、通常可分为上游、中游、下游三部分。河源是指河流的发源地，可以是溪涧、泉水、冰川、沼泽或湖泊等。河口 是河流流入海洋、湖泊或干流的地方。,第一节 河流和流域,河流各分段特点上游直接连着河源，其特点是河道坡度大，水流急，流量小，水情变化大，河谷窄、多急滩瀑布，河槽以冲刷下切占优势。中游特点是河道坡度变缓，流速减小，流量加大，冲淤不严重，河床比较稳定，但侧蚀力量增强，河糟逐渐拓宽和曲折，两岸出现滩地。下游河道坡度更缓，流速更小，流量更大，淤积作用显著，多浅滩或沙洲，河曲发育。,第一节 河流和流域,河流的基本特征 一般用河流断面、河流长度及河流比降来表示河流断面 分有横断面和纵断面。垂直于水流方向的断

4、面称为河流横断面。横断面内，自由水面高出某一水准基面的高程，称为水位。河流的纵断面是指河流最大水深点的连线的断面。河流纵断面的坡度一般从上游往下游逐渐变缓。,第一节 河流和流域,流域的特征 几何特征 主要是流域面积和流域形状 河流集水区域的面积大小，称为流域面积或汇水面积。思考题：流域面积和流域形状是如何影响径流的？,第一节 河流和流域,流域的几何特征 流域面积和流域形状是如何影响径流的？（p5）在相同地理条件下，流域面积A越大，径流量Q越大，流域对径流变化的调节作用也越大，因而洪水涨落平缓；流域面积A越小，Q越小，但洪水涨落较为急剧。流域形状影响径流汇集时间的长短和径流形成过程。若流域形状狭

5、长为羽毛形，则出口断面流量就小，径流过程的变化较小而历时较长。相反，扇形出口断面流量大，径流过程的历时较短。,第一节 河流和流域,山区河流和平原河流 特点描述 断面形状 径流特点 河床稳定性 山区河流 V 汇流时间短。暴涨暴落。水位流量变幅大。持续时间短。河床稳定。容易受地震、山崩、滑坡、泥石流影响。平原河流 U 汇流时间长。涨落平缓。水位流量变幅小。持续时间长。河床稳定性差。河床演变剧烈。,第一节 河流和流域,平原河道的平面形态，根据河床的稳定性情况可分为四种类型：顺直型 弯曲性 分汊型 散乱型（p7）,第二节 径流形成,降落在流域表面的雨水，除去损耗外，剩余的部分从地面和地下汇河槽中而形成

6、河川径流。其中来自地面的部分称为地面径流，来自地下的部分称为地下径流.(一)产流过程(蓄渗过程)降雨 植物截留 向洼地蓄水(填注)向土地下渗和少量蒸发 超渗雨 开始沿坡面漫流 地面径流下渗自降雨开始，至超渗雨水全部注入河槽才结束。二)汇流过程坡面慢流过程 流域蓄渗过程完成后,剩余雨水沿着坡面流动,称为坡面漫流。河槽集流过程 坡面漫流的雨水汇入河槽后，顺着河道由小沟到支流，由支流到干流，最后到达流域出口断面的过程。,第二节 径流形成,二 影响径流的主要因素：气候因素和下垫面因素气候因素：降雨 蒸发下垫面因素：流域的地形、土壤、地质、植被、湖泊等。三 我国河流的水量补给 流入海洋的河流，称为外河流

7、；流入内陆湖泊或消失于沙漠之中的河流，称为内流河。,第二节 径流形成,水量补给的基本来源：雨源类、雨雪源类、雪源类雨源类 地区分部：秦岭、淮河以南知道台湾、海南岛、云南等地区。特点：一年内径流量的变化与降雨变化完全一致。水量充沛。西部和北部地区的河流以秋汛为主，东南沿海地区常因台风影响而发生大洪水，多出现夏汛。年流量过程线：双峰或多峰肥胖型雪源类 西北地区新疆、青海等地 年流量过程线：单峰型雨雪源类 华北、东北地区 年流量过程线：双峰型（夏汛、秋汛）我国幅员辽阔，江河众多，各地区的自然条件相差很大，因而各地区的河流也具有不同特性。,第一讲 复 习,1 水文学概念及其分类2 河流的分段以及各河段

8、的一般特性3 河流的基本特征4 河流横断面的一般组成5 流域几何特征是如何影响径流的？6 山区河流和平原河流的基本特点7 平原河流分类及其河床演变特点,第一讲 复 习,8 径流形成过程9 影响径流的因素（降雨强度、历时、面积、暴雨中心位置及其移动方向）10 按照水源河流可分为哪几类？其年流量过程线特点？,第四节 水文资料的搜集和整理,水文资料的来源：水文站观测资料、洪水调查资料、文献考证资料。,第四节 水文资料的搜集和整理,由洪水调查水位推算洪水流量步骤（掌握例题）1 选择形态断面(计算流量的断面,要求顺直稳定无分汊)2 计算形态断面的流速和流量 水力半径R：对于宽浅河流,当水面宽度大于断面平

