桥涵水文课程设计(桥渡课程设计)-中南土木

中南大学桥渡课程设计

设计题目：某桥桥渡设计及检算

学生姓名：程剑煌

学号： 1201070122

班级：土木工程0701班

指导老师：文雨松

日期：2011年1月3日

桥渡课程设计指导书

1. 桥梁状况

桥梁位于I级干线，桥址轴线及梁底标高见图1。

桥下河床断面见图2，桥下河床的左滩主槽分界点为（137.49, 31.81）；桥下河床的右滩主槽分界点为（289.36, 31.60）；左滩、主槽、右滩的糙率系数分别为25、40、25。桥梁轴线与水流交角为90度。0号台的墩台线的X坐标为105.14米

图1 桥址轴线及梁底标高

2.形态断面

形态断面位于桥址上游120米处。形态断面处左滩、主槽、右滩的糙率系数分别为25、50、25。其左滩主槽分界点为（107.01, 32.18）；右滩主槽分界点为（281.87, 32.18）。

桥址与形态断面间的水面坡度为0.005弧度。

桥下河底线形态断面

图2 桥下河底线及形态断面坐标

图3 桥墩宽度图（墩底顺水流方向长度3.5米）

图4 基础（圆沉井）尺寸图

3号墩地质线标高（米）流量系列年份及流量（立方米/秒）

图5 3号墩地质及流量系列

3.实测其他资料

桥型为一般河流的一般大桥；洪水期没有漂浮物和泥石流；测得浪高为0.27米。含砂量特征为5公斤/立方米。桥下表层土为砂卵石。

4.要求

（1）计算形态断面水位关系曲线，并画图。

（2）计算设计流量，画出流量统计（P-III曲线）图形。

（3）检算梁底水位。

（4）检算3号桥墩的基础埋置深度。

（5）按水文计算要求修改设计（主槽内桥墩基础底标高都按3号墩处理），画出新的设计图。

1、形态断面水位关系曲线计算

1.1 形态断面形状

根据设计资料，画出形态断面形状如下图：

38.78

32.18

31.42

27.87

27.87

32.18

33.20

40.30

8.8333.3412.74114.0714.7116.998.18

形态断面图（单位：m ）

左滩

右滩

由于桥梁可认为位于稳定均匀流河段上，可以利用水利学中的谢才—满宁公式计算各过水

断面对应的的流速：2

1

321i v R I n

=

由于断面可能包括左滩，右滩、主槽，各部分的参数相差较大，故需要分别计算，即先计

算各个部分面积的流量i Q ，部分流量等于部分面积i ω与部分平均流速i v 的乘积：

i i i Q v ω=

计算全断面的流量Q ： 1

n

i i Q Q ==∑

则全断面的过水面积ω和断面平均流速v 应为：1

n

i i ωω==∑ Q v ω

=

根据形态断面图可以计算得到水位关系中的Q 、ω、v 与水位高度H 的关系（具体计算数值见附表一），根据形态断面水位计算总和表可以画出形态断面水位关系图，如下图所示：

400

1200

1600

2000

5600

11200

16800

2240028000

3.6

7.2

10.8

14.4

18

800w(m 2)

Q(m 3/s)

v(m/s)

H(m)

形态断面水位关系曲线

2、设计流量计算

2.1 经验频率计算

根据给出的流量系列年份及流量，可知为含特大洪水系列的频率分析，其中特大洪水考证期N ：21148N T T =-+=

经验频率估算为：对于a 项特大洪水：)3,2,1(1

=+=

M N M

P M 对于其余（n-l ）项观测洪水为：1

)11(11

+--+-++=l n l m N a

N a P i m 具体计算结果见下表：

2.2 统计参数估算

计算系列Q i 的总流量：11

1j N a

n l

T

i j i j j N a Q Q q n l -===-=+

-∑∑∑ 计算系列的平均流量Q ：1111j a n l T i j j j N a Q Q Q q N N n l -==??

-==+ ?-??

