桥孔布设必须考虑河段特点，预见未来河床变形，采取相应措施。通航海轮桥梁的桥孔布设应符合《通航海轮桥梁通航标准》的相关规定。山区河流的桥孔布设要符合以下要求。桥孔和墩台布设应考虑河槽内边滩下移，主槽在河槽内摆动的影响。桥孔布设应预计各汊流流量分配比例的变化，设置同流量分配相对应的导流构造物。试计算最小桥孔长度，并确定桥全长。......
2023-11-20
桥孔长度计算-桥涵水文学
【摘要】：图5-2桥下过水面积示意图桥孔长度的确定，首先应满足排洪和输沙的要求，即保证设计洪水以内的各级洪水及其所挟带的泥沙能从桥下顺利通过，并满足通航、流冰、流木及其他漂浮物通过。目前桥孔长度的计算方法有下列两种，采用最多的是经验公式法。桥孔最小净长Lj是在给定的水文和河床条件下，安全通过设计洪水流量所必须的最小桥孔净长度。因此计算桥孔长度时，常采用天然河槽平均流速作为设计流速。
设计水位上两桥台前缘之间（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），如图5-2所示；扣除全部桥墩宽度（沿原水面线顺桥方向），则称为桥孔净长（Lj）。根据定义，则有
式中 L——桥孔长度，m；
Lj——桥孔净长，m；
n——桥孔的孔数；
lj——单孔桥净跨，m；
d——桥墩厚度，m。
图5-2 桥下过水面积示意图
桥孔长度的确定，首先应满足排洪和输沙的要求，即保证设计洪水以内的各级洪水及其所挟带的泥沙能从桥下顺利通过，并满足通航、流冰、流木及其他漂浮物通过。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。目前桥孔长度的计算方法有下列两种，采用最多的是经验公式法。
1.经验公式法
经验公式法计算的是桥孔最小净长。桥孔最小净长Lj是在给定的水文和河床条件下，安全通过设计洪水流量所必须的最小桥孔净长度。
桥孔最小净长度经验计算公式以1974～1976年全国大中桥孔设计调查资料（取样124座桥）为基础，并补充了1998年交通部公路司发出的《关于进行大中桥孔径设计资料调查》文件以来各省呈报的经洪水考验评定，桥长合适的桥孔设计资料（62座桥），共根据186座桥梁样本（包括1950～1995年建成的桥梁）得出的经验公式。这些经验公式是新中国成立以来我国桥孔设计的经验总结，是制定和检验我国桥孔长计算方法的依据。这些公式经多次验证、修订先后三次被写入规范，推荐在全国使用。
经验公式中的桥孔长度是在给定水文和河床条件的最小桥孔净长，且为正交时的桥孔净长。若水流与桥轴斜交则应换算为斜桥轴线方向的长度。
《公路工程水文勘测设计规范》（JTG C30—2002）中规定，对于峡谷性河段上的桥梁，仅要求按地形布置桥孔，一般可不作桥孔长度计算；对其他各类河段上的桥梁，可按式（5-2）计算桥孔最小净长Lj。
（1）开阔、顺直微弯、分汉、弯曲河段及滩、槽可分的稳定、次稳定河段，宜按式（5-2）计算：
式中 Lj——最小桥孔净长，m；
QP——设计流量，m3/s；
Qc——河槽流量，m3/s；
Bc——河槽宽度，m；
K、n——反映河床稳定性的系数和指数，其值按表5-3采用。
（2）宽滩河段，按式（5-3）、式（5-4）计算：
表5-3 K、n值表
式中 β——水流压缩系数；
qc——河槽平均单宽流量，m3/（s·m）；
Qt——河滩流量，m3/s。
（3）滩、槽难分的不稳定河段，按式（5-5）～式（5-7）计算：
式中 B0——基本河槽宽度，m；
—年最大流量平均值，m3/s；
——河床泥沙平均粒径，m；(www.chuimin.cn)
CP——洪水频率系数；
Q2%——频率为2%的洪水流量，m3/s；
QP——设计流量，m3/s。
（4）桥孔设计长度确定。桥孔设计长度除应满足上述公式计算的最小净长度外，还应结合桥位地形、桥前壅水、冲刷深度、河床地质等情况，做出不同桥长的技术经济比较，综合论证后确定最终的采用值。
