第五章-大中桥桥孔设计

桥渡设计教师：张彦玲土木分院桥梁系第五章大中桥桥孔设计5.1桥涵勘测设计的基本知识5.2设计水位5.3桥位河段河道演变和桥孔布置原则5.4桥梁孔径计算5.5桥梁高程设计第一节桥涵水文勘测设计的基本知识第五章大中桥桥孔设计二、桥涵水文勘测的主要任务和工作一、河川水文测验三、桥涵水文设计的主要内容第五章大中桥桥孔设计一、河川水文测验1水文测站2水位观测3流量测验4流量资料的整理5水位－流量关系曲线第五章大中桥桥孔设计水文站分类按目的和性质分类基本站实验站专用站1.水文测站测站的布设测验河段的选择基本水文站的布设第五章大中桥桥孔设计水位观测设备及其布置水尺自记水位计观测水位设备2.水位观测水面相对于某一基准面的高程称为水位。第五章大中桥桥孔设计第五章大中桥桥孔设计第五章大中桥桥孔设计水文缆道探深取沙第五章大中桥桥孔设计声波自记水位计的记录和远传设备第五章大中桥桥孔设计测量水位沿断面宽度选若干个测点及测深垂线测量各垂线的水深将水位减去水深得到河底高程绘制河槽断面图计算过水断面面积3.流量测验第五章大中桥桥孔设计主要内容日月年平均流量计算编制“逐日平均流量表”“实测流量成果表”“汛期洪水要素摘录”4.流量资料的整理第五章大中桥桥孔设计定义：用断面的实测流量和相应水位资料点绘的曲线，称为水位—流量关系曲线。两者关系单一关系“稳定良好”对应两个以上流量值“不稳定”洪水涨落影响回水变动影响河床冲淤影响分类5.水位—流量关系曲线的绘制第五章大中桥桥孔设计二、桥涵水文勘测的主要任务和工作1、桥位勘测设计的主要任务（1）提供必要可靠的设计资料：水文、地形、地质特征、水利设施（2）推荐经济合理的桥位和接线方案（3）预估建桥后的水文变化和河床演变（4）确定桥梁河道的设计方案：定测、补测第五章大中桥桥孔设计对特大桥和控制线路方案的大桥以及水文、地质复杂地区的大桥，进行桥位和桥式方案比选；确定特大桥、大中桥的设计流量和小流域暴雨径流的计算办法；对增建第二线，应提出左右侧和并行或绕行的意见；对既有桥涵，提出改建、加固和利用的原则。当水文因素特别复杂时，除汛期内必须进行实地水文观测外，必要时还应进行水工模型试验。第五章大中桥桥孔设计2、桥位勘测设计的工作内容（1）资料搜集工作（2）桥梁测绘工作（3）水文调查工作（4）水文测绘工作（5）数值计算（6）编制设计文件和工程预算第五章大中桥桥孔设计地形资料(1)资料搜集工作水文资料降水资料流冰、流木资料通航资料地质资料其它资料第五章大中桥桥孔设计(2)桥梁测绘工作桥渡总平面图、桥址平面图、桥址纵断面图、既有桥的丈量等测绘工作。桥位平面控制网点应和路线控制点、国家三角点联测，按国家统一坐标系计算直角坐标。桥位高程控制应与路线控制联测或与国家及其他部门水准点联测。第五章大中桥桥孔设计洪水调查河道调查冰凌调查汇水区流域特征调查其他(3)水文调查工作第五章大中桥桥孔设计洪痕可靠程度评定标准等级评定因素可靠较可靠供参考洪水痕迹明显不甚明显无痕迹洪水发生情况确切尚确切不甚确切旁证情况有较多的旁证有旁证资料无旁证资料调查各次大洪水发生的时间、大小和稀遇程度，以及洪水时的雨情、水情与灾情。调查洪痕水位。第五章大中桥桥孔设计洪痕第五章大中桥桥孔设计桥位平面示意图洪水纵坡示意图各历史洪水位的位置桥位断面、水文断面在某年的洪水标高及洪水比降第五章大中桥桥孔设计推求历史洪水断面，正确计算历史洪水流量值；调查目的：掌握河段河床演变的规律，正确估计桥址河段演变范围，以便正确地布设桥孔及设置导流建筑物。第五章大中桥桥孔设计河道弯曲和滩槽情况调查内容：既有桥涵、堤防等水工建筑物情况河道规划与河底管线等埋设物的情况河道历史上边滩和沙洲的变化情况河床冲淤变化、上游泥沙来源、历史上淤积高度和下切深度第五章大中桥桥孔设计水文断面的测绘水文平面关系的测绘水面坡度图的测绘(4)水文测绘工作：每个桥渡至少应施测两个水文断面。断面位置应根据河段特征、水文情况和洪水位的分布密度确定。