9、均水深的十倍时,湿周可近似地用水面宽度，此时R约等于断面平均水深。则有：,第四节 水文资料的搜集和整理,3 确定洪水比降 可以根据水文站观测资料确定，也可根据洪水调查资料推算。4 确定河床粗糙系数n 为河槽基本特性系数，可以由河床特征进行确定。一般天然河道的粗糙系数由河床组成沙砾及床面平整度、河床平面曲度及水流通畅度、两岸岸壁土质等有关。（表1-1、1-2）对于复式断面，河滩和河槽的n、i都不一样，流量要分别计算。,第四节 水文资料的搜集和整理,例题1-1（p24）由实测形态断面数据推测洪水流量（形态法）1 掌握整体解题思路 划分河槽与河滩，分别计算Q 由实测资料计算水力半径，满宁公式计算V，

10、流量Q=面积流速。2 读图1-26。图上数据解释 桩号意义 水深的计算 表1-3，掌握实测横断面数据列表格式及其计算。如何推求各个桩号之间的面积。直至河滩、河槽平均水深的计算。3 水力半径R的计算：必须判断是否可用近似计算，才能约等于平均水深。否则用R=湿周/水面宽度,第四节 水文资料的搜集和整理,习题：简述本课程的主要内容和任务。简述一般山区河流和平原河流的特点。简述径流形成过程。简述流域面积及其形状对径流的影响。形态法由调查洪水推求洪峰流量的解题思路和步骤，要求掌握计算。,1 周期性 就是许多水文现象具有周期地循环变化的性质。水文现象有着年、年际周期变化的规律2 地区性3.不重复性(随机性

11、)不重复性是指水文现象无论 什么时候都不会完全重复出现。,2.1河川水文现象的特性和分析方法,水文学的研究途径,3条主要研究途径:1）通过物理成因的分析以探求水文现象必然性规律的“成因分析”法2）地区归纳法 利用区域性规律确定水文参数3）通过统计分析以探求水文现象偶然性规律的“数理统计”法。这两种方法，是由于水文现象的客观性质决定的。,2.2 机会率和概率,随机事件具有统计规律。研究随机事件客观规律性的方法之一就是数理统计法利用大量同类随机事件统计数据推求随机事件所遵循的客观规律。水文统计法：就是利用流量、降雨量等实测水文资料作为随机变量，通过统计分析，推求水文现象的客观规律的一种方法。,2.

12、3 频率分布,一 频率分布及其特性密度曲线 表示的某一变量值X可能出现的频率p。频率曲线或分布曲线表示的是大于某一量值的变量出现的机率。,2.3 频率分布,图2-2 流量与累积频率关系折线图分布曲线 累积频率分布函数可以由密度函数积分而得。即某变量X对应的密度曲线左侧下围面积P就是x所对应的累积频率。见p34。图2-3,2.3 频率分布,二 累积频率和重现期频率曲线：水文计算中，一般以等于或大于某一数值的变量出现次数（即累积出现次数）与总次数的比值，称为该变量的频率。（即前述累积频率）一般用百分数表示。有时也用分数表示。1/50。重现期：表示该变量大约平均在多少年内出现一次。单位：年,2.4

13、经验频率曲线,水文统计法中的频率曲线分为两类：由实测资料绘制的频率曲线称为经验频率曲线。具有一定数学形式的频率曲线，通常被称为“理论”频率曲线。,2.4 经验频率曲线,复习问题：河川水文现象的特性和分析方法水文统计法概念密度曲线和频率曲线设计洪水频率累积频率和重现期的换算,2.4 经验频率曲线,一 经验频率曲线的绘制 频率计算公式：1）简单公式（2-7）2）维泊尔公式（均值公式、数学期望公式）（2-8）3）切哥达也夫公式（中值公式）（2-9）4）海森公式（2-10）,式中：p为频率；m为系列按照递减次序排列时，各随机变量的顺序号；n为随机变量的总项数，即水文资料观测的总年数。,2.4 经验频率

14、曲线,我国水文统计中一般采用维泊尔公式计算经验频率。经验频率曲线的绘制步骤：1）收集水文资料，组成随机变量系列。2）降变量系列从大到小递减顺序排列。此时系列中变量的顺序号m，不仅表示变量大小的先后顺序，还表示等于和大于该变量的累积出现次数。3）按照维泊尔公式列表计算各变量对应的累积频率。4)以变量为纵坐标、频率为横坐标，在经验频率曲线上绘制经验频率点。5）依据经验点群的变化趋势，描绘成一条圆滑的曲线，即为所求的经验频率曲线。,2.5 统计参数,水文统计中常用的统计参数有三个：均值、变差系数Cv、偏差系数Cs。一 均值、中值、众值 均值的意义：1）反映变量系列在数值上的大小；2）是系列的分布中心

