水文学考点.doc

第一章降水(Precipitation)：大气中水汽凝结后以液态水或固态水降落到地面的现象。如雨、雪、露、霜、雹、霰等。蒸发(Evaporation)：水分子从水面、冰雪面或其它含水物质表面以水汽形式逸出的现象。包括截留蒸发、地面蒸发、叶面散发、水蒸发等。径流(Runoff)：陆地上的降水汇流到河流、湖库、沼泽、海洋、含水层或沙漠的水流。包括地面径流和地下径流。渗流(Seepage flow)：水从地表渗入地下及在地下流动的现象。包括入渗和渗透两种现象。2、河流的基本特征1）河流断面：横断面：垂直于水流方向的断面。 深泓线：河流中沿水流方向各横断面最大水深点的连线。 纵断面：沿河流深泓线的断面。（沿程变化）2）河流长度：天然河流从河源到河口的距离。3）河流比降：深泓线上单位长度内的平均落差。（落差？）河段比降（水面或河底比降）：平均比降（图1-1-3河流纵断面图）：二、流域1、概念： 流域：降落到地面上的水被高地、山岭（分水线）分隔而汇集到不同的河流中，这些汇水的区域称为流域。 分水线分隔水流的高地、山岭的山脊线。2、流域面积：流域分水线所包围的平面面积，称为流域面积。 单位：Km23、流域的特征1）几何特征 面积：径流量m3；调节作用；洪水涨落 形状：狭长或宽阔。 2）自然地理特征 A、 流域的地理位置：一般以流域中心和周界的径纬度来表示。 B、流域的地形：一般以流域平均高程和流域的平均坡度来表示。 C、流域内的地质、土壤、森林植被和湖泊等，也都是流域的自然地理特征，与径流的形成过程都有密切的关系。按平面形状及演变过程有下述四种类型：1）顺直微弯型河段 2）弯曲型河段 3）分汊型河段 4）散乱型河段一、径流的形成过程1、降雨 降雨强度：单位时间内的降雨量，（mm/min,mm/h）。降雨可以是全流域，也可以是局部的。2、流域蓄渗过程1）蓄渗过程：植物截留、入渗、填洼。不产生地面径流。2）净雨：降雨扣除损失后。3、坡面漫流过程：流域蓄渗过程完成后，剩余雨水沿坡面流动。4、河槽集流过程：坡面小沟支流干流流域出口。一次洪水过程可用：历时、峰值和径流量反映。三、影响径流的主要因素1、气候因素：降雨、蒸发。2、下垫因素：流域的地形、土壤、地质、植被、湖泊等。3、人类活动：如封山育林等。流速测验目的：推算流量。测速方法：流速仪测速和浮标测速1）流速仪测速A、仪器种类：旋杯式、旋桨式B、测速方法：a、布置测深垂线和测速垂线（多数测深垂线和测速垂线重合，但测深垂线较测速垂线要多）。 b、测出各条测深垂线的水深和起点距。 c、绘制测流断面图。 d、在同一条测速垂线上，布置若干个测点，测量各测点的流速，一般测深和测速同时进行。 测速开始和结束时，均应观测水位和比降。 2）浮标测速 一般在测流河段上，沿河宽均匀投放浮标。测出每个浮标通过上下游断面的时间和距离，即可计算水面流速。 3、流量计算 流量是过水断面积与断面平均流速的乘积。（1）流速仪器测速计算流量的步骤：1）以测垂线为界，将测流断面划分成若干个小面积。并计算各个小断面的面积。两岸部分按三角形计算，中间部分按梯形计算。2）根据各测点的流速计算各测垂线的平均流速,采用下列公式： 五点法：三点法：二点法：一点法：或： K=0.900.954）计算各小面积的流量：等于部分流量面积与部分平均流速的乘积，即5）计算总流量： 全断面总流量： 全断面总面积： 流速：浮标测流速时流量的计算步骤：1）以测深垂线将测流断面分成若干小面积，并计算各小块的面积。2）根据各浮标测得的流速，在测流断面上绘出流速分布曲线。