橋涵水文學大中橋孔徑計算橋梁與結構教研室:李林教學目的和任務1.了解描述流體運動的兩種方法；2.理解描述流體流動的一些基本概念，如恒定流與非恒定流、流線與跡線、流管、流束與總流、過水斷面、流量及斷面平均流速等；3.掌握連續性方程、伯努利方程、動量方程，并能熟練應用于求解工程實際問題動量方程的應用。重點與難點重點：流體流動中的基本概念，連續性方程、伯努利方程、動量方程及其應用。難點：連續性方程、伯努利方程以及與動量方程的聯立應用。主要內容：橋位河段水流圖式和橋孔布設橋孔長度橋面高程計算示例第六章大中橋孔徑計算橋位河段水流圖式和橋孔布設大中橋孔徑計算：依據橋位斷面的設計流量和設計水位，推算必須的最小橋孔凈長和橋面中心最低標高，為確定橋孔設計方案提供依據。建橋前河床處于相對的穩定狀態；建橋后河流受橋頭引道的壓縮和墩臺阻水的影響，改變了水流與泥沙運動的天然狀態，引起河床沖淤變形，導致水流對橋梁墩臺基礎的沖刷，危及橋梁安全，因此橋梁孔徑計算應以建橋前后橋位河段水流與泥沙運動的規律為依據。1.橋位河段的水流圖式平面（無導流堤）平面（有導流堤）河流中心縱斷面（Fr<1.0）河流中心縱斷面（Fr>1.0）1）緩流橋位河段（Fr<1）水流圖式：平面圖：河流水面寬B、橋孔長L、正常水深h0，由于橋孔對水流的壓縮，自橋位上游較遠①處，水面壅高，a1（M1）形壅水曲線，無導流堤時距上游約L處（有導流堤時為上游壩端）的②達到最大壅水高度Δz。水流接近橋孔時，寬、深度都急劇收縮，無導流堤③′

（有導流堤時橋位中線③）為收縮斷面，水面最窄，流速最大，然后水流逐漸擴散，到④恢復天然狀態。1）緩流橋位河段（Fr<1）水流圖式：縱斷面：壅水范圍內，流速減小，泥沙淤積；最大壅水斷面下游，流速增大，河床沖刷。2）急流橋位河段（Fr>1）水流圖式：上游不會產生壅水，在橋前會產生水躍。很少部分峽谷性河段和變遷性和段的橋位會產生急流。特點見《公路橋涵設計手冊·橋位設計》橋位河段的水流圖式：反映橋位河段建橋后水流和泥沙運動的變化，反映橋孔長度、橋前壅水和橋下沖刷之間的關系，因此橋位河段的水流圖式可作為橋孔計算的依據。大中橋的水力計算特點自由出流，允許橋下有一定的沖刷。故大中橋孔徑計算除滿足泄流條件外還需考慮沖刷因素。1.橋位河段的水流圖式2.橋孔布置的原則1）必須保證設計洪水和泥沙的順利宣泄，并滿足通航、流冰、流木及其他漂浮物通過的要求。2）應適應各類河段的特性及演變特點，避免河床產生不利變形，且做到經濟合理。（表6-1-1河段分類表）3）建橋后的橋前壅水，不得對兩岸河堤、農田、村鎮造成威脅，平原區河流橋梁通常以橋前壅水來控制橋長。4）應考慮橋位上下游已建或擬建工程等引起的河床演變對橋孔的影響。5）橋位河段的天然河道不宜開挖或改移。6）跨越河口、海灣及海島之間的橋梁，必須保證在潮汐等各種海洋水文條件影響下，正常使用和滿足通航的要求。2.橋孔布置的原則7）應與天然河流斷面的流量分配相適應。

穩定性河段：左右河灘橋孔長度之比應近似與左右河灘流量之比相當；

次穩定和不穩定河段：須考慮河床變形和流量分布變化的影響。橋孔不宜壓縮河槽，可適當壓縮河灘。8）內河通航河段：通航孔布設在穩定河段上，必要時預留通航孔。9）主流深泓線上不宜布設橋墩；斷層、陷穴、溶洞等不良地質段不宜布設墩臺。10）跨徑小于或等于50m的橋孔，宜采用標準跨徑。流冰、流木河段橋孔應當放大。

