桥涵水文重点

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。

广义水文学：水文气象学（研究大气中水汽的运动规律）、水文地质学（研究地下水的运动规律）、地表水文学（陆地水文学与海洋水文学）。

陆地水文学分类：

按照研究对象分：河流水文学、湖泊水文学、冰川水文学、沼泽水文学。 按照研究目的和方法分：水文测验学、普通水文学、水文地理学、工程水文学。

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。

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。

一般天然河流，按照河谷和河床的情况，冲淤程度，水情变化等特点，分为：河源、上游、中游、下游、河口。

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。

河流的基本特征 ：一般用河流断面、河流长度、河流比降、河道弯曲系数来表示。

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。

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。

河流比降：任意河段两端的高程差与其长度之比称为该河段的纵比降，即

l

H l H H i ?=-=12 式中i 为河道纵比降，通常以千分率表示。

河流长度：从河源到河口的轴线长度。

河流弯曲系数：河段实际长度L 与该河段直线长度l 之比，即：

l

L K = 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。

河流集水区域的面积大小，称为流域面积(A)或汇水面积(A)。

流域面积和流域形状是如何影响径流的？

答：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。

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。

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。

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。

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。

坡面漫流过程：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。

降雨量以降水深度表示，单位时间内的降雨量为降雨强度。降雨的多少决定径流量的大小，降雨的变化过程直接决定径流过程的趋势。

植物截留+入渗+填洼=损失这三个过程称为流域蓄渗过程。

降雨径流-损失=净雨

汇流过程：

坡地汇流：坡面漫流，流程历时较短，大雨时是构成河流流量的主要来源。

表层流径流：由土壤孔隙流入河网，流程历时较坡面漫流长，对历时较长的暴雨，也是构成河流流量的主要来源;

坡地地下汇流：地下水补给河流，构成河流的基流；

河网汇流：从支流到干流，从上游到下游，流域出口断面。

影响径流的主要因素：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）、人类活动（农业措施、林木业措施、水利措施）。

水量补给的基本来源：雨源类（年流量过程线：双峰或多峰肥胖型）、雨雪源类（年流量过程线：双峰型（夏汛、秋汛））、雪源类（年流量过程线：单峰型）。

断面测量：常见的探深工具有：探深杆、回声测深仪。

水位是指某一时刻该站测流断面（水文站固定观测的河床横断面）的水面高程。

水位观测：直立式水尺、倾斜式水尺。

流速测定：常用的流速测量方法有流速仪和浮标法两种。

水文资料的来源主要有：1、水文站观测资料；2、文献考证资料；3、洪水调查资料。

根据断面实测水位和对应的流量资料点绘成的图形，称为水位流量关系曲线。

均值：反映总水平的高低。

标准差（均方差）：反映离散度。

离势系数（离差系数，变差系数）：反映相对离散度。

偏态系数（偏差系数）：反映系列在均值两边的对称程度。

随机变量所取数值的全体称为总体，从总体中任意抽取的一部分称为样本，样本中所包括的项数称为样本容量。

所谓重现期是指在许多试验中，某一事件重复出现的时间间隔的平均数。在工程水文中，重现期用字母 T 表示，一般以年为单位。

选样就是在现有的洪水记录中选取若干个洪峰流量或某一历时的洪水流量组成样本，作为计算的依据。两种方法：年最大值法、年超大值法。

年最大值法：从每年实测流量中选取一个最大值组成样本系列，n实测资料年组成n个年最大流量值。此法所得频率的重现期为多少年一遇。

设计流量：公路、桥梁和涵洞等各项工程设计时，根据国家技术标准规定的某一设计洪水频率，推算该频率相应洪水的洪峰流量，称为设计洪水流量m，简称设计流量。

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设计水位：桥位计算断面上通过设计流量相应的水位，称为设计洪水位，简称设计水位（m）。