3）把各个测深垂线的水面流速直接作为垂线平均流速，按流速仪器测速流量计算的方法计算各小面积的平均流速、流量和全断面虚流量，全断面的实际流量=虚流量乘Kf。即流速 第二章按照关系的密切程度，简单相关关系可以分为以下三种情况：1）完全相关 2）零相关 3）统计相关第三章设计流量：在进行公路、桥涵工程设计时，采用规定的某一洪水频率，推算设计洪水频率相应的洪水的洪峰流量，称为设计洪水流量，简称设计流量。设计水位：桥位计算断面上通过设计流量时，相应的水位，称为设计洪水位，简称设计水位。设计流速：设计流量通过桥位断面的河槽平均流速，称为设计流速。 推求设计流量的方法：1、中等以上河流的桥涵可搜集到桥梁附近水文站历年来的年最大洪水流量的观测资料。甚至可以调查到观测资料以前发生的特大洪水资料，可用水文水文统计，推算设计流量。2、较小流域的中小河流域难以搜集到水文站实测洪水资料，则可能搜集到降雨资料或地区性水文资料，应用地区性 公式、暴雨径流的推理公式等方法推算设计流量。3、桥位附近资料少，但相邻地区或河段有较多的资料，可应用相关分析插补、延长水文资料系列。二、资料中特大值的处理一般把水文站的观测年限称为实测期，把洪水调查和文献考证的最远年份至实际调查时的年限，分别称为调查期和考证期。1、特大值的来源：（1）观测资料中观测得到的特大值。（2）通过洪水调查得到特大值。2、有特大值的统计计算： 由于特大值与一般洪水流量之间有显著脱节（数字之间的脱节），所以是不连续的。在统计计算中，不能把这些特大值与其他值同等对待，而需要进行适当处理或调整。3、特大值的位置可能有三： （1）在实测资料之内（2）在实测资料之外（3）实测资料内外都有。4、有特大值经验频率计算（1）经验频率的计算把一个不连续系列划分为几个连续系列，作为从总体样本中抽取的几个独立样本，随机变量在每个相应的独立样本中分别排位，每一个独立样本都可以按连续系列来处理，分别计算经验频率。如果某项特大值同时可以在两个样本中排位时，一般宜选取较长的系列来推算经验频率。 按不同的连续系列计算： 将调查期N年中的特大洪水流量和实测洪水流量组成一个不连续系列： （2）不连续系列统计参数的确定和Cv初试值采用矩法公式计算，Cs及最终的 和 Cv仍采用适线法确定。 Qj特大洪水流量中的任一流量值（m3/s)；Qi实测流量（一般洪水流量）中的任一流量值（m3/s)；aN年内特大洪水流量的个数，其中包括n年内的特大洪水流量l个；ln年内特大洪水的个数；N实测流量资料的总年数，即实测期（年），不计缺测年份。（3）适线法同连续系列第六章 大中桥孔径计算桥孔的布置原则1、应保证设计洪水和它所挟带的泥砂顺利宣泄，避免河床产生不利于桥梁的变形，并能够满足通航、洪水和漂浮物安全通过的要求。2、应与天然河段的流量分配相适应，两侧河滩冲刷前的桥下过水面积之比，应大致等于两侧河滩的流量之比。3、应根据桥位河段的天然特征以及水工建筑物可能引起的影响，考虑河床变形和水流变化对桥梁的影响。4、应尽可能照顾当地的发展规划，与农田水利设施相配合。建桥后的桥前雍水不得对两岸河堤、农田、村庄造成威胁，在平原地区尤为重要，往往以桥前雍水的允许高度作为桥孔长度的控制因素。5、对60m以下的桥孔，尽可能采用标准跨径。6、注意地质情况，桥梁的墩台基础避免设在断层、溶洞等不良地质处。7、应考虑施工条件和经济效益，作全面技术经济比较，选择合理的桥孔设计方案。桥孔长度：设计水位上，两桥台前缘之间（埋入式桥台为两桥台护坡之间）的水面宽度。桥孔净长：扣除全部桥墩宽度后，则称为桥孔净长。