②開闊河段：可適當壓縮河灘，不能壓縮河槽，河灘路堤盡量與洪水主流正交，否則增設調治工程。1）山區河流：

①

峽谷河段：橋孔不得壓縮河槽，宜單孔跨越，橋面標高根據設計水位并結合兩岸地形和路線確定。墩臺基礎可置于不同標高的基巖上。橋位河段的類型：參照表列河段特性結合實際情況判斷，一般在橋位上游不小于3～4倍河床寬度，下游不小于2倍河床寬度的范圍內，進行觀察分析；對于彎曲的河段，在上游至少包括一個河彎。河段穩定性及變形程度，可用50年左右的演變過程，作為衡量標準。山區河流峽谷段：美國科羅拉多山脈大峽谷山區河流峽谷段：美國科羅拉多山脈大峽谷山區河流峽谷段：中國長江三峽山區河流峽谷段：震天洞峽谷

山區河流開闊河段：秦嶺山區開闊段河灣山區河流開闊河段：長江開闊段山區河流開闊河段：長江開闊段3.各類河段上的橋孔布設3.各類河段上的橋孔布設2）山前區河流：

①

山前變遷河段：橋孔允許較大壓縮河槽，但需輔以適當的調治構造物；橋孔布設應根據洪水主流總趨勢確定，橋頭引道不宜設置小橋或涵洞，當采用一河多橋時，應堵截主河槽的支叉。②沖積漫流河段：采用一河一橋或一河多橋方案；采用一河多橋時各汊的流量分配參照《橋梁水力學》確定；橋孔長度不要壓縮天然排水、輸沙寬度；橋面高程應考慮床面淤高和股流水面涌高。山前沖積扇山前沖積扇新疆山前區變遷河段新疆山前區河流沖積漫流河段新疆山前區河流沖積漫流河段新疆山前區河流沖積漫流河段新疆山前區河流沖積漫流河段3）平原區河流：

①

順直微彎河段：橋孔不得壓縮河槽，允許適當壓縮河灘；考慮河槽內邊灘下移及主槽在河槽內擺動

的影響，河槽內墩臺基礎應埋置在同一最底高程。3.各類河段上的橋孔布設②彎曲河段：橋孔布設考慮河彎凹岸沖刷和凸岸淤積及河灣下移等河床變形。凹岸墩臺埋置深度必須計入彎道天然沖刷深度。橋面高程的確定應計入彎道凹岸水面超高。③分叉河段：在灘槽較穩定的分汊河段上，斷面流量分布基本穩定可布設一河多橋；在灘槽不穩定的分汊河段采用一河一橋為宜；采用一河多橋方案時的流量分配，必須預估各汊流量分配比例的變化。3）平原區河流：④寬灘河段：一般宜修一河一橋，當河床寬闊、分叉河槽穩定，又不宜合并一處時，可考慮一河多橋，各橋流量分配按《橋涵水力學》確定。對河灘可做較大壓縮，但應注意壅水高度不致危及農田、堤壩等；河槽穩定、河灘沖刷較小時，墩臺基礎灘槽可置于不同高度。。3.各類河段上的橋孔布設⑤游蕩河段：主流遷移不定，橋孔不宜過多壓縮河床，應在

深泓線全部可能擺動的范圍內設置橋孔；宜設

一河一橋；墩臺基礎應設在同一最低高程上；配合橋孔布設，設置適當的調治構造物。4）潮汐河口河段：橋位應避開潮涌區段和灘岸、凹岸多變區段；潮汐河段上游段的橋位、橋孔設計可按天然狀態下的設計方法進行；位于潮汐河段下游段河

