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1、第四章 小桥涵水文计算,第一节 小流域水文计算概要 第二节 暴雨推理法 第三节 径流形成法 第四节 形态调查法 第五节 直接类比法 第六节 特殊情况水文计算方法比较、校核,第四章 小桥涵水文计算,第一节 小流域水文计算概要 小流域：指汇水面积小于100平方公里的流域。 一、特征： 1 洪水暴涨暴落； 2 缺少观测资料； 3 流量小，历时短； 4 暴雨是形成洪峰流量的主要原因。 汇水面积小，洪峰流量淹没范围小，洪水历时短，没有水文观测资料，难以找到一种普遍适用于全国的计算方法和公式。 通常采用的方法有：暴雨推理法、径流形成法、形态调查法、直接类比法以及暴雨推理法。,二、水文计算方法简介,1、有流
2、量观测资料 2、无流量观测资料 1）由历史洪水位推算设计流量： 形态调查法 直接类比法 2）由暴雨成因的原理推算设计流量 暴雨推理法 径流形成法,第二节 暴雨推理法,一、原理及步骤 1. 原理 成因分析与经验推断相结合，从实测暴雨资料入手，应用地区综合分析方法来分析暴雨资料和地区特征关系，间接地求设计流量。 假定暴雨 与 洪峰流量 的 频率 相同。,影响因数： 雨力（暴雨强度mm/h）对应一定的频率 汇水区面积 汇流时间(主河沟长度,主河沟坡度) 损失参数(mm/h)(地理位置、土壤植被类型）,2 .步骤 1）由地理位置查频率为p的雨力SP (mm/h) （图4-2-图4-4，每个省都有雨力等
3、值线图） 2）确定汇水区面积、主河沟长度、主河沟坡度 3）计算损失参数 和 汇流时间 4）求设计流量,3 . 汇水区面积、主河沟长度、主河沟坡度,1) 汇水区面积 (1)利用150000地形图求算 (2)实测 (3)实测与估算相结合的方法 假定汇水区面积为矩形，在汇水区范围内选择有代表性的 河沟平均横断面 和 纵断面。 实测平均断面宽度B和平均长度L ，,2)主河沟平均坡度（确定地貌系数 ）附表1-5 （1）当有地形图可利用时 根据等高地形图 作出构造物至分分水岭沿河沟的纵断面图，然后依其 等面积切割 的坡度即主河沟平均坡度 。 （2）当无地形图可利用时 当主河沟长度大于500米，以河沟形成处
4、与桥涵处高差除以其水平距离。,二、计算公式1 交通部公路科研所推理公式,汇流时间 北方： 南方：,暴雨递减系数n ：附图4-5，附表11 注： 1小时，用n1 = 16小时，用n2 = 624小时，用n3,损失参数 : (mm/h),北方 南方：,K1、K2 附表1-3,附表1-3,经验公式,地貌系数，m， 2，附表1-5； 系数指数C ，3 ，附表1-6 ，由桥涵位置、地形、主河沟坡度决定。,例,甘肃某公路的石沟桥，石沟属黄河流域关川河支流，汇水面积A=89km2，主河沟长L=21.32km，主河沟平均坡度IZ=16，为沙砾夹卵石，两岸为粉质垩粘土，地表为黄土河床，划为类土，地处丘陵区，该小
5、桥无实测流量资料，用暴雨推理公式和经验公式推求QP=2%=？,要点： 1)甘肃（由所处位置查各省雨力等值线图，SP=2%=?） 2)汇流时间的计算系数K、分区：北方，附表1-4甘肃丘陵区 3)暴雨递减系数n,分区见图4-5（经纬度？），为，或附表1-1 4）求雨损，土壤植被分类：按附表1-2分类？ 经验公式中：地貌系数 计算系数分区，附表1-5甘肃丘陵区,不同表格中分区的意义不同： 1、汇流时间的系数k指数分区、：地理位置与地形；附表1-4，甘丘陵 类。 2、暴雨递减系数 n 的分级：图4-5桥涵处经纬度定； 3、损失参数中地表土壤植被分级：附表1-2、例题中为已知。,要点： 1)甘肃（由所处