15、，即机率分布中心处的变量。密度曲线中，其垂线是曲线下方面积的重心轴。,2.5 统计参数,理论和实践都证明，当实测的资料系列较长时，均值趋于稳定。因此，由较长系列实测资料推求的均值，可近似地代替总体的均值。均值表示系列的平均情况，它表明系列总水平的高低，可供系列之间比较用。,2.5 统计参数,二 均方差和变差系数 均方差和变差系数表明系列分布对均值是比较分散还是集中，能反映频率分布对均值的离散程度。,2.5 统计参数,二 均方差 和变差系数Cv对水文现象来说，各水文特征值的变差系数Cv大小反映了该特征值对其均值的相对变化幅度的平均值，它与流域的大小及河流所在的地区有关。一般地，大流域河流较小流域

16、河流的水文特征值变化幅度小，因此，大流域河流的Cv小，小流域河流的Cv大，平原和山区河流比较，平原河流Cv小，山区河流的Cv，南方河流与北方河流比较，南方河流 Cv小，北方河流的Cv大。融雪洪水的Cv较稳定，而暴雨洪水的Cv值不稳定。,2.5 统计参数,四 统计参数同密度曲线及频率曲线的关系均值：反映密度曲线的位置变化情况，其它值不变时，曲线位置随均值的变化沿x轴左右移动。,2.5 统计参数,四 统计参数同密度曲线及频率曲线的关系变差系数：反映密度曲线的高矮变化情况。其它值不变时，曲线位置随变差系数的变小而变得高而瘦。变差系数为0时，密度曲线为一垂线。,2.5 统计参数,四 统计参数同密度曲线

17、及频率曲线的关系偏差系数：反映密度曲线的偏斜程度。其它值不变时，曲线位置随偏差系数的变小而由向x轴正向偏斜。偏差系数为0时，密度曲线为正态。,2.5 统计参数,四 统计参数同密度曲线及频率曲线的关系均值：反映频率曲线的位置高低情况，其它值不变时，曲线位置随均值的变化整体抬高。,2.5 统计参数,四 统计参数同密度曲线及频率曲线的关系变差系数：反映频率曲线的陡坦程度。其它值不变时，曲线位置随变差系数的变大而变陡，头部上抬，尾部降低。变差系数为0时，频率曲线平行于x轴。,2.5 统计参数,四 统计参数同密度曲线及频率曲线的关系偏差系数：反映频率曲线的曲率大小。其它值不变时，曲线位置随偏差系数的变大

18、而曲率变大，头部上抬变陡、尾部上抬变平缓。变差系数为0时，频率曲线为直线。,2.5 统计参数,四 统计参数同密度曲线及频率曲线的关系研究意义：1）频率曲线可以由统计参数来确定其频率分布和频率曲线的特征。可以利用实测水文资料系列（样本）推求近似总体的统计参数，并确定总体的频率分布和频率曲线。2）掌握各参数对频率曲线的影响方向，可以按照需要调整理论参数大小，以便与实测点据符合得最好。,2.4 2.5经验频率曲线和统计参数,复习问题：经验频率曲线绘制步骤经验频率曲线外延误差减少方法三大统计参数对频率曲线位置的影响不同河流Cv值大小比较,2.6 理论频率曲线,所谓“理论频率曲线”，绝非从成因上为推求水

19、文特征值找到了理论的依据，而仅是为了配合经验频率点外延频率曲线提供的一种数学模型。在我国的水文计算中，使用得最广泛的为皮尔逊型曲线，其次，在北方的一些干旱地区，克一门曲线有时也能得到满意的结果。近来，有人推荐使用耿贝尔曲线。,2.6 皮尔逊型曲线的应用,累积频率曲线的p密度曲线的积分，对皮尔逊密度方程式进行一定的积分，可以得到我们需要的频率曲线纵坐标对应的XP的计算公式为：式中，XP 频率为P的随机变量；为离均系数。KP 模比系数。一般根据拟定的比值 的值和给定的频率p，预先制定了模比系数查值表。见表2-7。P50-52,2.6 皮尔逊型曲线的应用,皮尔逊型曲线推求理论频率曲线的步骤：1）搜集

20、年最大流量资料样本，组成变量系列；2）将变量按从大到小顺序排列；3）计算系列的三大统计参数：,2.6 皮尔逊型曲线的应用,皮尔逊型曲线推求理论频率曲线的步骤：4）按照皮尔逊计算公式列表计算各指定频率的流量；5）将列表计算结果中的频率为横坐标，流量为纵坐标，在海森机率格纸上绘出各点，并按照点群变化趋势连接成光滑曲线，即为所求的皮尔逊型理论频率曲线；,2.6 皮尔逊型曲线的应用,四 适线法“理论”频率曲线绘制的基本原则是以实侧资料的经验频率点为依据，配一条具有一定线型的“理论”频率曲线，使该曲线能最好地反映点群的趋势。配线的具体方法有多种，目前工程上应用最广的为适点法。适线法：是选定统计参数，绘制