中間段的橋梁，橋孔長度可按天然狀態下的橋孔凈長度，再加大5%-10%來考慮。

3.各類河段上的橋孔布設橋孔長度橋孔長度的確定：首先應滿足排洪和輸沙的要求，保證設計洪水及其所夾帶的泥沙從橋下順利通過，并綜合考慮橋孔長度、橋前壅水和橋下沖刷的相互影響。1.基本概念1）橋孔長度（L）：設計水位上兩橋臺前緣之間（埋入式橋臺為兩橋臺護坡坡面之間）的水面寬度。2）橋孔凈長（Lj）：橋長L扣除全部橋墩寬度（順橋方向）后的長度。3）凈跨徑（l0）：在設計水位下，相鄰橋墩之間的凈距。4）標準跨徑（lb）：相鄰橋墩中心線的距離。L——橋孔長度Lj——橋孔凈長n——孔數d——橋墩順橋向長度2.沖刷系數法計算橋孔長度大中橋橋下河床一般不鋪砌，允許產生沖刷。由于橋孔壓縮水流，橋下河床產生沖刷，導致河床過水斷面增大；過水斷面增大，會引起橋下流速減小，水流挾砂能力下降，沖淤關系出現新的平衡。別列柳伯斯基假定：當橋下斷面平均流速等于天然河槽斷面平均流速

vs

時，橋下沖刷將隨之停止，過水斷面將不再變形。采用天然河槽平均流速作為河槽沖刷停止時的平均流速。故橋孔長度計算時采用天然河槽平均流速作為設計流速。什么條件下會達到新的沖淤平衡？——沖刷前墩臺側面渦流過水面積——沖刷前橋墩過水面積2.沖刷系數法計算橋孔長度沖刷系數法：以沖刷系數P為控制條件推求橋下河槽沖刷前的最小過水面積，從而確定最小橋孔凈長的計算方法。又稱過水面積控制法。沖刷系數：橋下河床沖刷后的過水面積與沖刷前過水面積的比值P。變遷性河流1.1~1.4平原區1.2~1.8在斷面平均水深≤1m時，才能使用接近1.8的較大值1.2~1.4半山區穩定段山前區有灘1.1~1.4開闊段無灘1.0~1.2峽谷段山區備注沖刷系數河流類型各類河段的沖刷系數P——沖刷前墩臺側面渦流過水面積——沖刷前橋墩過水面積滿足沖刷和泄流條件的沖刷前橋下的最小毛過水面積Aq

最小凈過水面積Aj：以最小毛過水面積Aq為控制條件→最小橋孔長度；以最小凈過水面積Aj為控制條件→最小橋孔凈長；2.沖刷系數法計算橋孔長度——設計流量（m3/s）；——設計流速（m/s），一般采用天然河槽平均流速；——沖刷系數；——墩臺側面渦流阻水而引起的橋孔側收縮系數（查表或計算）

——橋墩阻水引起的橋下過水面積折減系數，一般寬淺河流：各橋墩處的水深近似相等，（lj——單孔凈長）變遷性河流1.1~1.4平原區1.2~1.8在斷面平均水深≤1m時，才能使用接近1.8的較大值1.2~1.4半山區穩定段山前區有灘1.1~1.4開闊段無灘1.0~1.2峽谷段山區備注沖刷系數河流類型各類河段的沖刷系數P1）在橋位斷面圖上布設橋孔方案；2）設計水位下橋孔方案的毛過水面積Aqx（凈過水面積Ajx）；3）取且水面寬度最小的布設方案為最后采用方案，由此所得的最小水面寬度即所求橋長L（橋孔凈長Lj）；4）綜合地質、地形、航運及基礎類型等要求，按標準跨徑劃分橋孔跨徑，布設橋孔孔數。2.沖刷系數法計算橋孔長度計算法（B1B22.沖刷系數法計算橋孔長度圖解法1）利用實測橋位斷面圖，繪制設計水位下沿水面寬度的過水斷面面積累積曲線；2）按計算值Aq（或Aj）在過水斷面面積累積曲線坡度較陡處確定水面寬度最小的橋孔位置，相應的最小水面寬度即橋孔長度L（橋孔凈長Lj）；3）綜合地質、地形、航運及基礎類型等要求，按標準跨徑劃分橋孔跨徑，布設橋孔孔數。0100200300400500600700過水斷面面積累積曲線1）峽谷性河段：不宜壓縮河槽，按地形布孔，不做橋長計算。《公路工程水文勘測設計規范》（JTGC30-2002）2）河槽寬度公式（有明顯河槽的各類河段）適用于開闊、順直微彎；分叉、彎曲；灘槽可分的不穩定河段。——最小橋孔凈長度（m）；——設計洪水流量（m3/s）；——設計洪水的河槽流量（m3/s）；——河槽寬度（m）；