∑∑∑

计算系列Q i 的变异系数v C ：v C = 根据以上表达式，及取N=48、a=3、l=1、n=18计算可以得到： 平均流量为：35738/Q m s = 变异系数：4132.035

0.725738

v C =

=0

2.3 设计流量

通过适线法确定一条和经验点群吻合较好的理论曲线以求得设计流量值，根据经验点的计算，分别选取 1.4s C =、 1.6s C =、 1.8s C =而保持Q 、v C 不变的这3条理论曲线进行比较，计算结果见下表。

将经验点群和理论曲线均描绘在海森几率格纸上，如下图所示：

根据图形可看出35783/Q m s =、0.72v C =、 1.8s C =这条曲线和经验点群吻合较好，故取为理论频率曲线，根据曲线可以得该桥的设计流量为：320197.8/Q m s =。

3、梁底水位标高检算

3.1确定设计流量通过时桥址断面水位标高

根据形态断面的水位关系曲线可知当320197.8/Q m

s =，形态断面的设计水位为：

36.958x

p H m =，

河流接近明渠均匀流，故可得桥下水位为：1200.00536.358x p p H H m =-?=

桥下过水断面如下图所示：

左滩

右滩

桥下过水断面

。

3.2 计算桥下河床断面（水位 36.358m ）

根据桥下过水断面图及设计流量通过时的桥下水位高可得： 桥下左滩：

过水面积 26.9171117.274124.1911m ω=+= 湿周 5.621331.715137.3364x m =+=

水力半径 124.1911

3.326337.3364

R m x ω===

流速 2

2

1

1

33221

25 3.332630.005 3.944/v R I m s n

==??=

流量 3124.1911 3.944489.82/Q v m s ω==?= 桥下主槽：

过水面积 21240.636m ω=

湿周 14.0046116.3210.198712.5182153.0415x m =+++=

水力半径1240.636

8.1065153.0415

R m x ω===

流速2

2

1

1

33221

408.10650.00511.414/v R I m s n

==??=

流量31240.63611.41414160.6/Q v m s ω==?= 桥下右槽：

过水面积 213.948m ω=

湿周 7.5507x m =

水力半径13.948

1.8477.5507

R m x ω===

流速2

2

1

1

33221

25 1.8470.005 2.661/v R I m s n

==??=

流量313.948 2.66137.1/Q v m s ω==?= 3.3 计算桥前壅水高度

扣除墩台阻水面积的桥下净面积为

2117.2741240.636 6.38656.42518.7211276.38j m ω=+---=

桥下流速为

20197.8

15.824/1276.38

p

m j

Q v m s ω=

=

=

建桥前从桥孔部分通过的流量为

30117.274 3.9441240.63611.41414623.2/m Q m s =?+?=

20117.2741240.6361357.91m m ω=+=

00014623.2

10.769/1357.91

m

m m

Q v m s ω=

=

=

015.824

1.469410.769

m m v R v =

== 查表6-2得0.1s K =，得桥前最大壅水高度

22) 1.962m m om Z v v m ?=

-=

取桥前壅水高度为：0.50.981m Z Z m ?=?= 3.4检算标高

最高水位 36.3580.9810.2737.609s p l H H Z m =+?+?=++= 由于梁底标高为37.31m ，最高水位达到37.609m

m h j 5.031.37609.37<-=?

严重不满足水位净高要求，且已高出梁底，故梁底水位不满足要求，检算结果不合格

4、基础埋置深度检算

4.1计算一般冲刷

（1）计算桥下河槽部分通过的设计流量2Q

3214160.6

20197.819473.2/489.8214160.637.1

c p c tl Q Q Q m s Q Q =

=?=+++

（2）计算单宽流量集中系数d A 按平滩水位计算河宽

289.36137.49151.87z B m =-= 按平滩水位计算平均水深 549.958 3.6211151.87

z H m ==

0.150.15

1.2017d z A === （3）计算河槽桥孔部分的过水净宽

151.87 2.153 2.14143.28cj B m =-?-=

（4）桥下河槽断面上的最大水深

36.35827.618.748cm h m =-=

（5）桥下河槽断面上的平均水深 1240.6368.169151.87

cq h m ==

（6）与汛期含沙量有关的系数0.66E = （7）计算桥墩水流侧向压缩系数μ

河槽流速为设计速度15.824/p v m s =，单孔跨径32.75o l m =，查表6-12，0.955μ=。 （8）计算桥下一般冲刷后的最大水深p h

35/3

5

21/6cm d cj cq p h Q A B h h Ed μ?????? ?

