桥涵水文第一章.ppt

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1、桥 涵 水 文,武汉理工大学交通学院 谭金华,自我介绍:,Tel：Email:tan,谭金华,武汉理工大学交通学院,水文学与桥涵水文基本概念,水文学定义：研究地球上水体存在、循环、分布和它在地面、地下运行变化规律的科学。水文学分类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、为国民经济服务的学科。,水文学分类,陆地水文学分类,桥涵水文学基本概念,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。桥涵水文学则是服务于桥涵工程的规划、设计、施工、养护，主要叙述水循环从降水到径流这一过程中，关于地面

2、径流(特别是河流中的洪峰流量)的形成、观测和以设计洪峰流量为主的分析计算、水位、冲刷深度计算等内容。在桥涵(或线路)的规划设计阶段，需要合理地确定工程的规模。考虑到桥涵是泄水建筑物，其规模决定于通过洪水的大小。因而水文计算的主要任务是预估某桥涵工程所在河段未来整个使用期间的水文情况。,知识点链接,1、水文方面2、地质方面3、结构受力方面4、施工方面,优点,上承式吊桥具有结构性能好、施工事故风险小、可降低造价等优点在一定的地形、地质条件下是一种可供选择的桥型 在主索采用混台锚、后张拉自锚索调整主梁应力 及施工控制、结构抗震性能方面具有探索意义。,缺点,拉索与梁体为爪式联接，受力复杂，传力路径不明

3、确。拉索最小倾角为：13.3度，与现在斜拉桥规范所要求的23度相去甚远。叶脉性的拉索计算和施工都存在问题，三股索的索力在计算和施工中存在很多需要解决的问题。,本桥梁实际施工经历,施工单位为丙级的建筑工程公司，无任何桥梁建造经历。主梁预制的精度太差。现场无监控措施，无有效的测力手段。部分构件砼强度不合格，钢筋有漏安装现象。节段标高和主梁线性失控。,此桥结局,1987年 四川达县 施工中倒塌施工承包方兰州铁道学院负全部责任,赔款375万;上至院长,下至系主任,基本上因此事下课;复核计算没有发现设计问题，安全系数为7左右但设计者唐老师的教授没有办法评了,写好的宣传材料作废了;后来唐老师调走了。,此桥

4、后续,吸起该桥教训，已在湖北勋县建成了勋阳汉江公路大桥，1992年上半年建成通车，历时三年。了却了老前辈们的心愿。该桥主跨414m，采用背索采用岩锚，其一些研究技术成果还被后建的上海杨浦大桥所采用。如：斜拉索于塔内壁锚固。,勋阳汉江公路大桥,思考：,桥与水联系？,三峡大坝泄洪场景,桥梁事故案例一,塌陷部分已全部掉入河中,桥面留下一个近一米宽的大缝,专家勘测结论,排除了桥梁质量问题引发塌陷的可能。专家分析，该桥一共有15个桥孔，只有5个桥孔排水，加之金马河连续洪水，在洪水集中连续冲刷下，两个承重桥墩的基础被淘蚀，加之重力作用，所以出现了塌陷。因为新桥桥墩处于上游，桥墩基础先于旧桥受到洪水冲刷，淘

5、蚀严重，因而首先出现塌陷。而旧桥处于下游，洪水到达时力量已减缓，因而受到淘蚀的情况不严重，所以在新桥出现险情后数小时才垮塌。,其他看法,交通局认为是过度采砂河道管理部门认为河流缺乏疏浚民间认为：任何桥梁设计均可能存在问题,案例二 辽宁浑河上游苏子河段的连接抚顺和清源之间的东南杂木大桥发生坍塌（一）,辽宁浑河上游苏子河段的连接抚顺和清源之间的东南杂木大桥发生坍塌（二）,辽宁浑河上游苏子河段的连接抚顺和清源之间的东南杂木大桥发生坍塌（三）,初步分析,中间有一处桥墩被大水冲毁，随之有两跨上部结构掉入水中。水的流速大，造成桥梁下部基础被冲毁，是冲刷深度大于基础（扩大基础）的埋深所致，纠其原因应该是桥梁