设计流速：设计流量通过桥位断面的河槽平均流速，习惯上称为设计流速。

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，序号不连续，这种样本的系列称为不连续系列。

1. 利用流量观测资料推算设计流量时，需要做哪些工作？

答：主要工作如下：1）取样—年最大法；

2）资料审查—可靠性、一致性、代表性审查；

3）资料的插补和延长；

4）特大值的调查与处理；

5）点绘经验频率曲线；

6）选用合适的理论频率曲线—通常是P三型曲线；

7）进行参数估计：分有无特大值两种情况；

8）根据估计的参数初值，做理论频率曲线；

9）适线；

10）根据适线后的参数，推算设计洪峰流量；

11）对成果进行合理性分析。

2. 为什么要进行特大值处理？

答：1）通常情况下样本容量小，而要推算的设计流量的频率则是小概率事件，抽样误差大；

2）增加特大值后，可加强样本的代表性；

3）加入特大值后，必须在参数估计时有所考虑；

4）经过上述步骤后，推算结果的可靠性会增加。

3. 在缺乏流量观测资料时，为什么经常用到经验公式或推理公式？

答：1）缺测流量资料是中小流域的设计洪水推算中常遇问题；

2）经验公式或推理公式利用了水文现象的地区性规律；

3）两公式虽不是理论公式，但也以理论为基础。

4. 为什么要用暴雨资料推算设计洪水？主要步骤有哪些？

答：1）与流量观测资料比，暴雨资料更容易获得；

2）首先要推算设计暴雨—与设计洪水的频率相同；

3）设计暴雨的推算过程—与流量资料充足时推算设计洪水的过程相同；

4）已知设计暴雨，经产、汇流计算，得设计洪水过程。

大中桥的孔径计算，主要是根据桥位断面的设计流量和设计水位，推算需要的桥孔的最小长度和桥面中心最低高程，为确定桥孔设计方案，提供设计依据。

弗汝德数Fr:它表示过水断面上单位重量液体具有的平均动能与平均势能的比值,它也表示水流惯性力与重力的比值。

Fr<1表示水流平均动能较小,重力占主导,水流为缓流;

Fr>1表示水流的平均动能较大,惯性力占主导。

以下参考书本86页（重点）：

建桥后，桥孔对水流压缩，从上游较远的断面①起，水面开始壅高。

无导流堤时直至桥位上游一个桥孔长度L处的断面②；有导流堤时为上游堤端附近, 达到最大壅水高度。（壅水段：流速减小，挟沙能力降低，泥沙沉积。）水流接近桥孔时，急剧收缩呈“漏斗”状。无导流堤时直到桥位下游附近的断面③（有导流堤时到桥位中线断面），水面最窄，流速最大，形成桥位河段的“颈口”，称为收缩断面。最大壅水段下游：流速增大，挟沙能力加强，河床发生冲刷，收缩断面处河床冲刷最为严重。

收缩断面下游，水流逐渐扩散，到断面④恢复天然状态。收缩段的主流和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。收缩断面—扩散段：流速逐渐减小，冲刷逐渐减弱，由于挟沙能力减弱，在扩散段后期泥沙发生沉积。急流河段：桥下和桥前水深均为自然水深，但桥墩迎水面出现一定高度的冲击波。

桥孔布置原则

桥孔设计应在保证桥梁安全运营的情况下，顺畅宣泄包括设计洪水在内的各级洪水的水流和泥沙，避免河床产生不利变形，保证墩台具有足够的稳定性，并做到经济；

桥孔设计应满足通航、流冰、流水、流木及其它漂浮物顺畅通过桥下的要求；建桥后引起的流势变化、河床变形和桥前壅水高度，应在两岸农田、村镇和堤防安全的容许范围内；

桥孔设计应考虑桥址上下游已建或拟建的水利工程、航道、码头和管线等引起的河床演变对桥孔的影响；

除非确有技术、经济依据并能改善桥梁的工作状况时，一般天然河道不应轻易开挖或改移；

桥孔布设应与天然河流断面流量分配相适应。在滩槽稳定的河段上，若桥孔需延伸到河滩上的，其左右河滩桥孔之比应近似等于左右河滩流量之比；在滩槽不稳定的河段或桥址位于河弯段时，桥孔布设应考虑河床变形和流量不均匀的影响；在通航和筏运的河段上，应充分考虑河床演变所引起的航道变化，将通航孔布设在稳定的航道上，必要时可预留通航孔；

在主流深泓线上不宜设桥墩，在断层、陷穴、溶洞等不良地质地段也不宜布设桥墩。

桥孔长度定义：沿着设计水位的水面线，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。扣除全部桥墩宽度（仍沿原水面线）后，则称为桥孔净长Lj。

桥孔长度的确定，首先应满足排洪和输沙的要求，即保证设计洪水及其所挟带的泥沙能从桥下顺利通过，并从安全和经济两方面着眼，同时应综合考虑桥孔长度、桥前壅水和桥下冲刷的相互影响。