2.冲刷系数法（用桥下过水面积计算）
利用桥位断面的设计流量QP和设计水位HP，根据水力学的连续性原理（Q=Av），求出桥下顺利宣泄设计洪水时所需要的最小过水面积，用以确定桥孔的最小长度。
在长期生产实践中，人们认识到，建桥后桥孔压缩水流，桥下流速增大到一定数值，桥下河槽开始冲刷（称为一般冲刷），随着冲刷后水深的增加，桥下的过水面积逐渐扩大，而桥下的流速逐渐降低，河槽的冲刷将相应减缓，最终趋于停止。也就是说，每个河流都有其特定的流速，达到该流速时，河槽的冲刷即停止。别列柳伯斯基于1875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流速。因此计算桥孔长度时，常采用天然河槽平均流速作为设计流速。建桥后，桥下河槽产生冲刷，桥下冲刷面积将随冲刷而变化，设计水位HP下过水面积的组成如图5-2所示。其中，桥墩所占的面积阻挡水流，墩台侧面产生涡流所占的面积，形成滞流区而阻断水流，只有剩余的部分，才是桥下实际泄流（排洪或输沙）的面积，称为有效过水面积。根据桥下过水面积的变化情况，采用下列符号，建立桥孔长度的计算公式。
QP——设计流量，m3/s；
vP——设计流速，m/s，一般采用天然河槽的平均流速vc；
Ad——冲刷前桥墩所占的桥下过水面积，m2；
Ax——冲刷前桥墩台侧面涡流所占的桥下过水面积，m2；
Ay——冲刷前桥下有效过水面积，m2，其中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，m2，其中不包括桥墩所占的过水面积，Aj=Ay+Ax；
Aq——冲刷前桥下毛过水面积，m2，包括有效过水面积以及桥墩和涡流所占的过水面积，Aq=Ax+Ay+Ad=Aj+Ad；
μ——因桥梁墩台侧面涡流阻水而引起的桥下过水面积的折减系数，又称压缩系数，
，见表5-4；
λ——因桥墩阻水而引起的桥下过水面积的折减系数
，对于一般宽浅河流，可认为各桥墩处的水深近似相等，则
（其中b为桥墩宽度，l为桥墩中心间距）。
为了推算冲刷后桥下的过水面积，引入一个比值p，p是冲刷后与冲刷前的桥下过水面积之比，即
，称为冲刷系数；冲刷后的桥下过水面积是冲刷前的p倍，冲刷后的桥下有效面积为冲刷前的p倍，冲刷后的桥下有效过水面积、净过水面积和毛过水面积分别为pAy、pAj和pAq。由于冲刷前后的流量不变，也可以写成
，因而冲刷前的桥下平均流速为冲刷后的p倍。
表5-4 桥墩水流侧向压缩系数μ值表
注 1.系数μ是指墩台侧面因漩涡形成滞流区而减少过水面积的折减系数。
2.当单孔净跨径大于45m时，可按
计算，lj为单孔净跨径。对不等跨的桥孔可采用各孔μ值的平均值。单孔净跨径大于200m时，取μ≈1.0。
根据水力学连续性原理，可得
QP=pAyvP
由于
又因为Ad=λAqAj=Aq-Ad=（1-λ）Aq
所以
式中 p——冲刷系数，表示桥下河槽的冲刷程度，也表示桥孔对水流的压缩程度，是桥孔长度计算的控制因素。不同河段类型的冲刷系数见表5-5。
表5-5 各类河段的容许冲刷系数
在桥位河段上布设桥孔方案，计算实际具有的桥下净过水面积或毛过水面积，若等于或稍大于上述公式计算的Aj（或Aq），表明布设符合所需要的桥下最小过水面积，桥孔长度即为所求。否则应重新选定桥孔设计方案，重复上述计算，直到符合桥下最小过水面积的要求为止。对于桥孔轴线与水流方向斜交的桥梁，实有的桥下过水面积应以垂直于水流方向的投影面积来计算。
这种确定桥孔长度的方法，我国铁路系统使用至今；1976年我国公路系统根据实际桥梁调查资料，制定了桥孔长度的经验公式，自1982年起不再推荐使用，但仍是一种合理的参考方法。
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