6、设计时未考虑这么大的水，桥跨布置过小，河床段面压缩过大所致。,连接徐州市区主干道淮海路上的一座重要桥梁弘济桥（原名济众桥）西端桥头堡突然坍塌，约5平方米面积的桥头堡从根部起与主桥断裂有近一米的缝隙。一位目击者告诉记者，他听说弘济桥将于明天剪彩，所以今天一早就来到弘济桥，想看看新重建的大桥到底是什么模样。上午9时45分，施工部门开闸放水准备验证弘济桥的防洪能力。从11时40分起，大桥西端桥头堡受到水的冲击后，慢慢开裂、倾斜；12时左右，弘济桥西端桥头堡突然坍塌，造成1米左右的缝隙断裂，露出里面红色的泥土和一些没有取出的木头。弘济桥位于故黄河市区段，是连接徐州市区主要干道淮海路上的一座重要桥梁，此

7、前由于桥面过窄、交通不便，加之阻水严重，影响汛期行洪，徐州市决定拆除重建。根据设计，重建后的桥面宽42米，除人行道外，还有8条快车道，完全可以满足交通需要；就防洪能力而言，弘济桥的每孔平面宽度为20米，其过水流量每秒钟达到150立方米，完全能达到百年一遇的防洪标准。而弘济桥重建工程是在网上进行了公开招标后，由有关建筑部门接标承建的。据徐州市水利局副局长兼弘济桥改建工程处处长朱开蒙介绍，该工程为徐州市重点项目，设计6月底通车，目前桥梁主体工程已经完工。27日早晨5点多开始拆除拦河主坝（上游坝头），中午1点左右发现翼墙出现开裂、坍塌。经专家初步论证，翼墙开裂、坍塌主要是因为水位落差高达1米之多造成

8、水流过急形成涡流所致。,案例三,桥与水,1 墩台埋置深度泥沙冲刷2 桥孔长度泄洪（设计流量）3 桥面标高设计水位其它：桥面排水,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）,桥孔长度的确定（第四章）预估桥梁全寿命期可能的水流冲刷深度和河床变形（第六章）小桥涵水文水力计算（第八章）桥位勘测基本知识（第九章）,本课程的主要任务,1 设计

9、水位确定桥面标高2 设计流量初步确定桥涵孔径大小（第 三章）3 河床变形及冲刷深度墩台埋置深度（第六章）4 熟悉桥涵水文基本知识和处理方法,内蒙某桥梁建设欣赏,第一章 河川径流,自然界的水循环 地球表面的各种水体，在太阳幅射热的作用下，不断蒸发成水汽，上升至空中，随气流的运动散布到各处，并在适当条件下凝结，以降水(雨、雪、霄、雹等)的形式降落到地面，到达地面的水分，除部分被植物截留和蒸发外，其余的一部分沿地表流动汇入江河，另一部分渗入地下，随含水层流动并以泉水的形式汇入江河，汇入江河的水，大部分流入大海。然后又重新蒸发，继续输移、凝结形成降水，运转流动，往复不已。这种过程，称为自然界的水循环。

10、,第一节 河流和流域,一 河流,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。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,河流的形成和分段河系 流域里大大小小的水流路线，构成脉络相通的系统，称为河系，又称水系或河网。河系由干流及其支流组成。一般把直接流入海洋或内陆湖泊的河流称为干流，汇入干流的称为一级支流、汇入一级支流的称为二级支流，其它类推。,第一节 河流和流域,水系形状 扇形河系如手指状分布。羽形河系支流从左右两岸相间汇入于流，如羽毛平行河系几条支

11、流平行排列，至下游或河口附近始行会合。树枝状河系干、支流的分布呈树枝状。大多数河流属此类型。一般较大河流，难以用一种类型概括，而是由两种或两种以上水系类型组成。水系类型直接影响洪水水情变化。如扇形河系和平行河系，支流洪水几乎同时汇入干流，易造成干流出现较大洪水，而羽形河系因支流洪水是先后汇入干流，洪水对干流威胁较小。,第一节 河流和流域,河流的分段一条河流从河源到河口通常可分为上游、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

12、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.,（一）河流断面 有横断面和纵断面。垂直于水流方向的断面称为河流横断面。横断面内，自由水面高出某一水准基面的高程，称为水位。,第一节 河流和流域,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,（二）河流比降任意河段