Ad—冲刷前桥墩所占的桥下过水面积

Ax—冲刷前桥墩侧面涡流所占的桥下过水面积

Ay—冲刷前桥下有效过水面积，不包括桥墩和涡流部分

Aj—冲刷前桥下净过水面积Aj= Ay+ Ax

Aq—冲刷前桥下毛过水面积，含有效过水面积+桥墩和涡流面积

Aq= Aj+ Ad= Ay+ Ax+ Ad

μ—墩台侧面涡流阻水引起的桥下过水面积的折减

μ= Ay/Aj。μ= 1-0.375Vs/lj

λ—桥墩阻水引起的桥下过水面积的折减

λ= Ad/Aq（宽浅河流=b/l）

桥面高程是指桥面中心线上最低点的高程，必须满足桥下通过设计洪水、流冰、流木和通航的要求，并且应该考虑壅水、波浪、水拱、河湾凹岸水面超高以及河床淤积等各种因素引起的桥下水位升高。

引起桥下水位升高的因素

1．壅水(1)桥前最大壅水高度△Z；(2)桥下壅水高度△Z′；(3)壅水曲线；

2.波浪（1）桥位处的波浪高度；（2）路堤（或导流堤）边坡处的波浪爬高；（3）斜向的波浪爬高；

3. 其他：水拱高、河床淤积高度、横湾比降；

4.急流河槽中桥墩的水流冲击高度△hd。

泥沙的基本特性：1.几何特性：泥沙颗粒的形状、大小及群体泥沙的组合特性；2.重力特性：泥沙颗粒的容重与淤积泥沙的干容重；3.水力特性：泥沙颗粒的沉降速度。

沙波运动是水流强度达到一定强度后，推移质运动的集体形式此时，床面呈起伏不平的波浪形态，是推移质运动的主要形态。

含沙量—单位体积内水流中所含悬移质的质量，kg/m。

在一定条件和边界条件下，单位体积的水流能够挟带泥沙的最大数量或质量(包括推移质和悬移质)，称为水流的挟砂率。

在冲刷河段内，床沙中的细颗粒被水流冲走，上游来沙中的粗颗粒泥沙慢慢沉下来，这样，河床表面层的泥沙粒径逐渐增大，形成自然铺砌的现象，称为河床的粗化。

由于过水断面形状的改变或河槽的影响，伴随着主流，在水流内部形成一种尺度较大的旋转流动，这种从属于主流而存在的旋转流动称为副流。（立轴副流(回流)、平轴副流(滚流)、顺轴副流(螺旋流)）。

