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1、小桥和涵洞孔径计算,第九章 小桥和涵洞孔径计算,小桥：是为公路跨越小河流、山谷等天然或人工障碍物（人行小道）而建造的构筑物。涵洞：为宣泄地面水流（包括小河流）而设置的横穿路基的小型排水构筑物。一般孔径较小，形状有管形、箱形及拱形等 。,Nanjing University of Technology,第九章 小桥和涵洞孔径计算,公路工程技术标准JTG B01-2003,Nanjing University of Technology,第八章 小桥和涵洞孔径计算,保证“路基”连续；保证水流畅通；保证行车无阻。,作用：,影响：,小桥涵影响到公路的造价（15-20%）；小桥涵影响到公路使用；小桥涵影
2、响到生产生活。,Nanjing University of Technology,第九章 小桥和涵洞孔径计算,Nanjing University of Technology,9.1 堰流基本理论,堰：顶部过流的水工建筑物,工程中的坝、桥涵、溢流设备等，其水力特征都与堰相似。它们使上游水位壅高，对水流起侧向收缩和底坎约束的作用。堰流：无压缓流经堰顶溢流时形成堰上游水位升高而后水面急剧下降的局部水力现象。无压缓流经小桥涵时水力现象也与堰流类似，堰在纵向压缩了过水断面，小桥涵则在横向压缩了过水断面，局部阻力条件类似。因此，堰流理论也是小桥涵水力计算的基本理论。,Nanjing University
3、 of Technology,9.1 堰流基本理论,如图所示，距堰前缘(3-5)H处的上游水位至堰顶的水深H，称为堰顶水头，又称为堰顶水深。该断面的平均流速，称为行近流速，常用v0表示。按堰壁厚度对水流的影响程度，通常将堰分为三种类型：,1薄壁堰（/H0.67） 如图a)所示，当（/H）0.67时，堰壁厚度对过堰水流无影响，水流过堰呈自由下落曲线此称为薄壁堰。,Nanjing University of Technology,9.1 堰流基本理论,2实用堰（ 0.67（/H） 2.5） 堰顶厚度对过堰水流开始有顶托相约束作用，但是过堰水流还是在重力作用下的自由下落运动，此称为实用断面堰。常见的
4、实用断面堰有折线型和曲线两种，如图b)及c)所示。水利工程中常用来作泄水建筑物，如溢流坝等。,Nanjing University of Technology,9.1 堰流基本理论,宽顶堰堰顶厚度对水流顶托非常明显。水流在进口附近的水面形成降落；有一段水流与堰顶几乎平行；下游水位较低时，出堰水流二次水面降。,堰顶水深h接近临界水深hk，即hhk；收缩断面水深hchk,，1。按急流的水力特性，宽顶堰的过水能力(即泄流量)只受收缩断面控制。当下游水位较低且hchk式，宽顶堰的过水能力取决于堰顶水头，不受收缩断面下游水位波动的影响。小桥涵的泄流图式与宽顶堰相同，因此，小桥涵又称无槛宽顶堰。,3宽顶堰
5、（2.5/ H 10 ）,Nanjing University of Technology,9.1 堰流基本理论,临界水深（hk） 对于明渠水流的某个断面，以该断面底的最低点所在的水平面做为参考基准面，过水断面上单位重量的水体所具有的总能量叫做断面比能。当渠底坡度较小时，断面比能近似等于水深加上单位重量水体的动能。 对于给定的断面，相应于某个流量，断面比能最小值的水深，称此水深为该断面该流量的临界水深。,临界水深函数,Nanjing University of Technology,9.2 小桥孔径计算,一、水流通过小桥的图式,经小桥孔径的水流特点：具有侧向影响，造成局部阻力桥孔前水位整齐，桥