13、两端的高程差与其长度之比称为该河段的纵比降，即 式中i为河道纵比降，通常以千分率表示。(三）河流长度 从河源到河口的距离。,第一节 河流和流域,二 流域,第一节 河流和流域,流域的特征流域是河流的集水域。有时我们称河流某一过水断面的流域，是指该断面以上的集水区域，即此集水区域的地面水和地下水，汇集到河流以后，通过该断面流出本区域。流域的周界称为分水线。分水线就是流域四周最高点的连线，在山区是流域四周的山脉脊线;平原地区是四周地面最高点的连线。如秦岭是黄河和长江的分水线，而黄河和淮河的分水线则是黄河南岸大堤。（地上河）,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

14、区域的面积大小，称为流域面积或汇水面积。如某水文测站的流域面积是指该水文站断面以上的集水区域面积。流域面积是河流水量的主要影响因素之一。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？（P3）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,流域的自

15、然地理特征主要是流域的地理位置和地形流域的地形一般以流域平均高程和流域平均坡度来表示。前者影响降雨和蒸发，后者是确定径流汇流时间的重要因素。,第一节 河流和流域,三 山区河流和平原河流,第一节 河流和流域,断面形状 径流特点 河床稳定性 山区河流 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 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,山区河流 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。,第一节 河流和流域,平原区河流的平面形

16、态极为复杂，急弯、卡口比比是，两岸和河心常有巨石突出，岸线极不规则，河宽变化很大。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,第二节 径流形成,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入河槽中而形成河川径流。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.,第二节 径流形成,一 径流形成过程,第二节 径流形成,(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。,第二节 径流形成,（二）汇流过程坡

17、面漫流过程 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,流量和水位流量过程线水位过程线,第二节 径流形成,二 影响径流的主要因素,第二节 径流形成,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。,第二节 径流形成,三 我国河流的水量补给,第二节 径流形成,流入海洋的河流，称为外河流；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,第二节 径流形成,雨源

18、类 地区分布：秦岭、淮河以南直到台湾、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,第二节 径流形成,第二节 径流形成,雪源类 西北地区新疆、青海等地 年流量过程线：单峰型,第二节 径流形成,第二节 径流形成,雨雪源类 华北、东北地区 年流量过程线：双峰型（夏汛、秋汛）,第二节 径流形成,第二节 径流形成,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。,第三节 水文测验,第三节 水文测验,1 水位观测 某一时刻该水文站

19、测流断面的水面高程叫水位。水位观测必须连续进行,以便掌握水位变化的规律。,第三节 水文测验,第三节 水文测验,第三节 水文测验,2 流速测验 流速仪测流 浮标测流,第三节 水文测验,第三节 水文测验,3 流量计算 Q=AV 若断面分切多个小块，全断面流量为各部分面积流量的总和。,全断面平均流速为：,第三节 水文测验,4 相应水位的计算（测点水位换算为断面水位）算术平均法加权平均法,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,水文站观测资料 一般搜集历年最大洪峰流量（同一洪水成因）及其相应的洪峰水位、洪水比降、粗糙系数

20、、流速、河段变化等。,第四节 水文资料的搜集和整理,洪水调查资料 目的 1 在桥位上下游调查历史上各大洪水水位，确定洪水比降，推算相应的历史洪水流量。2 调查桥位附近河道的冲淤变形及河床演变，作为确定历史洪水计算断面和桥梁墩台天热冲刷深度的依据。,第四节 水文资料的搜集和整理,洪水调查资料 由洪水调查水位推算洪水流量步骤 1 选择形态断面(计算流量的断面,要求顺直稳定无分汊),第四节 水文资料的搜集和整理,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

21、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。,第四节 水文资料的搜集和整理,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.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1-4-1由实测形态断面数据推测洪水流量.,第四节 水文资料的搜集和整理,洪水调查资料（p18）目的 1 在桥位上下游调查历史上各大洪水水位，确定洪水比降，推算相应的历史洪水流量。2 调查桥位附近河道的冲淤变形及河床演变，作为确定历史洪水计算断面和

22、桥梁墩台天热冲刷深度的依据。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),第四节 水文资料的搜集和整理,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

23、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，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,如果测绘河段选择适当，河床稳定，糙率和比降为定值，水流近似于均匀流动，则断平均流A与水位之间大体呈函数关系，同时过水断面面积与水位之间也大体呈函数关系。因此，也是H的函数，用这种关系即可绘成水位与流量关系曲线.,1 水文学概念及其分类.2 河流的分段以及各河段的一般特性.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 平面河流分类及其河床演变特点.,复习题：,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？11 如何用形态断面法调查得到洪峰流量?,