最好在桥址上游及下游直河道上各设一个，且尽可能在历史洪水位点附近。施测范围应包括调查的洪水位点、水文断面和桥位方案的位置。第五章大中桥桥孔设计三、桥涵水文设计的主要内容桥位水文设计的主要内容包括桥位的选择、设计洪水的计算、桥梁孔径的设计、桥前壅水的计算和桥梁标高的确定、桥梁墩台冲刷的计算、河滩路堤的分析计算、河堤防护设计以及调治构造物的设计方案等。第二节设计水位第五章大中桥桥孔设计一、水位与流量的关系二、设计水位的推求第五章大中桥桥孔设计一、水位与流量的关系设计水位一般用Hp表示，是指桥位设计断面上相应于设计流量的水位。两者关系单一关系“稳定良好”对应两个以上流量值“不稳定”洪水涨落影响回水变动影响河床冲淤影响第五章大中桥桥孔设计1.较稳定的水位与流量关系曲线河道的平均流速，随着河道水力特性（过水断面、水力半径、糙率、比降）而变。当测验河段适当，水流稳定时，水流近于均匀流，Q-H间有较稳定的关系。当测点分布宽度不超过平均曲线流量的10%（流速仪）或20%（浮标测流）时，则认为是稳定的。第五章大中桥桥孔设计稳定的水位—流量关系一般发生在：河床稳定，河道坡度较大，河段顺直的山区河流。第五章大中桥桥孔设计2.不稳定的水位、流量关系曲线在天然河道中，水位流量往往由于河床冲淤、回水变动、洪水涨落等影响，使水位流量关系点散乱。第五章大中桥桥孔设计受洪水涨落影响的水位—流量关系，洪水上涨时，上游先涨，下游后涨，故比降较平时陡，流速较大，流量较大。落水时相反，故测得绳套形Q-H曲线。第五章大中桥桥孔设计受回水影响的水位—流量关系，水位流量关系点散乱。第五章大中桥桥孔设计受冲淤影响的水位—流量关系，同一水位下过水断面面积不相同a)普通冲淤b)局部冲淤第五章大中桥桥孔设计二、设计水位的推求1.如果有桥位处实测的断面水文资料，则可以直接绘制桥位断面的水位—流量关系曲线。HHQQpp当Q—H关系稳定时，直接延长Q-H曲线求得设计流量对应设计水位。第五章大中桥桥孔设计当河床比降稳定，河槽形状没有特殊变化时，也可延长水位面积曲线或水位流速曲线，再根据延长了的流速及面积来延长水位流量关系曲线。先根据本年实测的断面，绘出H-A关系曲线延长高水位的H-V曲线根据任一高水位值，由上述两条的延长部分查出相应的A,V值，距Q=A·V算出延长的流量，就可将H-Q关系曲线延长2.如果没有桥位断面实测的水文资料，而桥位附近实测水文断面有实测资料，并且与桥位断面之间的河段顺直，断面规整，河底纵坡均一时，可绘制水文断面的水位—流量关系曲线；若水文断面与桥位断面处两者的流域面积相差不超过5%时，可利用延长水文断面处的Q-H曲线得出水文断面处流量所对应的水位，利用水面比降推算出桥位断面的设计水位：第五章大中桥桥孔设计PQPHLIHHpp第五章大中桥桥孔设计3.当桥址附近河床断面规则并有多年历史洪水水位资料时，可按有关频率计算规定，利用水文统计法推求设计水位。第五章大中桥桥孔设计4.当水面比降均一，河道顺直，河床断面较规整的稳定均匀流河段，河底纵坡均一时，可以按如下水力学公式绘制延长水位—流量关系曲线，求得设计水位。2/31/21cccvRInccttQvwvwI－水面比降;2/31/21tttvRIn－洪水流量(m3/s);－河槽、河滩平均流速(m/s);－河槽、河滩粗糙系数；－河槽、河滩水力半径(m);－河槽、河滩过水断面积(m2)。Q,ctvv,ctnn,ctRR,ctww第五章大中桥桥孔设计第三节桥位河段河道演变和桥孔布置原则一、桥位河段的纵向变形二、桥位河段的平面变形三、桥孔的布设第五章大中桥桥孔设计一、桥位河段的纵向变形建桥后桥位河段的水流和泥沙运动状态是桥孔水力计算的依据，但桥位河段的水流和泥沙运动十分复杂，目前只能在某些假定和实验的基础上，对缓流河段(弗汝德数Fr1)提出简化的水流图式。由于绝大多数的桥位处于缓流河段，因此其水流图式及孔径计算方法，适用于大多数桥梁的孔径计算。