6、孔内流速增加，造成第一次水面跌落桥孔后流速减小，产生局部阻力，造成第二次水面跌落。水力现象与宽顶堰相同。形成原因： 水流在缓流河道中，由于桥墩或桥的边墩侧向收缩，使水流过水断面减小造成的。分类： 自由出流 淹没出流,Nanjing University of Technology,9.2 小桥孔径计算,一、水流通过小桥的图式,Nanjing University of Technology,9.2 小桥孔径计算,二、小桥孔径计算,大中桥允许桥下河床发生一定的冲刷，一般采用天然河槽平均流速作为设计流速。小桥涵一般不允许河底发生冲刷，可以根据河床加固铺砌的类型，选择适当的容许流速作为设计流速。（表
7、9-2-1）,Nanjing University of Technology,9.2 小桥孔径计算,二、小桥孔径计算,Nanjing University of Technology,9.2 小桥孔径计算,二、小桥孔径计算,小桥水力计算的内容： 根据设汁流量Qs，河床加固类型所对应的最大容许流速，确定满足过流能力和防冲条件的孔径以及对应的桥前雍水高度等。,计算方法：试算法。 拟定河床加固类型，确定桥下河床的容许流速；再根据容许流速与设计流量，通过计算确定孔径大小与雍水高度；与允许的雍水高度进行比较，从而判断是否需调整孔径值，直至达到允许的雍水高度。,Nanjing University of
8、 Technology,9.2 小桥孔径计算,二、小桥孔径计算,根据已知的设计流量和拟定的河床容许流速，计算小桥孔径与桥前雍水高度。计算程序为：,1判别桥下水力图式 1)确定河槽天然水深ht（试算法） 先假设一个水深h，从河槽横断面图上求得过水面积A和水力半径R，按下列公式计算相应的流量Q：,or1%,h=ht,Nanjing University of Technology,9.2 小桥孔径计算,二、小桥孔径计算,1判别桥下水力图式 2)确定桥下临界水深hk 桥下河槽的临界水探hk，可按临界水深函数求得,因此，任意形状断面的平均临界水深 为,Nanjing University of Tec
9、hnology,9.2 小桥孔径计算,二、小桥孔径计算,1判别桥下水力图式 2)确定桥下临界水深hk,对于矩形断面的桥孔，桥下临界水深等于平均临界水深，即 ； 对于宽浅的梯形断面，也可以取 ； 对于窄而深的梯形断面，临界水深hk可按过水面积相等的关系近似求得(见图9-4-3)。,临界断面水面宽度,Nanjing University of Technology,9.2 小桥孔径计算,二、小桥孔径计算,1判别桥下水力图式 3)水流图式判别,当ht1.3hk时，自由式出流；当ht1.3hk时，淹没式出流。,2确定小桥孔径 1)自由式出流,桥下水面宽度B,挤压系数：反映了墩台的阻水效应，查表9-2-
10、3,Nanjing University of Technology,9.2 小桥孔径计算,二、小桥孔径计算,2确定小桥孔径 1)自由式出流,若桥孔断面为矩形，则桥孔长度L=B；若桥孔断面为梯形，则桥孔长度为：,L=B+2mh,2)淹没式出流,桥下河槽被下游水流淹没，桥下过水断面的水深为ht，则桥下过水断面平均宽度（即1/2ht处）为：,Nanjing University of Technology,9.2 小桥孔径计算,二、小桥孔径计算,2确定小桥孔径 2)淹没式出流,若桥孔断面为矩形，则桥孔长度L=B0；若桥孔断面为梯形，则桥孔长度为：,如果桥孔轴线与水流方向斜交，交角为，则斜交桥孔长度