6、位置查各省雨力等值线图，图4-3中2%的 SP=45mm/h，书中图小，看不清楚（桥涵处经纬度定） 2)汇流时间计算系数K、分区：北方，附表1-4甘肃丘陵区， K1=0.62. 1=0.71,算出汇流时间=2.03小时 3)暴雨递减系数n,分区见图4-5（经度纬度？），或者附表1-1 为， = 1-6小时，用n2=0.65（ 若为 ， 则n2=0.71？ ） 4）求雨损，土壤植被分类：按附表1-2分类，（此题已知为） K1=0.75, 1=0.85 经验公式中：地貌系数计算系数分区，附表1-5甘肃丘陵区,第三节 径流形成法,一、径流的形成 从分析汇水区形成和影响地面径流的因素(如：暴雨强度、汇
7、水面积、土壤类型、地形等)着手，建立这些因素与设计流量的函数关系，求得设计流量的方法。 二、影响径流流量的因素 1) 暴雨特征 降雨强度、降雨历时、降雨范围 以及降雨的均匀性等 2) 汇水区特征 (1) 汇水区面积的大小及形状 （2）汇水区地表（植被，土壤） (3) 汇水区地形（河沟纵坡，横坡） (4) 其它因素 （湖泊）,三、径流形成法计算公式 （两类公式） 经验公式： 根据实践经验建立径流流量与径流因素函数关系的公式。 成因（简化）推理公式： 根据径流形成的因素和条件，通过分析、推理而建立的径流流量与径流因素函数关系的公式。,径流成因简化公式公路科学研究所提出的简化公式：汇水面积F30平方
8、公里的的小流域常用公式：,暴雨推理法中不同，此处 地貌系数 （附表1-8）由流域地形，面积，主河沟坡度决定。, :地貌系数F：汇水面积（km2）h：暴雨径流厚度（mm）z：植物截流或地表洼地 滞流的拦蓄厚度(mm),暴雨径流厚度h（mm）：由以下四因数查附表1-12 （1） 暴雨分区（地理位置），附表1-7(大范围)； （2）公路洪水频率，表1-6； （3）汇水区吸水类型（含沙率）； 附表1-9（按土的含砂率）或1-10（按土的性质） （4）汇流时间，附表1-11（按流域面积）,考虑洪峰传播、降雨不均匀、水库湖泊等影响,：小水库或湖泊影响系数 f : 水库控制面积 F ：桥涵位置以上全汇水面积
9、 ：洪峰传播影响折减系数 ：汇水区降雨不均匀折减系数,汇水面积较小(一般平原区F10平方公里 山岭区F05平方公里） 按简化公式进行计算，结果偏差较大。 这时还应用下式计算比较，选其较小者：,2 径流流量 经验公式 （1）在汇水面积小于10平方公里 时,(2) 当有降雨资料时,当汇水面积F3平方公里时，也可用下式计算：,K径流模数，附表117 n地区指数，附表118 或由调查得到的Q、F求K 、n,3 径流形成法资料收集,1)汇水区面积 (1)利用150000地形图求算 (2)实测 (3)实测与估算相结合的方法 假定汇水区面积为矩形，在汇水区范围内选择有代表性的河沟平均横断面和纵断面，实测平均
10、断面的宽度B和平均长度L ，,2)主河沟平均坡度 是 确定地貌系数 的依据之一。 (1)当有地形图可利用时，根据等高地形图作出构造物至分分水岭沿河沟的纵断面图，然后依其等面积切割 ， 的坡度即主河沟平均坡度,3）汇水区平均宽度B及横向平均坡度 利用地形图，先勾绘出汇水区范围线，近似求出汇水面积的形心c，垂直主河沟作一直线，交汇水区边界的a，b两点，取此两点间距离即为汇水区平均宽度B。 由B或者L确定降雨不均匀系数，大于5km时考虑。,4) 土壤类属调查（六类） 根据各地区农林部门的10万50万分之一区域性土壤图确定土壤名称； 实地测定汇水区有代表性的 土壤含砂率，由附表1-9确定。 5) 汇水
11、区地表特征与植被情况调查 滞留厚度Z与汇水区地面覆盖的疏密程度、植物落叶残积层的厚度以及地面起伏平整情况有关。 调查时以全汇水面积上占优势的植物覆盖面积百分数统计，然后由附表1-13查Z。,例：某 三级公路 跨越一小水道，该地区为第12暴雨分区，其汇水面积为12平方公里；汇水区表土为 粘土；主河沟平均纵坡I=20，汇水区内主要为 山地水稻田；河沟上游有一湖泊，其控制汇水面积为8.2平方公里；汇水区面积重心至桥涵位置距离为4km，试计算设计洪水流量。 解：因汇水面积F=1210且F30，采用径流成因简化公式计算。,确定计算参数 1）频率P： 三级公路小桥涵 （表1-6） P=。 2）地貌系数：依