净跨径（ l0 ）：设支座和不设支座总跨径（桥梁孔径）（ l0 ）：反映桥下泄洪能力标准跨径：墩墩中距或墩中台背胸墙（前缘）桥梁全长：两个桥台的侧墙或八字墙后端点之间的距离,L一、用桥下过水面积计算（冲刷系数法） 1、设计流速 以河槽平均流速作为设计流速（即一般冲刷完成后的桥下平均流速）。别列柳伯斯基假定：桥下水面扩大到使桥下流速等于天然河槽流速时，桥下冲刷停止。 2、桥孔长度计算思路在桥位断面上布设桥孔方案，计算实际具有的桥下净过水面积，若等于或稍大于计算的Aj或Aq ，表明布设方案符合所需要的桥下最小过水面积，桥孔长度即为所求。3、 Aj或Aq和的计算Qs 设计流量；Vs设计流速，一般取天然平均流速；Ad冲刷前（一般冲刷前）桥墩所占的桥下过水面积；Ax冲刷前，墩台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，不包括桥墩和涡流所占的过水面积；Aj冲刷前，桥下净过水面积，不包括桥墩所占的过水面积=Ax+AyAq冲刷前，桥下毛过水面积，包括有效过水面积以及桥墩和涡流所占过水面积=Ax+Ay+Ad=Ad+Aj因墩台侧面涡流阻水而引起的桥下过水面积折减系数，=Ay/Aj，可用公式，对于不等跨的桥孔，采用各桥孔值的加权平均值。因桥墩阻水而引起的桥下过水面积折减系数，=Ad/Aq，对于一般宽浅河流，可认为各桥墩处的水深近似相等，则=b/l（其中b为桥墩宽度，l为桥墩中心距离）。冲刷系数：冲刷后与冲刷前桥下过水面积之比。 。冲刷后的桥下有效过水面积为pAy。冲刷后的桥下净过水面积为pAj 。冲刷后的桥下毛过水面积为pAq 。由于二、用桥孔净长度经验公式下面的公式计算结果是净长度，实际桥孔长度为算出的最小桥孔净长度加上所有桥墩的宽度。1、对于有明显河槽的各类河段冲刷前后的流量不变，所以二、用桥孔净长度经验公式 下面的公式计算结果是净长度，实际桥孔长度为算出的最小桥孔净长度加上所有桥墩的宽度。1、对于有明显河槽的各类河段上述公式适用于山区开阔河段、平原顺直微弯河段等稳定性河段平原弯曲、分汊、宽滩等次稳定河段平原游荡河段、山前区变迁河段等不稳定性河段桥孔净长确定后，即可根据断面形态、主流位置、通航要求、河床演变趋势、桥位河段地质等尽量选用合理的标准跨径，在桥位纵断面上和桥位地形图上进行合理的桥孔布设，使桥下实际的水面宽度等于或大于计算的桥孔长度。桥孔布置应先河槽后河滩，这样才能满足排洪输砂的需要，确保桥梁的安全。第三节 桥面高程桥面高程：桥面中心线上最低点的高程。桥面高程要求：满足通过设计洪水、流冰、流木和通航要求，并且应考虑雍水、波浪、水拱、河槽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。一、引起桥下水位升高的因素1、雍水雍水高度：建桥后，天然水流受到桥孔压缩，桥前形成雍水，天然水面以上雍起的高度。（1）桥前最大雍水高度(2)桥下雍水高度 桥下雍水高度：指桥下断面处的雍水高，可根据洪水情势和土质易冲程度参照表第七章 桥墩台冲刷冲刷过程分为三个独立部分，即自然冲刷、一般冲刷和局部冲刷。含砂量：单位体积内水流中所含悬移质的质量。挟砂能力：在一定的水力和边界条件下，单位体积的水流能够挟带泥砂的最大数量，包括悬移质和推移质的全部泥砂数量。一、副流河床中的水流，受到河床壁面的制约和河床走向的影响，形成了与总流动趋势一致的主流。由于过水断面形状的改变或河弯的影响，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。