11、为：,Nanjing University of Technology,9.2 小桥孔径计算,二、小桥孔径计算,3确定桥前水深 1)自由出流,Nanjing University of Technology,9.2 小桥孔径计算,二、小桥孔径计算,3确定桥前水深 2)淹没式出流,Nanjing University of Technology,9.2 小桥孔径计算,二、小桥孔径计算,4桥前水深判别,计算的水深与容许的壅水高度进行比较，从而判断是否需要调整孔径值，直至达到容许的壅水高度。 桥前容许壅水高度应根据： （1）桥位上下游两岸村镇、工厂、设施、农田、水力标高或防洪设防标高； （2）路线设
12、计标高等因素综合考虑确定,Nanjing University of Technology,9.2 小桥孔径计算,二、小桥孔径计算,5确定路基和桥面最低标高,桥头路基最低高程河床最低点高程+H+,桥面最低高程河床最低点高程+H+J+D,Nanjing University of Technology,9.3 涵洞孔径计算,一、涵洞的组成和分类,涵洞是横贯路基或路堤的小型泄水和排洪构筑物。与小桥相比，其特点是孔径小，孔道长，河底往往有较大的纵坡，涵前水深可以高于涵洞高度。,1. 涵洞的组成 涵洞由洞身、洞口、基础三个部分组成。洞身主要承受涵洞上填土的垂直与侧向的土压力以及活载压力。洞口用以连接洞
13、身与上下游水道，使水流能顺畅地通过洞身，并保证洞口周围的路基边坡免遭冲刷。基础把涵洞所受的荷载均匀地分布和传递到地基上，并使地基免受水流的直接冲刷。,Nanjing University of Technology,9.3 涵洞孔径计算,一、涵洞的组成和分类,2. 涵洞的分类,涵洞按其用途可分为铁路涵洞和公路涵洞；按建筑材料可分为砖涵、石涵、混凝土涵、钢筋混凝土涵等；按其顶上填土情况可分为顶上有填土的暗涵和无填土的明涵；按其水力性能可分为无压力式涵洞（水面都低于洞顶），半压力式涵洞（水面淹没入口），压力式涵洞（流水充满整个洞身）；按其构造类型可分为拱涵、盖板式涵、箱涵、圆形涵、倒虹吸涵等。,N
14、anjing University of Technology,9.3 涵洞孔径计算,一、涵洞的组成和分类,2. 涵洞的分类,拱涵:洞身由拱圈、边墙和基础组成,一般用砖、石和混凝土建造。填土高度为 120米。拱涵需有较高的路基和坚实的地基。在石料丰富，地质良好和流量较大的地区，涵式选择上应优先选用拱涵。中国拱涵采用较广，如宝成铁路有832座铁路涵洞，其中732座为拱涵。 盖板式涵：洞身由钢筋混凝土盖板、石料或混凝土边墙、基础组成。填土高度为18米，甚至可达12米。在孔径较大和路堤较高时，盖板涵比拱涵造价高，但施工技术较简单，排洪能力较大，盖板可以集中制造。,Nanjing University
15、 of Technology,9.3 涵洞孔径计算,一、涵洞的组成和分类,2. 涵洞的分类,箱涵：又称矩形涵或方涵，与盖板涵相似。建造材料一般用混凝土或钢筋混凝土等。铁路矩形涵的顶板、边墙、底板连成整体。对特软地基采用箱涵较为有利，但施工困难、造价较高。 圆形涵：又称圆管涵，简称圆涵或圆管，常用钢筋混凝土制作。填土高度为 115米。欧美一些国家多采用皱纹铁管。皱纹铁管通常由钢板弯成半圆形或拱形管片，以上下两片或数片组合而成。这种管片可在工厂制造，运至工地安装。圆形涵受力性能好，工程量小，施工方便,但它的过水能力差。孔径较小（一般为1.5米以下）的涵洞采用圆管涵式居多。,Nanjing Univ
16、ersity of Technology,9.3 涵洞孔径计算,一、涵洞的组成和分类,3. 涵洞的洞口形式,a）八字式；b）端墙式；c）锥坡式；d）直墙式; e）扭坡式；f）平头式；g）走廊式；h）流线型式,Nanjing University of Technology,9.3 涵洞孔径计算,二、水流通过涵洞的水力图式,根据涵洞出口是否被下游水面淹没，可分为自由式出流与淹没式出流。实际工程中绝大多数为自由式出流。 按涵洞进水口建筑形式不同与涵前水头高低，水流通过涵洞可分为,无压力式半压力式压力式,Nanjing University of Technology,9.3 涵洞孔径计算,二、水流