21、理论频率曲线的一种方法，并以绘制的理论频率曲线与实测资料配合得最好，作为选定统计参数的原则。,2.6 皮尔逊型曲线的应用,四 适线法 适线法的基本步骤：1）将已知的随机变量系列，按照从大到小递减次序排列，按照维泊尔公式计算变量的经验频率曲线，并在海森机率格纸上绘出经验频率点，需要时目估经验频率曲线，或者用铅笔点绘出经验频率曲线；2）按照定义式初步计算三个统计参数：均值，变差系数，偏差系数，按照皮尔逊型曲线计算出理论曲线并在同一机率格纸上绘出理论频率曲线；3）目估检查所绘理论频率曲线与经验频率曲线的符合程度，反复调整统计参数值，直到两者符合得最好为止。最后得到三个统计参数的最终采用值，即得到最符

22、合实测资料的理论频率计算公式。,2.6 皮尔逊型曲线的应用,四 适线法 水文统计法中，用得最多的适线法有“求矩适线法”和“三点适线法”。求矩适线法步骤：1）绘出经验频率曲线；2）按照定义式初步计算二个统计参数：均值，变差系数；3）假定偏差系数Cs的大小。由p，Cs/Cv查表得到Kp,按照皮尔逊型曲线计算公式(2-35)列表（格式同2-8p53）并点绘理论频率曲线。4）目估检查所绘理论频率曲线与经验频率曲线的符合程度，根据各参数对频率曲线位置的影响，反复调整统计参数值，直到两者符合得最好为止。最后得到三个统计参数的最终采用值，即得到最符合实测资料的理论频率计算公式。,2.7 相关分析,相关：变量

23、之间近似的或平均的关系称为相关，研究这种关系的方法，称为相关分析。简单相关中的直线相关：就是两个变量之间的相关，可以近似地配成一条直线。这条直线的方程式就称为两变量的回归方程式。,2.7 相关分析,一 直线相关的回归方程式 相关图解法是把两个变量的对应观测资料点绘在一张图上，得到若干个相关点子，再通过点群中心目估一条相关线，该相关线视点群的趋势可能是直线也可能是曲线，它代表了点群趋势的平均情况，有了这条相关线，就可以利用长系列资料延长另一短系列资料。解析法：建立两变量之间的回归方程式，作为绘制回归线的依据，可以避免目估的随意性。,2.7 相关分析应用,相关分析步骤：1）用图解法初步判断两变量之

24、间是否存在直线相关。2）列表计算两系列中的统计参数：均值，模比系数等。表栏设计见p72。3）计算相关系数r及4Er。并判别两变量之间是否存在较为密切的直线相关。r 0.8,且 才能进行相关计算。4）计算，得出回归方程式；5）按照回归方程式对短系列资料延长或插补计算。,第三章 设计洪水流量,复 习1 经验频率的绘制2 重现期与频率的换算3 三个统计参数对频率曲线的影响4 皮尔逊理论频率曲线的推求5 求矩适线法的基本步骤6 相关分析概念及其分析步骤,第三章 设计洪水流量,设计流量：是指相应于设计洪水频率的洪峰流量（m3/s）。设计水位：桥位计算断面上通过设计流量相应的水位，称为设计水位（m）。设计

25、流速：设计流量通过时桥位断面的河槽平均流速（m/s）。,第三章 设计洪水流量,推求设计流量的方法汇总：一 水文统计法 适用于大中河流，具有一定长度的实测资料，最好还有调查到的特大洪水资料；二 地区性公式、暴雨径流的推理公式 适用于中小河流，难于搜集到实测洪水资料，但可以搜集到降雨资料或地区性水文资料情况；三 相关分析 延长水文资料 适用于桥位附近资料较少，但相邻地区或河段有较多资料情况。应通过多种途径、采用不同方法，尽量搜集可能搜集到的一切水文资料，应用不同的方法分析推求设计洪水流量。采用不同方法得到的同一桥梁的设计流量大小可能不同，可经对比分析论证后，选用一个合理数值。,资料的审查内容如下:

26、(1)资料的可靠性:即鉴定资料的可靠程度。（2）资料的一致性（3）资料的代表性（4）资料的独立性 系列中的变量必须相互独立。,3.1 根据流量观测资料推算设计流量,3.1 根据流量观测资料推算设计流量,求矩适线法步骤：1）绘出经验频率曲线；2）按照定义式初步计算二个统计参数：均值，变差系数；3）假定偏差系数Cs的大小。由p，Cs/Cv查表得到Kp,按照皮尔逊型曲线计算公式(2-35)列表（格式同2-8p53）并点绘理论频率曲线。4）目估检查所绘理论频率曲线与经验频率曲线的符合程度，根据各参数对频率曲线位置的影响，反复调整统计参数值，直到两者符合得最好为止。最后得到三个统计参数的最终采用值，即得

27、到最符合实测资料的理论频率计算公式。,三 特大值的处理为什么要进行特大值的处理？通过特大值处理，可以延长系列资料，增强系列的代表性，减少各参数值的抽样误差，从而提高计算成果的稳定性和可靠性。一般同时采用三种来源的资料：水文站观测资料、参证站插补和延长资料、调查洪水和文献考证资料。,3.1 根据流量观测资料推算设计流量,三 特大值的处理实测期：把水文站观测资料的年限称为实测期（包括由参证站实测资料相关分析插补延长的资料）。调查期：调查洪水的最远年份到实测完毕的年限。（包括实测期）考证期：文献考证到的最远年份到实测完毕的年限。（包括调查期）连续系列：由实测和插补延长资料组成的系列中，如果没有特大洪