1、立轴副流(回流)发生在桥台、丁坝头部或河槽宽度突变处。2、平轴副流（滚流） 见图6-2-2。3、顺轴副流（螺旋流） 图6-2-3。河湾凹岸的冲刷是沿河公路水毁的主要原因1、某高速公路上的一座特大桥，通过该桥位处的水文调查整理得到Q-P的P-曲线，P1-2-3=1%50%99%时的三个流量值分别为Q1=4630 m3/s，Q2=2350 m3/s，Q3=650 m3/s，试用三点适线法求该桥位处的设计洪水流量。三点法1）在已知的皮尔逊型曲线上任取三点，其坐标为（xp1，p1）（xp2，p2）和（xp3，p3），由式可以建立3个方程，联解便可得到3个统计参数。2） 先按经验频率点子绘出经验频率曲线，并假定 它近似代表皮尔逊型曲线。在此曲线上取3个点 一般都取50， 和 则取对称值，即P2一般都取50，P1，P3为对称值： ，一般多用55095；相应有xp1、xp2、xp3三个值， 3）令 称s为偏度系数，当 已取定时，则有S=f（CS，P）的函数关系，并已制成“三点法用表 S- P = 55095% 时S与Cs关系表”，见附表，当用式计算出s后，就可从查算表中查出相应的Cs值。4）由Cs查表的求x，cv5）跟据统计参数绘制理论频率曲线，观察和经验频率曲线的关系，不好，调整参数重新适线，直到满意 S0.15时，Cs=0.39 P1=1%，1=2.16 P2=50%，2=0.07 P2=99%，3=-2.04 第九章 小桥和涵洞 孔径计算某公路跨越一条小河，设计流量Qs=22m3/s， 河床比降i=0.009，河槽糙率n=0.033，设计水位Hs=101.50m，河槽最低点高程Hd=100.60m，天然最大水深ht=1.5m，河槽过水面积A=7.47m2，河槽宽度B=7.32m，河槽平均水深h=1.02m，河槽流速v=2.91m/s。计算小桥孔径和相应的最小桥面高程。解：（1）若小桥进出口取单孔，带锥坡，流速系数 为0.90，收缩系数=0.90。河床加固选用碎石层上铺砌厚度20cm的单层片石，由表9-2-1b取加固允许流速v=3.5m/s，桥下断面为矩形断面，桥下临界水深hk为桥下水流为自由式出流。（2）桥孔长度 选用单孔标准跨径6.0m钢筋混凝土板桥，建筑高度为0.80m，跨径5.4m。（3）桥前水深（4）桥面最低高程 低于桥位断面处路基设计高程，在允许范围内。5）小桥孔径v 路基设计高程104.20m，允许的最大桥前水深：v 桥下临界水深hk和临界流速vk，偏安全地略去桥前行近流速水头时v 桥孔长度考试答疑导流堤冲刷线高程确定步骤1.计算堤头天然水深所对应的弗汝德数FrFr=vt2/ght, 其中vt是堤头行近水流流速,ht是堤头天然水深2.计算迎水面堤头附近冲刷深度hs hs=3.37(L/B)0.42 Fr0.38hCm, 其中： L是上游堤端至河岸的距离,B是当另一侧河滩设置导流堤时的设计水位或当另两侧均为导流堤时一侧岸边设计水位线至河槽深泓线的距离, h是堤头天然水深,cm是边坡减冲系数,Fr为弗汝德数3.得出导流堤最低冲刷先高程Hmin= Hs-ht- hs , 其中Hs是设计水位.。 某高速公路上的一座大桥，通过该桥位处的水文调查整理得到Q-P的P-曲线，P1-2-3=1%50%99%时的三个流量值分别为Q1=4256m3/s，Q2=2120 m3/s，Q3=580 m3/s，试用三点适线法求该桥位处的设计洪水流量三点法1）在已知的皮尔逊型曲线上任取三点，其坐标为（xp1，p1）（xp2，p2）和（xp3，p3），由式可以建立3个方程，联解便可得到3个统计参数。