12、据地形，F12，I=20，查附表18，= 3）径流深度h ： (1) 频率P已查出 (2) 根据A 查附表1-11，得知汇流时间= (3) 根据土壤为粘土，附表1-9，定吸水类属为类 (4) 第12暴雨分区，附表1-12，径流深度h = 4)植物洼地拦蓄厚度z ：附表1-13，山地水稻田。,1）频率P： 三级公路小桥涵 （表1-6） P=1/25。 2）地貌系数：依据F12，I=20，查附表18， =0.07。 3）径流深度h ： 根据A 查附表1-11，得知汇流时间=45min 根据土壤为粘土，附表1-9，定吸水类属为类 第12暴雨分区，附表1-12，径流深度h48mm。 4)植物洼地拦蓄厚
13、度z ：附表1-13，山地水稻田（主河沟坡度？）z=10mm。,5)湖泊折减系数： ： =1-(1-k)f/F =1-( 1-0.7）8.2/12=0.8 因无资料K取0.7 6）洪峰传播折减系数：由汇水面积重心至桥涵位置距离L0=4km，附表1-14 =0.95 (山地) 7）汇水区降雨不均匀系数：由于汇水面积较小，查涵洞手册附表1-15，降雨不均匀系数近似=1. 8）流量Q=,第四节 形态调查法,一原理及步骤 1)原理： 用调查 河槽形态与历史洪水位 的手段，取得河槽某一过水断面在该洪水位下的过水面积、平均流速及洪水频率资料，据以推算桥涵处设计流量的方法。,2)步骤：,(1) 设置形态断面
14、。 (2) 形态断面调查：历史洪水位及频率调查； 形态断面测量；洪水(或河床)比降测量； 河床形态调查及粗糙率的确定。 (3) 形态断面处流量Qx计算。 (4) 频率换算。将形态断面的流量Qx换算 设计频率的流量Qxs。 (5) 桥(涵)址换算。将形态断面的设计流量 Qxs 换算为桥址断面的设计流量Qs。,二形态调查法计算公式 1 形态断面处的洪峰流量Qx 当形态断面流速为同一流速时，洪峰流量： Qx=v 当河槽断面因粗糙系数n、断面水深h不同(即复式河床断面时)而形成不同流速v，则应分段按各相应面积计算后相加。,（1）顺直河沟段： 用均匀流公式计算: 宽浅河床： 水面宽度/平均水深10，R=
15、Hp,2 形态断面处流速的确定,2) 按沉积物粒径或土的类属特征估算流速 对于山区河沟，可在形态断面附近浅滩上找35个最大石块，求其平均粒径，然后按下式估算v 石块的相对密度，无资料时可取2。 D 最大石块的平均粒径(m)。 对于平原区河沟，可根据河床土壤的类属特征，参考附表1-28估算确定平均流速。,3) 按河弯两侧洪水高差估算流速 在山区河沟的急弯处，如能在两岸岸壁上找到明显的洪水痕迹，可测定其高差及河弯曲率，按下式估算平均流速： h 同一断面上两岸洪水位之高差(m)； R河弯的曲率半径，凸凹岸曲率半径平均值(m)； g重力加速度； B河沟的宽度(m)。,频率计算 Qx是形态断面相应于所调
16、查的历史洪水位的流量，并不是小桥涵规定的设计频率的流量，先换成形态断面处一定频率（桥涵设计频率）流量QXS。 按流量模比系数换算 因为 Kp相应设计频率的模比系数； Kn调查的历史洪水频率模比系数， Kp及Kn可根据变差系数Cv查附表1-30求得； Cv变差系数，可由土壤吸水类属附表1-29。,(2) 按多年平均流量推算： 若通过形态断面调查能获得多年平均洪水位，并据以算出多年平均洪水流量Qp，则可按下式推算： QxsKpQp (m3s) (3) 按周期换算系数M推算 QxsMQx (m3s) M周期换算系数，由附表1-31查得。,4) 桥(涵)址换算 如桥(涵)址处为所选形态断面，或两者相距很近估计流量相差在10左右时，可不进行桥(涵)址换算。 如超过此范围时： 式中：下标1形态断面处，下标2桥涵处。 Qs桥涵处设计流量(m3s) b2, b1 桥涵处和形态断面处汇水宽度，(通常为汇 水面积除以主河沟长度)(km)， F2,F1 桥涵处和形态断面处汇水面积的面积。 I2, I1 桥涵处和形态断面处汇水区的主河沟平均坡度。 (mkm)， n汇水面积指数参数，大流域取1223， F30k
