水文计算算例

精心整理 （一）全线典型大中桥水文计算分析 水文计算的基本步骤： -对有水文资料的河流收集水文资料 -确定桥位在地形图上的位置 -确定主流-勾绘汇水面积（五万分之一地形图） -计算流量 -各水文参数计算 1．***大桥水文计算 (1).设计流量计算 ① 洪峰流量汇水面积相关法公式 ② QNKNFn…………………………………（1） 式中：QN——某频率洪峰流量（米3/秒）. n、KN——为重现期为N的经验参数 F——流域面积（平方公里）. ② 综合参数法： QmNCNαFβH3N………………………………………（2） 其中：QmN——某频率的洪峰流量（米3/秒）. N——设计重现期（年）. ——流域形状系数，F L2L.——主沟长度 H3N——设计重现期为N的3小时面雨量（毫米）. 精心整理 C、α、β、γ、η——分区综合经验参数指数. 式中参数的确定： ③ 原交通部公路科学研究所推理公式法： SQP0.278PF…………………………………（3） n式中：Qp——某频率洪峰流量（米3/秒）. SP——某一频率雨力即最大1小时暴雨强度（毫米/小时）. τ——流域汇流时间（小时）. μ——损失参数（毫米/小时）. F——流域面积（平方公里）. n——暴雨递减指数. 0.278：单位换算系数. ④ 全国水文分区经验公式： 公式的基本形式：Q2%KFn。…………………………（4） 根据分区表查90区的对应值：n值按取0.72，K值取13.8，Q1%1.18Q2% ⑤ 采用全国水文分区经验公式 Q0CFn，Q1%Q0(1CvK1%)………………………………（５） 根据分区表查90区的对应值。查得C6.1，n0.65则Q06.1F0.65，Cv1.55Cs/Cv=3.5，查得K1%=8.16，Q1%13.648Q0 流量计算结果 序断面位置 号 K51+600.1 0 2 K51+860.***大桥 ***大桥 河名及桥名 汇水面积F (Km2) 河沟长L 河沟纵坡j （Km） 公式① (m3/s) 公式② (m3/s) 公式③ (m3/s) 公式④ (m3/s) 采用值 (m3/s) 18.2 8.5 0.0189 432.2 237.2 499.4 131.5 499.4 20.12 8.8 0.0189 462.7 252.3 548.8 141.4 548.8 精心整理 0 K52+060.3 0 ***大桥 20.12 8.8 0.0189 462.7 252.3 548.8 141.4 548.8 2.计算设计水位以及设计流速 计算采用桥位设计信息软件系统2.0版本，河床断面形态、河流比降根据现场测量数据输入软件，糙率结合现场实测情况，根据规范规定进行选取。 根据前文的流量计算，确定百年一遇的设计流量Q1%=548.8m3/s；河槽以黄土沙石为主，并根据从当地水利部门搜集的资料，确定糙率取1/n=45；根据现场实测以及相关资料，确定河床比降J=0.015，利用计算软件可以求得： 1桥梁基本信息 桥梁类型 设计洪水频率(%) 桥梁中心桩号 凌汛要求 水流与桥轴线的夹角 跨河位置 2河流资料 2.1基本资料 河流名称 设计洪水流量(m3/s) 计算断面名称 河床比降(‰) 左分界桩号(m) 大 1 无 0 河湾 *** 548.8 51860 18.9 0 精心整理 右分界桩号(m) 左滩粗糙度m1 河槽粗糙度m2 右滩粗糙度m3 71 13 40 13 2.2断面桩号及标高数据列表 桩号(m) 0 12 17 18 20 21 23 27 33 40 48 64 71 3计算过程 3.1计算设计水位 根据几何方法计算得： 标高(m) 1016 1010 1008 1006 1000 998 996.44 996.44 998 1000 1002 1010 1016 精心整理 经过多次几何方法计算，确定设计洪水流量Qs=548.8(m3/s)对应的设计洪水位为1001.704(m)，即 H=1001.704(m) 3.2计算河床各部分的过水面积和水面宽度 根据几何方法计算得： 左滩过水面积ω1=0(㎡) 河槽过水面积ω2=87.092(㎡) 右滩过水面积ω3=0(㎡) 全断面过水面积ωs=ω1+ω2+ω3=87.092(㎡) 