2） 先按经验频率点子绘出经验频率曲线，并假定 它近似代表皮尔逊型曲线。在此曲线上取3个点 一般都取50， 和 则取对称值，即P2一般都取50，P1，P3为对称值：一般多用55095；相应有xp1、xp2、xp3三个值， 令 称s为偏度系数，当 p1,p2,p3已取定时，则有S=f（CS，P）的函数关系，并已制成“三点法用表 S- P = 55095% 时S与Cs关系表”，见附表，当用式计算出s后，就可从查算表中查出相应的Cs值。4）由Cs查表的求x，cv5）跟据统计参数绘制理论频率曲线，观察和经验频率曲线的关系，不好，调整参数重新适线，直到满意1.计算 ： 由桥等级得 洪水频率p= % 2.查表3-11 ：S 时，Cs= 3.查P-III曲线表 ：P1=1%，1= P2=50%，2= P2=99%，3=4.计算 5.再查P-III曲线表 ： 由桥等级得 洪水频率p= % ，及2.计算的值6. Qp= %=某桥所跨越的河流为通航河流，河面冬季不结冰，河道通航等级为级，经计算，河道设计水位为223.00m，河道设计最高通航水位为220.50m；桥梁为空心板梁，结构高度及铺装层为1.25m，桥前最大雍水高1.18m，浪高0.64m，水拱高度0.57m，试求桥面最低高程。解：a、按设计洪水位计算桥面高程Hmin=Hs+h+hj+hD式中：Hmin桥面中心最低高程（m）；Hs设计水位（m）；hj桥下净空安全值（m）；hD桥梁上部构造建筑高度（m），包括桥面铺装高度；h各种水面升高值总和（m）。查课本表6-9得hj0.50m计算各种水面升高值总和时，桥前雍水高度计二分之一，浪高计三分之二。h =则Hminb、按通航要求计算桥面高程Hmin=Htn+HM+hD式中：Hmin桥面中心最低高程（m）； Htn设计最高通航水位（m）；HM通航净空高度（m）；hD桥梁上部构造建筑高度（m），包括桥面铺装高度。 由河道通航等级为级，查课本107页表6-12得HM10m则Hmin比较两个计算结果，则桥面最低高程应为1.某桥所跨越的河流为通航河流，河面冬季不结冰，河道通航等级为级，经计算，河道设计水位为863.00m，河道设计最高通航水位为860.50m；桥梁为T型梁，结构高度为1.20m；桥面铺装厚度为0.12m，桥前最大雍水高1.26m，浪高0.8m，水拱高度0.65m，试求桥面最低高程。见作业2.桥孔长度的确定方法有哪些？如何确定？ 桥孔计算方法：冲刷系数法和经验公式法a） 冲刷系数法冲刷系数：桥下河床冲刷后过水面积A冲后与冲刷前过水面积A冲前之比值。 Ay：冲刷前桥下实际的过水面积（有效过水面积）。 Ad：冲刷前桥墩、桥台所占的桥下过水面积。则Aj：冲刷前桥下毛过水面积扣除桥墩、桥台的阻水面积后的过水面积（净过水面积）。Aq：冲刷前桥下毛过水面积（设计水位下冲刷前两桥台间的总面积）。 Aq：冲刷前桥下毛过水面积（设计水位下冲刷前两桥台间的总面积）。Aj：冲刷前桥下毛过水面积扣除桥墩、桥台的阻水面积后的过水面积（净水面积）。计算法:在实测桥位断面图上布设桥孔方案；计算设计水位下所取方案的毛过水面积Aqx（或净过水面积Ajx）；取AqxAq（略大于）且水面宽度最小的布设方案为采用方案，则所的最小水面宽度即为所求桥长；综合其它要求，按标准跨径划分桥孔长度、布设桥孔孔数。b） 经验公式法 公路桥位勘测设计规范稳定和次稳定及宽滩性河段（单宽流量公式） 稳定、次稳定及不稳定河段（滩槽可分）（河槽宽度公式） 3.如何确定桥面高程？