28、水值需要提出单独处理，各项洪水值直接按其大小顺序统一排位，序号不间断，这一样本称为连续系列。不连序系列：当有特大洪水值，需在更长的时期内进行排位，序号不连序，这种样本的系列称为不连序系列。,3.1 根据流量观测资料推算设计流量,三 不连续系列的频率的计算1 不连续系列的经验频率的计算方法将不连续系列划分为几个连续系列，作为从总体中抽取的几个独立样本，分别进行排位，对于每一个独立样本就可以按连续系列处理。若某项洪水可以同时在两个连序系列中排位时，其经验频率取其中抽样误差较小的（计算年限较长的系列推算的频率）。采用维泊尔公式计算经验频率。,3.1 根据流量观测资料推算设计流量,3.1 根据流量观测

29、资料推算设计流量,四 利用年最大流量系列推算设计流量步骤1 选取样本 尽可能长。包括实测、插补、调查、考证资料。2 计算经验频率，绘制经验频率曲线3 确定统计参数，绘制理论频率曲线（用适线法）4 计算设计流量：利用选定的统计参数计算5 审查计算结果 可以参照地区经验值审查。,3.2 缺乏流量观测资料时推算设计流量,一 大中河流的流量计算方法 根据调查历史洪水资料推算设计洪峰流量(一)若调查到若干个历史洪水资料并能确定它们的重现期，则可采用在海森概率格纸上点绘经验频率曲线将曲线外延即可粗略读出设计洪峰流量值。(二)若调查到的历史洪水资料数量较少，不能点绘经验频率曲线。在历史洪水的重现期较准确时可

30、按下法估算三个参数。,3.2 缺乏流量观测资料时推算设计流量,一 大中河流的流量计算方法 根据调查历史洪水资料推算设计洪峰流量 均值：1）有十年以上的观测资料，一般就可以直接采用。2）若调查到的历史洪水平均水位，可以用形态法计算平均流量。3）若无所有资料，可以利用平均流量的经验公式直接计算或按照地区性手册或资料选用。,3.2 缺乏流量观测资料时推算设计流量,一 大中河流的流量计算方法 根据调查历史洪水资料推算设计洪峰流量 变差系数：1）有十年以上的观测资料，一般就可以直接采用Cv计算结果，但Cs的不能采用。2）可以参照采用邻近河流的相应值。3）若无所有资料，可以利用平均流量的经验公式直接计算或

31、按照地区性手册或资料选用。,第二节 缺乏流量观测资料时推算设计流量方法,四 各表的用法1）直接由经验公式推求p为1和2的设计流量 Q2%KFn Q1%/Q2%2）计算理论频率曲线的三个统计参数，用皮尔逊型曲线推求对应于设计流量。,一 桥位河段的水流图式 绝大多数的桥位是处于缓流河段。因此，水力学中缓流河段的水流图式及其孔径计算方法，适用于大多数桥梁的孔径计算。水流图式：,5.1 桥位河段水流图式和桥孔布置原则,一 桥位河段的水流图式,5.1 桥位河段水流图式和桥孔布置原则,一 桥位河段的水流图式,5.1 桥位河段水流图式和桥孔布置原则,一 桥位河段的水流图式 说明桥位河段的水流图式如上三页所示

32、。桥位河段的平面，河流的天然水面宽度为B，桥孔长度为L，正常水深(均匀流水深)为h0。由于桥孔对水流的压缩，从桥位上游相当远处的断面起，水面就开始壅高，并呈a1型雍水曲线，无导流堤时直到桥位上游大约一个桥孔长度L处的断面(有导流堤时则为上游坝端附近)，达到最大壅水高度Z。水流接近桥孔时，在宽度和深度方向都急剧收缩而呈“漏斗”状，无导流堤时直到桥位下游附近的断面有导流堤时则到桥位中线断面，水面最窄，流速最大，形成桥位河段的“颈口”，称为收缩断面。收缩断面下游，水流又逐渐扩散，到断面 才恢复天然状态。并且在水流收缩段的主流与河岸之间，由于水流分离现象，桥台上下游两侧将形成回水区域。壅水段泥沙淤积，

33、至最大壅水高度附近淤积最严重，其后随着水流速度加快，在桥位河段出现河床冲刷，至收缩断面附近达到最大冲刷深度。冲刷所挟带的泥沙在下游水流扩散时落淤，直至在断面后达到天然河流的自然平衡状态。,5.1 桥位河段水流图式和桥孔布置原则,三 各类河段上桥孔布设基本分七类：峡谷性、稳定性、次稳定性、变迁性、游荡性、宽滩性、冲积漫流性一般桥孔最好不要压缩河槽，考虑河床演变，特别是凹岸的冲刷，壅水高度不影响邻近地区。是否适合一河一桥。,5.1 桥位河段水流图式和桥孔布置原则,复 习,桥位河段水流和泥沙特点？大、中桥桥位布置应注意哪些问题?为什么要进行河段分类?我国河段分为几类?它们是根据什么原则分类的?试比较