——反映河床穩定性的系數和指數；河段類型Kn開闊、順直微彎河段0.840.90分汊、彎曲河段0.950.87灘、槽可分的不穩定河段0.691.593.用經驗公式計算橋孔長度3）寬灘河段——設計流量（m3/s）；——水流壓縮系數；——河槽平均單寬流量（m3

/s·m）；——河灘流量（m3/s）；——河槽流量（m3/s）；3.用經驗公式計算橋孔長度3.用經驗公式計算橋孔長度4）灘槽難分的不穩定河段——最小橋孔凈長（m）；——基本河槽寬度（m）；——設計洪水頻率系數；——年最大流量平均值（m3/s）；——河床泥沙平均粒徑（m）；——設計頻率為P％的流量即設計流量（m3/s）——頻率為2％的洪水流量（m3/s）。4.橋孔長度計算例題：今欲在我國南方某地修一座橋梁，該處河槽穩定，河道順直。經野外調查及計算得設計流量Qp=3468m3/s，河槽流量Qc=1958m3/s，橋位處河床橫斷面如圖所示。該橋位地處次穩定河段，河道順直。橋梁上部采用標準跨徑為13m的鋼筋砼簡支梁，凈跨徑L0=11.8m，梁高1m（包括鋪裝層）。下部為單排雙柱鉆孔樁墩，墩徑d=1.2m，U型橋臺，臺長6m。試選擇公式計算最小橋孔長度，并進行橋孔布設。4.橋孔長度計算1）以河槽寬度公式計算由上圖可見，洪水期間河床寬度B=782.50-514.29=268.21m，河槽寬度Bc=680-600=80m，因此為寬灘性河段。穩定河段橋孔凈長公式：設計流量Qp=3468m3/s，河槽流量Qc=1958m3/s，Kp=0.95，n3=0.872）以寬灘河段公式計算兩橋臺前緣間距離：Ld=11.8×12+1.2×11=141.6+13.2=154.8m；橋梁兩端橋臺臺尾間的距離（全橋長）：Ld=154.8+2×6.0=166.8m。4.橋孔長度計算以寬灘河段公式計算以河槽寬度公式計算；從安全考慮，采用Lj=124.97m；套用標準跨徑，采用12孔方案。橋面高程橋面標高：指橋面中心線上最低點的標高。橋面標高確定：應滿足泄流、通航、流冰、流木、通車的要求，并應考慮橋下（前）壅水高度、波浪高度、水拱高度、河灣水位超高及河床淤積等因素的影響。1.橋面標高計算1）非通航河流☆按設計洪水位計算橋面高程

Hmin——橋面最低高程（m）；

Hp——設計水位（m）；

——各種水面升高值總和（m）；

⊿hj——橋下凈空安全值（m）；

⊿h0——橋梁上部結構建筑高度（包括橋面鋪裝）（m）0.250.25拱腳0.500.25支座墊石頂面—1.00有泥石流—1.50洪水期有大漂流物0.750.50洪水期無大漂流物梁底高出最高流冰位(m)高出設計水位(m)橋梁部位非通航河流橋下凈空安全值⊿hj注：

1）無鉸拱的拱腳，可被洪水淹沒，淹沒高度不宜超過拱圈矢高的三分之二；拱頂底面至設計水位的凈高不應小于1m。

2）山區河流水位變化不大，橋下凈空安全值可適當加大。1.橋面標高計算1）非通航河流☆按設計最高流冰位計算橋面高程

HSB——設計最高流冰位（m）；

⊿hj——橋下凈空安全值（m）；

⊿h0——橋梁上部結構建筑高度（包括橋面鋪裝）（m）0.250.25拱腳0.500.25支座墊石頂面—1.00有泥石流—1.50洪水期有大漂流物0.750.50洪水期無大漂流物梁底高出最高流冰位(m)高出設計水位(m)橋梁部位非通航河流橋下凈空安全值⊿hj注：