左滩水面宽度B1=0(m) 河槽水面宽度B2=71(m) 右滩水面宽度B3=0(m) 3.3计算水力半径 计算公式 R=ω/B 式中：ω为过水面积(㎡) B为水面宽度(m) 河槽水力半径R2=ω2/B2=87.092/71=1.227(m) 3.4计算流速 计算公式 按照《公路工程水文勘测设计规程》(JTGC30-2002) 式中：R为水力半径(m) 精心整理 m为河床粗糙系数 I为河床比降 河槽流速==6.301(m/s) 3.5计算流量 计算公式 Q=ω×V 式中：ω为过水面积(㎡) V为流速(m/s) 河槽流量Q2=ω2×V2=87.092×6.301=548.799(m3/s) 全断面流量Qs=Q1+Q2+Q3=0+548.799+0=548.799(m3/s) 3.6计算全断面流速 Vs=Qs/ωs=548.799/87.092=6.301(m/s) 4计算结果列表 4.1全断面数据 断面平均流速(m/s) 断面设计流量(m3/s) 4.2河槽数据 河槽设计流速(m/s) 河槽设计流量(m3/s) 河槽平均水深(m) 河槽最大水深(m) 河槽水面宽度(m) 6.301 548.799 6.301 548.799 1.227 5.264 71 精心整理 河槽过水面积(㎡) 5河流断面图 3）.桥长计算 河槽宽度计算公式 式中： 设计流量Qp=548.8(m3/s) 设计洪水河槽流量Qc=548.8(m3/s) 河槽宽度Bc=28.1m 系数K和指数n3，该河段属于稳定河段，K0.84,n30.9 可求得 L=23.6m。 本桥跨径设置主要受地形影响，采用跨径35×20m组合箱梁，综合考虑角度、桥墩布置等因素，桥跨布置满足设计洪水频率的泄洪要求，水文不控制跨径布置。 4）.冲刷计算 ⑴河槽一般冲刷 由于公式64-1修整式对大颗粒土质计算值偏大，对稳定性河槽计算值偏大，而本河流属于河槽稳定，河床土质主要为粒径较小的沙砾，因此采用64-2简化公式计算河槽一般冲刷： 式中： Q1—计算断面的天然河槽流量 Q2—桥下河槽部分通过的设计流量。根据调查资料以及两岸河滩情况判断，桥87.092 下河槽不可能扩宽到全桥，所以Q2 QcQs QcQt\"精心整理 Qs—设计流量；根据计算，Qs=548.8(m3/s) —天然河槽流量：根据计算，Qc=548.8(m3/s) —天然状态下河滩部分流量，Qt\"=0 QcQs=548.8(m3/s) QcQt\"QcQt\"所以，Q2Bc—计算断面天然河槽宽度，B=28.1m B2—桥下断面天然河槽宽度，B=28.1m hmax—计算断面桥下河槽最大水深，hmax=5.3 0.15A—单宽流量集中系数：ABH1.05 —设计水位下，桥墩阻水总面积与桥下过水面积的比值；对于天然宽线河槽，近似用一个墩宽中心距离之比； —桥梁压缩系数：μ=0.88 所以 =6.24m 即hp=6.24m，扣除原来水深5.3m，实际冲刷深度为hphmax0.94m。 桥墩的局部冲刷计算 用65-2修正式计算河槽中桥墩的局部冲刷： ⑵ ① 式中： hb—桥墩局部冲刷深度，从一般冲刷后床面算起； —墩型系数；查表6-3-1得：—河床粒径影响系数；K2KK=1 0.375d0.24K20.0023d2.20.37 B1—桥墩计算宽度；查表6-3-1得：B=1.4m 1 精心整理 hph—墩前行近水流深度，以一般冲刷后水深p代入；hp6.24m dv—冲刷层内泥沙平均粒径，d1mm —墩前行近流速； 由于一般冲刷采用64-2简化公式进行计算，因此，墩前行进流速v采用下式计算： =4.12m/s v0—床沙启动速度；v00.28(d0.7)0.50.37m/s —墩前泥沙启动速度；v0'0.12(d0.7)0.550.15m/s v0'n—指数 当vv0时，n=1 vn0当vv0时，v0.230.19lgd 所以： ② 用65-1修正式计算河槽中桥墩的局部冲刷： 清水冲刷vv0： 动床冲刷vv0： 式中： hb、K、B1、v、v0、v0'意义同65-2。 河床泥沙启动速度v0： d墩前起冲流速v0'0.462B10.06v00.26m/s 河床粒径影响系数指数n： K： 精心整理 因为vv0，所以属动床冲刷：应采用公式： 进行计算： 由上述两种方法确定最大的桥墩局部冲刷深度hb3.37m，在计算最低冲刷线标高时采用此值。 