34、稳定性与次稳定性河段上桥位总体布设的一般要求，看有何区别?,5.2 桥孔长度,桥孔净长：设计水位以上两桥台之间的水面宽度称为桥孔长度，以L表示。扣除全部桥墩宽度后称为桥孔净长。桥孔长度的确定，应满足排水和输沙的要求，综合考虑桥孔长度、桥前壅水和桥下冲刷的相互影响。目前，我国桥孔长度的计算方法有冲刷系数法和经验公式法。,5.2 桥孔长度,过水面积法（冲刷系数法）原理：利用桥位断面的设计流量和设计水位，根据水力学的连续性原理，推求桥下顺利泄洪所需要的最小过水面积，用以确定桥孔的最小长度。建桥后水流和河槽的变化过程建桥后，桥孔压缩了水流，桥下流速增大，水流挟沙能力增强，河槽开始冲刷.随着冲刷后桥下水

35、深的增加，过水面积扩大，流速降低，河槽冲刷将相应减缓直至停止，这就是建桥后水流和河槽的变化过程。别列柳伯斯基假定：别列柳伯斯基于1875年提出了如下假定:当桥下过水断面扩大，使桥下流速等于天然河槽流速时，桥下冲刷将停止.他建议用天然河槽平均流速作为河槽冲刷停止时的平均流速。因此，计算桥孔长度时，常采用天然河槽的平均流速作为设计流速。,5.2 桥孔长度,过水面积法（冲刷系数法）建桥后，设计水位Hs下过水面积的组成如下图所示。其中桥墩所占的面积阻挡水流，墩台侧面产生涡流所占的面积形成滞流区而阻断水流，只有剩余部分才是桥下实际泄流(排洪或输沙)的面积，称为有效过水面积。,5.2 桥孔长度,过水面积法

36、（冲刷系数法）公式参数说明,5.2 桥孔长度,过水面积法（冲刷系数法）公式用上述公式，即可求出桥下通过设计洪水时所需最小过水面积。然后，在桥位断面图(河流横断面图)上布设选定的桥孔设计方案，计算实有的桥下净过水面积(或毛过水面积)，若等于或稍大于上述公式计算的Aj，(或Aq)，则表明设计方案符合所需要的桥下最小过水面积，其对应的桥孔净长L,，(或桥孔长度L)即为所求的桥孔长度。否则，应重新选定桥孔设计方案，重复上述计算，直到符合桥下最小过水面积的要求为止.对于桥孔轴线与水流方向斜交的桥梁，实有的桥下过水面积应以垂直于水流方向的投影面来计算。,5.2 桥孔长度,第三节 桥面标高桥面标高：桥面高程

37、以桥面标高定量表示，桥面标高是指桥面中心线的最低标高。引起桥下水位升高的因素1 壅水 2 波浪 3 其它 除壅水和波浪外，还应考虑其它因素产生的水面壅高。如河湾水面横比降引起水位超高，常以其一半计入。河流的淤积、局部股流壅高、水拱现象等，一般以调查和实测确定。,5.3 桥面标高,三 通航河流的桥下净空不通航河流桥下净空 通航河段桥下净空,5.3 桥面标高,大、中桥桥位布置应注意哪些问题?为什么要进行河段分类?我国河段分为几类?它们是根据什么原则分类的?试比较稳定性与次稳定性河段上桥位总体布设的一般要求，看有何区别?何谓桥孔长度和桥孔净长?我国目前采用哪几种方法计算?桥面标高的确定应考虑哪些因素

38、?,复 习,确定桥梁孔径有哪两种方法？桥梁修建前后，桥位河段和水流图式会发生什么变化?试述桥孔布置的主要原则与要求。什么是桥孔长度和桥孔净长?目前有哪几种计算方法?桥孔长度的确定应考虑哪些因素?如何确定桥面最低高程?影响桥面最低高程的因素有哪些?,课 堂 习 题,已知:某桥桥下为通航河流，最大桥墩间距120m,河道通航等级为级;经计算，河道设计水位（高程）为863.00m,河道设计最高通航水位（高程）为860.50m;桥为T型梁，结构高度为1.20m;桥面铺装厚度为0.12m,人行道高度0.20m,护栏高度1.2m;桥前最大雍水高1.26m，浪高0.82m,水拱高度0.65m。试求桥面最低高程

39、。,第六章 桥墩和桥台冲刷,桥梁墩台冲刷一般包括三部分:河床自然（演变）冲刷、桥下河床全断面内发生的一般冲刷、桥墩周围水流结构发生急剧变化而引起的河床局部冲刷。,第一节 泥沙运动,泥沙分类：按河槽内运动形式和性质不同，分为悬移质和推移质两类。悬移质：在一定的水流条件下，泥沙处于运动状态、颗粒较细的泥沙被水流中的漩涡带起，悬浮于水中向下游运动，沿水流方向前进的速度与水流的流速基本相同，这种泥沙称为悬移质。推移质：颗粒稍大的泥沙.则在河床表面上滚动、滑动或跳跃着向下游移动，前进的速度远远小于水流的流速，往往以沙波形式向前运动，这种泥沙称为推移质。,第一节 泥沙运动,一 泥沙主要特性 1 几何特性