河床演变是指：河道在天然情况下或受人工因素的影响下所发生的变化。

影响河床演化的因素

1 上游来水条件，即流量的大小和变化（流量大，冲击力强，对河床冲刷严重，变形快；雨季和旱季的变化，河床也出现周期性变化。）

2 上游来沙条件，即上游来沙量及其粒径的变化（流量大，挟砂能力强，泥沙颗粒也大，对河床冲刷严重，变形快。）

3 河床地质、土质条件、河床比降为河床演变提供边界条件。

河床变形分为三类：

1. 河道自然变化引起，称为自然冲刷；

2. 桥渡束狭水流，增加单宽流量所引起的全断面冲刷，称一般冲刷，用p h表

示；

3. 由桥墩阻水使水流结构变化，在桥墩周围发生的冲刷，称局部冲刷，用b h 表示。

一般冲刷停止时桥下的垂线平均流速，称为冲止流速。

桥位：也称桥址，是指桥梁中线（桥轴线）的位置。桥位方案应将政治、经济、技术、环境等多方面的因素综合比较选定。

桥位河段：指水流受桥梁影响的河段。

桥位设计：将桥位河段上的桥梁、桥头引道及调治构造物等各项建筑物作为一个整体进行总体布置和设计。桥位设计在铁路工程中又称桥渡设计。

桥位方案应将政治、经济、技术、环境等多方面的因素综合起来比较选定。

桥位勘测：桥位资料的搜集和现场勘察、测量等获得实地资料的工作称为桥位勘测。

桥位选择、桥孔设计、墩台冲刷、调治构造物及桥头引道的布设、计算、绘图等桥位设计工作，都是在桥位勘测过程中穿插进行的，桥位设计和桥位勘测两者是不可分的。

桥位选择的基本要求：一般要求；水文；地形、地貌；地质；通航。

山区峡谷河段：桥孔不得压缩水流，尽量一孔跨过。

山区开阔河段：选择河槽稳定、流速缓和处。

平原顺直(微弯)河段：选在河槽与河床走向一致，河槽流量较大处。墩台基础深度应考虑边滩下移，置于同一深度。

平原弯曲(蜿蜒)河段：桥位选在河湾逼近河岸处，较稳定的河湾中部，并选择河床河槽方向接近平行处跨越。

平原分汊河段：桥位应尽量避开河汊，分流、会流点。不得已时，选在分流点，汇流点上游，流向基本顺直段。

平原游荡性河段：桥位选择河岸有固定的土丘或岸坝的天然束窄处，如无法利用时，应结合治河工程，筑堤束水，稳定河道。

山前区变迁性河段：桥位应与岸边正交，不考虑多变河汊的位置，必须设置导流、防护设施。若有可能，桥位选在上下游河道较窄、岸边稳定处为好。

潮汐河口河段：桥位应避开涌潮、滩岸多变的区段；潮汐河段上游段的桥位，可按一般情况处理；潮汐下游、中间段的桥梁，桥孔长度可按一般情况下的长度加大5%-15%。

调治构造物是桥梁工程的重要组成部分，主要包括各种形式的导流堤、丁坝及其他桥头防护工程。

调治构造物的主要作用是：调节水流，使通过桥孔的水流均匀顺畅、防止桥位附近河床和河岸产生不利变形，以确保附近农田免遭水害，确保桥梁墩台和桥头引道的正常运用。

导流堤的主要作用是引导水流平顺通过桥孔，提高桥孔泄洪能力，减少对桥下河床的集中冲刷，减缓冲刷进程，减少对墩台的冲刷威胁。无导流堤时，被桥头路堤阻断的河滩水流将斜向流入桥孔，可引起桥台附近的严重冲刷；设置导流堤后，桥下河床的冲刷分布趋于均匀，并扩散到桥梁上下游的较大范围，减缓了冲刷进程。

导流堤的组成部分：1 上游堤2 下游堤3 堤端5 堤根

导流堤的平面形状：直线型、曲线型（椭圆曲线、圆曲线、梨形）。

导流堤类型选择及布设：

(1)当河滩路堤单侧阻断流量占总流量的15％以上，或双侧阻断流量占总流量的25％以上时，应设导流堤。曲线形导流堤可使水流平顺压缩，有较好效果。直线形导流堤可使水流逼向对岸，但堤旁水流压缩大，常形成回流区并发生泥沙淤积现象。

(2)当河槽两侧有对称河滩分布时，可在两侧桥头布设对称的曲线形导流堤，以使桥下滩地冲刷后扩展至全桥，与河槽连成一片，促使桥下水深均匀化。

(3)当河槽两侧河滩不均匀分布时，两侧导流堤应呈口朝上游的喇叭形，大滩一侧布设曲线形导流堤，小滩一侧布设两端带曲线的直线形导流堤。

(4)河湾建桥时，凹岸一侧布设直线形导流堤，凸岸一侧布设曲线形导流堤。

(5)单侧河滩阻断流量小于总流量的15％，或双侧河滩阻断流量小于总流量的25％时、可设置梨形堤；当桥与河槽正交，但一侧引道伸向上游与滩地斜交时，此侧桥头可布设梨形堤，并在引道上游一侧设置丁坝群加强防护，与滩地正交的另一侧引道桥头可布设直线形导流堤。

(6)斜交桥位，河槽两侧河滩对称分布时，通常在桥位与河流锐角相交一侧，布设梨形堤，另一侧则布设两端带曲线的直线形导流堤。斜交桥位的导流堤布设比较复杂，一般应通过模型试验确定。

(7)桥与河槽正交，但一侧引道向下游与滩地斜交形成“水袋”，可在斜

交一侧桥头，设曲线形导流堤，对引道上游一侧加强边坡防护，并在适当位置设置小型排水建筑物，以排除“水袋”积水，正交一侧桥头可设置直线形导流堤。

(8)变迁性河段、冲积漫流性河段、洪水含沙量大足以形成泥流的河段，宜布设长堤。为平顺地压缩水流，通常有直线与曲线组合型，椭圆形和圆弧曲线形等，长堤堤身与集中股流的交角应小，一般小于20°-30°。上游坝端必须嵌入稳定河岸；堤身受集中股流顶冲处或穿过旧河汉的部位，应加强防护，必要时可设置短丁坝挑流。当河滩阻断流量较小且流速不太大时，可在滩地一侧设梨形堤；在变迁性河段上，当岸坎不漫溢洪水并具有合适地形条件时，可布设梨形堤与长堤组合导流构造物；