第五章大中桥桥孔设计a1型水面线是一条壅水曲线，上游端以N—N线为渐进线，下游端趋于水平线。天然水宽正常水深开始雍高最大雍高L开始雍高收缩断面收缩断面恢复正常恢复正常最大雍高回水回水泥沙沉积河床冲刷第五章大中桥桥孔设计二、桥位河段的平面变形桥的新建使得河流上又多了个控制河道变形的节点。因桥渡所在河段类型不同，桥渡方案不同，河道演变也不相同。1.蜿蜒河段第五章大中桥桥孔设计2.顺直微弯河段第五章大中桥桥孔设计3.游荡型河段游荡性河段长导流堤桥渡河段沿河桥深泓摆动的影响第五章大中桥桥孔设计三、桥孔的布设（1）满足排水输沙的要求，避免建桥后河床不利变形（2）保证通航、流冰、漂浮物安全通过（3）考虑建桥后河滩和河槽流量分配相适应（4）考虑与农田水利建设相配合（5）考虑施工条件（6）避免地质不良地段（7）尽量采用标准跨径1.桥梁孔径布置的一般原则第五章大中桥桥孔设计2.不同河段上、桥梁孔径布设的具体要求（1）桥孔布设应与天然河流断面流量分配相适应。在稳定性河段上，左右河滩桥孔长度之比应近似与左右河滩流量之比相当；在次稳定和不稳定河段上，桥孔布设必须考虑河床变形和流量分布变化趋势的影响。桥孔不宜压缩河槽，可适当压缩河滩。（2）在内河通航的河段上，通航孔布设应符合《内河通航标准》(GBJ139)的规定，并应充分考虑河床演变和不同水位所引起的航道变化。通航海轮的桥梁桥孔布设应符合《通航海轮桥梁通航标准》(JTJ311)的规定。第五章大中桥桥孔设计（3）主流深泓线上或主航道上不宜布设桥墩；在断层、陷穴地段也不宜布设墩台。（4）在有流冰、流木的河段上，桥孔应适当放大。（5）山区河流的桥孔布设宜符合下列要求：a.峡谷河段宜单孔跨越。桥面高程应根据设计洪水位，并结合两岸地形和路线等条件确定。b.在开阔河段可适当压缩河滩。河滩路堤宜与洪水主流流向正交，否则应增设调治工程。第五章大中桥桥孔设计(6)平原河流的桥孔布设应符合下列要求：a.在顺直微弯河段，桥孔布设应考虑河槽内边滩下移，主槽在河槽内摆动的影响。b.在弯曲河段，应通过河床演变调查，预测河弯发展和深泓变化，考虑河槽凹岸水流集中冲刷和凸岸淤积等对桥孔及墩台的影响。c.在滩槽较稳定的分汊河段上，若多年流量分配基本稳定，可考虑布设一河多桥。桥孔布设应预计各汊流流量分配比例的变化，并应设置同流量分配相对应的导流构造物。e.在宽滩河段，可根据桥位上下游主流趋势及深泓线摆动范围布设桥孔，并可适当压缩河滩，但应考虑壅水对上游的影响。若河汊稳定又不宜导人桥孔时，可考虑修建一河多桥。f.在游荡河段，不宜过多压缩河床，应结合当地治理规划，辅以调治工程，在深泓线可能摆动的范围内，不宜设置桥墩。第五章大中桥桥孔设计(7)山前区河流桥孔布设应符合下列要求：a.在山前变迁河段，在辅以适当的调治构造物的基础上，可较大地压缩河滩。桥轴线应与河岸线或洪水总趋势正交。河滩路堤不宜设置小桥和涵洞。当采用一河多桥方案时，应堵截临近主河槽的支江。b.在冲积漫淹河段，桥孔宜在河流上游狭窄或下游收缩段跨越。若在河床宽阔、水流有明显分支处跨越，可采用一河多桥方案，并应在各桥间采用相应的分流和防护措施。桥下净空应考虑河床淤积影响。扣除全部桥墩宽度（顺桥方向）后，则称为桥孔净长（Lj），也称桥梁孔径，此时孔径L=L1+L2+…。第五章大中桥桥孔设计L1L2L3设计水位常水位设计水位处两桥台前缘之间(埋入式桥台则为两桥台护坡坡面之间)的水面宽度，称为桥孔长度（L）。桥孔长度（L）第四节桥梁孔径计算第五章大中桥桥孔设计桥孔长度的确定：首先应满足排洪和输沙的要求，保证设计洪水及其所挟带的泥沙从桥下顺利通过。考虑桥孔长度、桥前壅水和桥下冲刷的相互影响。一、铁路桥梁孔径的计算二、公路桥梁孔径的计算三、算例第五章大中桥桥孔设计一、铁路桥梁孔径的计算1.设计流速vp别列柳伯斯基于1874年提出了下面的假定：桥下过水面积扩大到使桥下流速等于天然河槽流速时，桥下冲刷即停止。他建议用天然河槽平均流速作为河槽冲刷停止时的平均