40、一般用直径（粒径）、粒径级配曲线（粒配曲线）、平均粒径（）、中值粒径（）来表示。1）粒径（d）2)粒径级配曲线(粒配曲线)河流泥沙是由大小不同的颗粒组成的群体，各种颗粒的粒径在群体中所占的比例，用级配曲线来表示。粒径级配曲线通常画在半对数坐标纸上，横坐标表示粒径大小，纵坐标表示小于某粒径的泥沙在整个沙样中所占的重量百分比。,第一节 泥沙运动,一 泥沙主要特性 1 几何特性2)粒径级配曲线(粒配曲线),比较a、b曲线能看出什么？,第一节 泥沙运动,一 泥沙主要特性 1 几何特性2)粒径级配曲线(粒配曲线)粒径级配曲线能清楚地表明沙样粒径的大小和均匀程度，图中，沙样a的粒径较粗而大小级配均匀，沙样

41、a的粒径较细而且大小级配不均匀。3）平均粒径和中值粒径 沙样的代表粒径常用平均粒径和中值粒径来表示。,第一节 泥沙运动,3.水力特性泥沙沉速：泥沙颗粒在静止的清水中均匀下沉的速度来表示，称为沉速，符号用表示，单位为cm/s。,第一节 泥沙运动,二 泥沙的起动泥沙的起动：河床上的泥沙在水流作用下.由静止状态转变为运动状态，这种现象称为泥沙的起动。它是河流泥沙由静止到运动的临界状态，此时的临界水流条件，称为泥沙的起动条件。泥沙颗粒的起动，是推动颗粒运动的水流作用力和抗拒颗粒运动的阻力之间，失去平衡的结果。,第一节 泥沙运动,二 泥沙的起动a）表示泥沙颗粒处的垂线流速分布和推动泥沙颗粒运动的床面作用

42、流速。b）表示泥沙颗粒周围的水流作用力。,b）,第一节 泥沙运动,二 泥沙的起动泥沙颗粒起动的临界条件，是推动颗拉运动的各力对支点O的力矩之和等于抗拒颗粒运动的各力对支点O的力矩之和。,第一节 泥沙运动,二 泥沙的起动泥沙迎水面产生向前的冲压力，同时，泥沙顺粒附近的水流形成绕流，上方在颗粒的顶面流速加快、压力减小，与底面产生压力差而形成向上的负压力，在颗粒的背水面，由子绕流漩涡的作用，使颗粒表面产生了向前的负压力，在泥沙颗粒的下面，由于水流被阻挡，而产生向上和向前的表面压力。泥沙颗粒表面上的这些动水压力，将合成向前的推移力和上举力，构成了驱使泥沙颗粒运动的水流作用力。另一方面，泥沙颗粒还受重力

43、Q和邻粒间摩擦力F的作用，对细颗粒还有颗粒间的粘结力，这些力又构成 了抗拒泥沙颗粒运动的阻力。,第一节 泥沙运动,二 泥沙的起动起动流速：就是床面泥沙颗粒在各种外力作用下，失去平衡，泥沙开始运动时的水流垂线平均流速。通常采用指流的垂线平均流速v0表示作用流速。,第一节 泥沙运动,二 泥沙的起动张瑞瑾导出的起动流速公式为：沙玉清公式：第一项反映重力的作用，第二项反映分子粘结力的作用，对于大颗粒泥沙第一项的数值为主，对于细颗粒泥沙则第二项为主。,第一节 泥沙运动,令水深为1m，以张和沙的公式分别绘制起动流速与粒径的关系曲线如下（下为张瑞谨公式）两条曲线的形状基本相同，中间偏左处，起动流速都有个最小

44、值。图中曲线表明，这个最小值的右侧，粒径增大时起动流速也随之增大（粘结力影响大），而最小值的左侧，起动流速随粒径减小而增大（重力影响大）。,第一节 泥沙运动,四 推移质输沙率推移质输沙率：是单位时间内，在过水断面中单位河槽宽度上通过的推移质数量，单位为kg/m3。五 含沙量和挟沙能力水流的挟抄能力：在一定的水流条件和边界条件下，单位体积的水流能够挟带捉沙的最大数量，称为水流的挟抄能力，单位为kg/m3。含沙量：单位体积的水流所含悬移质的数量，称为含沙量单位为kg/m3。,第二节 河床演变和河相关系,河床演变：在天然状况下或人类活动的干扰后，河床形态的不断变化，称为河床演变，是水流与河床长期相互