（9）导流堤应设置成不漫水，其平面形状和尺寸应通过计算拟定，并结合上、下游导流堤的经验及桥位河段的水文、地形、工程地质、流向、流速和股流位置等情况作必要的调整。导流堤的设计频率一般与桥梁设计频率相同。

丁坝是与河岸或路堤成一定角度，伸入水中的构造物。是一种广泛使用的河道整治和维护水工构筑物。

丁坝将水流挑离河岸或路堤，使坝下游的河岸或路堤免受冲刷，形成有利的水流结构和河床变形。

其主要功能为保护河岩不受来流直接冲蚀而产生掏刷破坏，同时它也在改善航道、维护河相以及保全水生生息场多样化方面发挥着作用。

丁坝常设置在桥头引道的一侧或桥梁附近的河岸一侧，特别是在河流弯道凹岸的一侧，将水流挑离桥头引道或河岸，使泥沙在坝后淤积，形成新的水边线，达到对凹岸及桥台防护的目的。

丁坝对上下游水流，甚至对岸都有一定影响，适合修建在较宽的河段，在山区狭窄急流河段应慎用。

若需要防护的路堤或河岸较长，可采用数个丁坝组成的丁坝群进行水流调治

和河岸防护。

导治线：将各个坝头的连线设计成一条平滑的曲线或直线。导治线是设计的水边线或弯道凹岸的深沿线。导治线两端应与河岸平顺连接。

1. 不漫水丁坝：坝顶高于设计洪水位。

在平原区或半山前区的宽滩地段，水流易于摆动，流速较小。不漫水丁坝挑水能力强，相应地坝头冲刷也很严重。常用于挑开高洪水流，保护河岸和河滩引道路堤。

2. 漫水丁坝：坝顶高程低于设计洪水位。

坝顶高程常取在相当于常水位或平均洪水位上下。洪水位时为漫水丁坝，常水位及枯水位时为不漫水丁坝。这样，除洪水期以外的大部分时间，丁坝工作在不漫水丁坝状态，有较大的调治水流和稳定河床的作用。大洪水期间，丁坝坝顶淹没，不会过多阻挡水流，避免坝头过深冲刷。被淹没的丁坝之间河底流速仍然很小，仍可发挥其护岸作用。因此，桥头防护和沿河路基防护，漫水坝及漫水坝群应用较多。

3.丁坝在平面上的方向

淹没式丁坝一般斜向上游（为上挑），坝轴线与水流方向的交角约100°～105°；如果斜向下游，则漫过坝顶的水流将向丁坝根部集中，造成剧烈冲刷而冲走丁坝间的泥沙。在凸岸且流速较小时，可布置成正挑丁坝。

非淹没式丁坝一般斜向下游（为下挑），坝轴线与水流方向的交角约60°～75°；对于凸岸且流速不大时，可以布置为正挑丁坝。

桥位勘测的设计的主要任务：①为桥位设计，桥型选择及墩台基础设计提供基本资料；②制定不同的桥位和接线方案，进行比选；③知道不同桥位和不同接线方案相应的桥孔长度。桥梁高度和河床最低冲刷和河床最低冲刷深度及引道，调制构造物设计方案。

现场勘测前的计算准备工作：地形和测量资料、水文资料、气象资料、流冰、流水资料、通航资料、地质资料、其他资料。

重现期计算公式：

P

T 1= 谢才满宁公式：

21

32

1i h n v = 河槽宽度公式：

适用于开阔、顺直微弯、分汊、弯曲河段及滩、槽可分的不稳定河段。 桥孔最小净长度：

c c

s q j B n Q Q K L 3)(= 式中：j L ：桥孔最小净长度，m ；

s Q ：设计流量，s m /3；

c Q ：河槽流量，s m /3；

c B ：河槽宽度，m ；

3n K q 、：系数和指数按下表取用： 河段类型

q K 3n 开阔、顺直委婉河段 0.84 0.9 分汊、弯曲河段 0.95 0.87 滩、槽可分的不稳定河段 0.69

1.59 计算看书本99页例题和119页例题。