1）無鉸拱的拱腳，可被洪水淹沒，淹沒高度不宜超過拱圈矢高的三分之二；拱頂底面至設計水位的凈高不應小于1m。

2）山區河流水位變化不大，橋下凈空安全值可適當加大。冰塊<0.7厚×50m21016微弱流冰冰塊>1.0厚×110m23040強烈冰塊>0.7厚×50m21320中等強烈中等流木長度+2m主槽橋孔凈跨（m）流木長度+1m流木備注邊灘橋孔類型流冰、流木河段橋梁最小跨徑2）通航河流

Htn——設計最高通航水位（m）；

HM——通航凈空高度（m）；查表⊿h0——橋梁上部結構建筑高度（包括橋面鋪裝）（m）1.橋面標高計算設計最高通航水位設計最低通航水位83.56275-774.53138300Ⅴ187.01001308.065853000Ⅰ106.050656.040502000Ⅱ106.040506.030401000Ⅲ84.037455.02935500Ⅳ100200駁船等級（t）1818BM天然及渠化河流(m)1414b2.84.0h25-3025-30BM限制性航道（m）1919b4.52.8Ⅶ63.6ⅥhHM航道等級橋下通航凈空尺度2.各種水面升高值計算1）橋前最大壅水高度Δz最大壅水高度在無導流堤時，大約位于橋位中心線上游一個橋孔長度L處；有導流堤時，大約在導流堤的上游堤壩附近。——橋前最大壅水高度（m）；——修正系數，當橋下河床為硬巖或有鋪砌時取1.0；——定床壅水系數；——考慮沖刷影響后的橋下平均流速（m/s）；當橋下河床為硬巖或有鋪砌時為；——未考慮沖刷影響的橋下平均流速（m/s）；為設計流量除以過水面積；——天然狀態下橋下平均流速（m/s）；——河槽平均流速（m/s）；——按質量計50%都較他小的粒徑（mm）；換算粒徑31.2~0.6100.6~0.3500.150.3~0.2>1.2天然孔隙比e粘性土換算粒徑2）橋下壅水高度序號洪水和河床土質條件⊿z’取值1一般情況1/2⊿z2洪水暴漲暴落，土壤堅實，不易沖刷時⊿z3洪水漲落緩慢，土壤松軟，易沖刷時不計橋下壅水高度⊿z’取值2.各種水面升高值計算2.各種水面升高值計算3）波浪高度波浪高度：相鄰波峰與波谷之間的垂直距離。水庫、湖泊以及河岸較寬闊的水域或洪水持續時間很久的河流上均需考慮波浪對橋高的影響。波浪侵襲高度：波浪沿斜面的爬高。確定河灘路堤或導流堤頂高程時應計入波浪侵襲高度。2.各種水面升高值計算3）波浪高度橋位處的波浪高度一般通過調查確定，調查困難時可按有關規范或設計手冊中的公式確定。計算橋面標高時，以橋位處波浪高度的三分之二計入。橋位處的波浪高度：——波浪計算高度（波谷至波峰）（m）；——波浪平均高度（波谷至波峰）（m）；——系數；——雙曲正切函數；——平均水深（m）；——計算浪程（m）；——重力加速度（m2/s）；——風速（m/s）；3）波浪高度波浪侵襲高度：2.各種水面升高值計算——波浪侵襲高度；——浪射線與路堤處水邊線的夾角；——邊坡糙滲系數；——風速影響系數；——相對波浪爬高；0.6一兩層拋石加固0.9砼及漿砌片石護面與光滑土質邊坡0.75~0.80干砌片石護面及植草皮0.50~0.551.0拋石組成的建筑物整片光滑不透水護面（瀝青砼）邊坡護面類型邊坡糙滲系數1.6>301.210~201.420~301.05~10風速（m/s）風速影響系數1.822.502.401.752.222.001.503.002.451.252.521.502.161.00邊坡系數相對波浪爬高2.各種水面升高值計算4）河灣橫比降超高Δh河灣水面橫比降可使橋位斷面水位凹岸高、凸岸低，水位差可按下式計算。——河灣橫比降超高（m）；——斷面平均流速（m/s）；——水面寬度（m）；——重