45、作用的结果，并通过泥沙运动来实现。,第二节 河床演变和河相关系,二、河床演变的基本知识引起河床演变的最根本的原因是输沙的不平衡。当河床因外界条件变化而出现冲刷后，过水断面逐渐增大，同时床面粗化，粗糙程度增加流速随之减小；水流挟沙能力降低，便冲刷过程减缓，趋向输沙平衡，对于淤积河段，也有这种促使变形逐渐减缓而趋于停止的情况。冲积河流的这种现象，称为冲积河流的自动调整作用。自动调整作用促使河床变形趋于停止，使输沙不平衡趋向输沙平衡。,第二节 河床演变和河相关系,二、河床演变的基本知识影响河床演变的因素很多，主要有下列三个方面：1 上游来沙条件（流域的产沙条件）2 上游来水条件（流量的大小变化）3

46、河床的土质和比降,第二节 河床演变和河相关系,三 河相关系河相关系：河床的几何形态与水力因素和泥沙因素(如流量、泥沙粒径等)之间的关系，称为河相关系。造床流量：一个与多年流量过程的综合造床作用相当的流量作为代表流量，称为造床流量。造床作用最大。一般采用平滩水位相应的流量作为造床流量。此时的水流恰好充满河槽，对河槽形态的塑造作用最大，水位再升高.则水流漫过河滩，造床作用反而削弱。,第二节 河床演变和河相关系,三 河相关系2 断面宽深比 苏联水文研究所根据苏联平原河流的资料，提出宽深比的公式如下：宽深比是河段稳定性的指标，其值越大，河槽越宽浅，河槽的稳定性越差。,第三节 桥下河床断面的一般冲刷,河

47、上建桥后，桥下过水断面受压缩减少，桥下流速增大，水流挟沙能力相应增强，桥下河床全断面内发生的普遍冲刷，称为一般冲刷。随着一般冲刷的发展，桥下过水断面逐渐加大，流速又将逐渐下降，当达到新的输沙平衡状态，或者桥下流速降低到河床质的允许不冲刷流速时，冲刷即行停止，一般冲刷深度至此达到最大。桥下河床在一般冲刷完成后，从设计水位算起的某一垂线水深，称之该垂线处的一般冲刷深度。,第三节 桥下河床断面的一般冲刷,桥下一般冲刷可按下述三类公式计算。一 按输沙平衡建立的公式二 按冲止流速建立的公式三 根据别列柳伯斯基假定建立的公式,第三节 桥下河床断面的一般冲刷,桥下一般冲刷可按下述三类公式计算。一 按输沙平衡

48、建立的公式原理：建桥后，若上游天然河槽断面输移来的泥沙量(来沙量)较少，不足以补偿桥下河流断面被水流冲走的泥沙量(排沙量)，.则桥下河活断面的来沙呈小于水流挟沙能力，桥下断面发生冲刷。随着冲刷的发展，桥下河槽断面的水流挟沙能力逐渐降低，上游来沙则和桥下排沙量将逐渐接近以至相等，此时桥下河槽断面达到输沙平衡。冲剧随之停止，一般冲刷深度达到最大。根据上述输沙平衡概念建立一般冲刷深度计算公式。,第三节 桥下河床断面的一般冲刷,二按冲止流速建立的公式原理：桥下一般冲刷停止时的垂线平均流速，称为不冲刷流速，工程界常称之为冲止流速。按此概念假定当桥下河槽断面内任一垂线的平均流速达到冲止流速时，此垂线处冲刷

49、停止，至此，一般冲刷深度达到最大，此时的最大水深即为所求一般冲刷深度。,第四节 桥墩的局部冲刷,局部冲刷示意图,第四节 桥墩的局部冲刷,冲刷深度与行近流速关系床面开始冲刷时冲向桥墩的水流行近流速（垂线平均流速）称为桥墩起冲流速v0。桥墩起冲流速v0一般为床沙起动流速v0的0.40.6倍。根据模型试验和观测资料可知，桥墩局部冲刷深度与涌向桥墩的流速V有关。当V逐渐增大到一定数值时，桥墩迎水面两侧的泥沙开始被冲走而产生冲刷，此时涌向桥墩的垂线平均流速称为墩旁床沙的起冲流速v0。当v大于V0（V表示河床泥沙的起动流速)并继续增大时，冲刷坑逐渐加深和扩大，局部冲刷深度与V近似呈直线关系增大，当V增大到

50、V。时，床面泥沙大量起动，上游来的泥沙有些将潜留在冲刷坑内，因此当VV0并继续增大时，冲刷坑深度的增长因有泥沙补给而减缓，局部冲刷深度hb与V呈曲线关系。,第四节 桥墩的局部冲刷,冲刷深度与行近流速关系,第六节 最低冲刷线高程,一 最低冲刷线高程桥墩的最低冲刷线高程Hmin（m）为：桥台的最低冲刷线高程Hmin（m）为：上式中h为桥台所在位置的平均水深。,第六章 桥墩和桥台冲刷复 习 问 题,桥梁墩台冲刷一般包括哪三部分？泥沙主要特性？粒径级配曲线床面泥沙受力与起动起动流速与粒径的关系曲线天然河流的自动调整作用桥下一般冲刷三类公式计算原理局部冲刷深度与行近流速关系如何推求最低冲刷线高程,第七章