?????=???????

?

假设一般冲刷深度为与22.7m 以上、25.2m 以下，即一般冲刷线位于中卵石，取取mm d 501=

35/3

5

1/619473.28.7481.20170.955143.288.16920.320.6650p h m ???????

?

????

?==??????

?

一般冲刷线标高=36.358-20.32=16.038<22.7m,故假设不正确。 假设一般冲刷深度为与22.7m 以下、5m 以上，即取mm d 501=

35/3

5

1/619473.28.7481.20170.955143.288.16918.2040.66150p h m ???????

?

????

?==??????

?

一般冲刷线标高=36.358-18.204=18.154m>5m ，假设正确。 （9）计算桥下河槽的一般冲刷发生后，墩前行近流速为

1/6

2/3

p

v Ed h =1/62/30.6615018.20410.528/m s =??= 4.2、局部冲刷计算

（1）计算河床泥沙启动流速0v

假定最低冲刷线位于标高5m 以上，取mm d 150=

0.14

00.0246p h v d ??

= ?

??

0.14

18.2040.0246 4.086/150m s ??

== ?

??

（2）墩型系数12 1.150.99 1.1385K K K ξξξ==?= （3）桥墩计算宽度1B

11221 2.159.498 4.158.706

3.10618.204

b h b h B m h +?+?=

== （4）河床颗粒的影响系数

???? ??+=15.045

.01118.0d d K η4612.0150115018.015.045.0=??? ??+= （5）墩前泥沙起冲流速

0..06

'

0010.462d v v B ??= ?

??

0..06

1500.462 4.086 2.382/3.106m s ??

=??= ?

??

（6）指数1n

0.19

0.19

0.250.2515001 4.0860.541710.528d

v n v ?????=== ? ?

??

??

（7）桥墩局部冲刷

1

'

0.6'01100'00()n b v v h K K B v v v v ξη??-=- ?

-??

0.5417

0.610.528 2.3831.13850.4612 3.106(4.086 2.382) 4.1224.086 2.382m -??

=???-= ?

-??

最低冲刷线标高36.35818.204 4.12214.0325m m =--=>，说明假设正确。 4.3、检查基础埋置深度

冲刷总深度18.204 4.12222.326m =+=

最低冲刷线标高36.35822.32614.032m =-=

对于一般铁路大桥，当总冲刷深度超过20m 时，基底埋置安全值为4m ，即基底至少应位于总冲刷线以下4m 处的地基下。故基础底面必须埋置在标高14.032410.032m =-=以下，而基础底面实际埋置深度标高19.92m =，所以基础埋置深度不满足规范要求的。

5、按计算结构修改设计

经计算，水位和基础都不满足要求，故需要加大梁下净空和增大基础埋置深度。 5.1 梁底标高设计

由于铁路桥的桥下净空高出水位加H ?后的最小高度为0.5m ，即调整后的梁底标高为

0.537.6090.538.109S H H m =+=+=，约取为38.2m ，，所以可以通过换梁、抬道等方法调整梁

底标高，使其满足规定要求。 5.2 基础埋深设计

对于总冲刷线超过20m 的一般铁路大桥，基底埋置安全值为4m ，即基底至少应位于总冲刷线以下4m 处的地基下，所以对3号桥墩有，墩台基底设计标高应为，14.032410.032m -=即取标高为10m 。

5.3 修改后的设计图

附表一

根据下图所示形态断面图可以计算得到水位关系中的Q、 、v与水位高度H的关系，具体计算数值见下表1。