2．K80+120***大桥水文计算 (1).设计流量计算 ① 洪峰流量汇水面积相关法公式 ② QNKNFn…………………………………（1） 式中：QN——某频率洪峰流量（米3/秒）. n、KN——为重现期为N的经验参数 F——流域面积（平方公里）. ② 综合参数法： QmNCNαFβH3N………………………………………（2） 其中：QmN——某频率的洪峰流量（米3/秒）. N——设计重现期（年）. ——流域形状系数，F L2L.——主沟长度 H3N——设计重现期为N的3小时面雨量（毫米）. C、α、β、γ、η——分区综合经验参数指数. 式中参数的确定： ③ 原交通部公路科学研究所推理公式法： SQP0.278PF…………………………………（3） n 精心整理 式中：Qp——某频率洪峰流量（米3/秒）. SP——某一频率雨力即最大1小时暴雨强度（毫米/小时）. τ——流域汇流时间（小时）. μ——损失参数（毫米/小时）. F——流域面积（平方公里）. n——暴雨递减指数. 0.278：单位换算系数. ④ 全国水文分区经验公式： 公式的基本形式：Q2%KFn。…………………………（4） 根据分区表查90区的对应值：n值按取0.72，K值取13.8，Q1%1.18Q2% ⑤ 采用全国水文分区经验公式 Q0CFn，Q1%Q0(1CvK1%)………………………………（５） 根据分区表查90区的对应值。查得C6.1，n0.65则Q06.1F0.65，Cv1.55Cs/Cv=3.5，查得K1%=8.16，Q1%13.648Q0 流量计算结果 中心桩号 K80+120.0 河名及桥名 汇水面积F (Km2) 河沟长L （Km） 河沟纵坡j 公式① (m3/s) 公式② (m3/s) 公式③ (m3/s) 公式④ (m3/s) 采用值 (m3/s) ***大桥 8.35 4.2 0.0156 254.5 277.3 254.1 75.1 277.3 2.计算设计水位以及设计流速 计算采用桥位设计信息软件系统2.0版本，河床断面形态、河流比降根据现场测量数据输入软件，糙率结合现场实测情况，根据规范规定进行选取。 根据前文的流量计算，确定百年一遇的设计流量Q1%=277.3m3/s；河槽以黄土沙石为主，并根据从当地水利部门搜集的资料，确定糙率取1/n=35；根据现场实测 精心整理 以及相关资料，确定河床比降J=0.0156，利用计算软件可以求得： 1桥梁基本信息 桥梁类型 通航标准 设计洪水频率(%) 桥梁中心桩号 凌汛要求 水流与桥轴线的夹角 跨河位置 无 0 K80+250 大 II 1 2河流资料 2.1基本资料 河流名称 设计洪水流量(m3/s) 计算断面名称 河床比降(‰) 左分界桩号(m) 右分界桩号(m) 左滩粗糙度m1 河槽粗糙度m2 右滩粗糙度m3 蔡家沟 277.3 80270 15.6 0 74 13 33 13 2.2断面桩号及标高数据列表 桩号(m) 标高(m) 精心整理 0 24 35 38 44 61 74 877 871 866 865 869 878 883 3计算过程 3.1计算设计水位 根据几何方法计算得： 经过多次几何方法计算，确定设计洪水流量Qs=277.3(m3/s)对应的设计洪水位为870.125(m)，即 H=870.125(m) 3.2计算河床各部分的过水面积和水面宽度 根据几何方法计算得： 左滩过水面积ω1=0(㎡) 河槽过水面积ω2=64.87(㎡) 右滩过水面积ω3=0(㎡) 全断面过水面积ωs=ω1+ω2+ω3=64.87(㎡) 左滩水面宽度B1=0(m) 河槽水面宽度B2=74(m) 右滩水面宽度B3=0(m) 精心整理 3.3计算水力半径 计算公式 R=ω/B 式中：ω为过水面积(㎡) B为水面宽度(m) 河槽水力半径R2=ω2/B2=64.87/74=0.877(m) 3.4计算流速 计算公式 按照《公路工程水文勘测设计规程》(JTGC30-2002) 式中：R为水力半径(m) m为河床粗糙系数 I为河床比降河槽流速==4.275(m/s) 3.5计算流量 计算公式 Q=ω×V 式中：ω为过水面积(㎡) V为流速(m/s) 左滩流量Q1=ω1×V1=0×0=0(m3/s) 河槽流量Q2=ω2×V2=64.87×4.275=277.299(m3/s) 右滩流量Q3=ω3×V3=0×0=0(m3/s) 全断面流量Qs=Q1+Q2+Q3=0+277.299+0=277.299(m3/s) 3.6计算全断面流速 精心整理 Vs=Qs/ωs=277.299/64.87=4.275(m/s) 4计算结果列表 4.1全断面数据 断面平均流速(m/s) 断面设计流量(m3/s) 4.2河槽数据 河槽设计流速(m/s) 河槽设计流量(m3/s) 河槽平均水深(m) 河槽最大水深(m) 河槽水面宽度(m) 河槽过水面积(㎡) 5河流断面图 3）.桥长计算 河槽宽度计算公式 式中： 设计流量Qp4.275 277.299 4.275 277.299 0.877 5.125 74 64.87 =277.3(m3/s) 设计洪水河槽流量Qc=277.3(m3/s) 河槽宽度Bc=24.2m 系数K和指数n3，该河段属于稳定河段，K0.84,n30.9 可求得 L=20.3m。 精心整理 本桥跨径设置主要受地形影响，采用跨径18×20m组合箱梁，综合考虑角度、桥墩布置等因素，桥跨布置满足设计洪水频率的泄洪要求，水文不控制跨径布置。 4）.冲刷计算 ⑴河槽一般冲刷 由于公式64-1修整式对大颗粒土质计算值偏大，对稳定性河槽计算值偏大，而本河流属于河槽稳定，河床土质主要为粒径较小的沙砾，因此采用64-2简化公式计算河槽一般冲刷： 式中： Q1—计算断面的天然河槽流量 Q2—桥下河槽部分通过的设计流量。根据调查资料以及两岸河滩情况判断，桥下河槽不可能扩宽到全桥，所以Q2QsQcQs QcQt\"—设计流量；根据计算，Qs=277.3(m3/s) —天然河槽流量：根据计算，Qc=277.3(m3/s) —天然状态下河滩部分流量，Qt\"=0 QcQs=277.3(m3/s) QcQt\"QcQt\"所以，Q2Bc—计算断面天然河槽宽度，B=24.2m B2—桥下断面天然河槽宽度，B=24.2m hmax—计算断面桥下河槽最大水深，hmax=3.3 0.15A—单宽流量集中系数：ABH1.07 —设计水位下，桥墩阻水总面积与桥下过水面积的比值；对于天然宽线河槽，近似用一个墩宽中心距离之比； 精心整理 —桥梁压缩系数：μ=0.93 所以 =4.03m 即hp=4.03m，扣除原来水深3.3m，实际冲刷深度为hphmax0.73m。 ⑶ ① 桥墩的局部冲刷计算 用65-2修正式计算河槽中桥墩的局部冲刷： 式中： hb—桥墩局部冲刷深度，从一般冲刷后床面算起； —墩型系数；查表6-3-1得：—河床粒径影响系数；K2KK=1 0.375d0.24K20.0023d2.20.33 B1—桥墩计算宽度；查表6-3-1得：B=1.4m 1hph—墩前行近水流深度，以一般冲刷后水深p代入；hp4.03m dv—冲刷层内泥沙平均粒径，d0.5mm —墩前行近流速； 由于一般冲刷采用64-2简化公式进行计算，因此，墩前行进流速v采用下式计算： =4.03m/s v0—床沙启动速度；v00.28(d0.7)0.50.31m/s —墩前泥沙启动速度；v0'0.12(d0.7)0.550.12m/s v0'n—指数 当vv0时，n=1 精心整理 vn0当vv0时，v0.230.19lgd 所以： ② 用65-1修正式计算河槽中桥墩的局部冲刷： 清水冲刷vv0： 动床冲刷vv0： 式中： hb、K、B1、v、v0、v0'意义同65-2。 河床泥沙启动速度v0： d墩前起冲流速v0'0.462B10.06v00.20m/s 河床粒径影响系数K： 指数n： 因为vv0，所以属动床冲刷：应采用公式： 进行计算： 由上述两种方法确定最大的桥墩局部冲刷深度hb3.36m，在计算最低冲刷线标高时采用此值。 二、综合评价 本路线所设桥涵结构物宏观上可以满足所经地区排洪行水的需要。微观上无论从桥长还是桥梁分布合理性来说，能满足过水的需要，不会对排洪产生阻碍。 从各个局部来讲，各种结构物的布设均考虑了能方便当地群众生产、生活的需要，不会因本公路的修建导致当地群众生产、生活的不便。 精心整理