17、通过涵洞的水力图式,1. 无压力式,水流流经全涵洞均保持自由水面 。,进水口（端墙式、八字式、平头式），涵前水深 H1.2hT,进水口建筑流线型（喇叭形、太高式），涵前水深 H1.4hT,Nanjing University of Technology,9.3 涵洞孔径计算,二、水流通过涵洞的水力图式,2. 半压力式,当涵洞得进水口为普通型，且水流充满进口，涵前水深H1.2hT （出水口不被淹没）,入口处水流的水位高于洞口上缘，部分洞顶承受水头压力，但收缩断面以后在整个涵洞内都具有自由水面，称为半压力式水流状态。 当工程上采用半压力式涵洞时，涵底纵坡通常用iik。 iik当时，收缩断面以后出现
18、波状水跃，波动的水面与涵顶断续接触，使收缩断面顶部的压强出现真空，水流极不稳定，一般避免采用。,Nanjing University of Technology,9.3 涵洞孔径计算,二、水流通过涵洞的水力图式,3. 压力式,当涵洞得进水口为流线型，且水流充满进口，涵前水深H1.4hT ，且涵底纵坡iiw（摩阻强度），或者下游洞口被淹没时，则整个涵洞的断面都充满水流，称为压力式水流状态。,Nanjing University of Technology,9.3 涵洞孔径计算,三、涵洞孔径计算,1. 无压力式涵洞计算,（2）涵前水深H到进口水H深的降落系数取0.87；,涵前水深,进水口水深,收缩
19、断面水深,涵洞净高,临界水深,（3）收缩断面水深hc=0.9hk，涵前的行进流速v0=0，即H0=H。（4）涵洞出口处或收缩断面处得最大允许流速vmax规定为：,（1）最小净空高度；,Nanjing University of Technology,9.3 涵洞孔径计算,三、涵洞孔径计算,1. 无压力式涵洞计算,（1）最小净空高度 现行涵洞标准图中对的规定：,涵前水深,进水口水深,收缩断面水深,涵洞净高,临界水深,Nanjing University of Technology,9.3 涵洞孔径计算,三、涵洞孔径计算,公路工程水文勘测设计规范,1. 无压力式涵洞计算,（1）最小净空高度,涵前水
20、深,进水口水深,收缩断面水深,涵洞净高,临界水深,Nanjing University of Technology,9.3 涵洞孔径计算,三、涵洞孔径计算,1. 无压力式涵洞计算,（2）涵前水深H到进口水H深的降落系数取0.87，,涵前水深,进水口水深,收缩断面水深,涵洞净高,临界水深,（3）收缩断面水深hc=0.9hk，涵前的行进流速v0=0，即H0=H。（4）涵洞出口处或收缩断面处得最大允许流速vmax规定为：,Nanjing University of Technology,9.3 涵洞孔径计算,三、涵洞孔径计算,1. 无压力式涵洞计算,无压力式涵洞基本公式：,实际工作中，涵洞的孔径多数
21、按照标准图的水力计算资料采用。在编制这些计算资科时，就采用了上述基本公式、规定和假设。（表9-3-3）。,Nanjing University of Technology,9.3 涵洞孔径计算,三、涵洞孔径计算,1. 无压力式涵洞计算,无压力式涵洞基本公式：,Nanjing University of Technology,9.3 涵洞孔径计算,三、涵洞孔径计算,1. 无压力式涵洞计算,当涵洞底坡iik时，出水口水深h0及流速v0可按明渠均匀流公式进行计算。,R=f（h0）,设计流量Qs涵洞底坡I粗糙系数n涵洞净跨L0,h0,v0,Nanjing University of Technolog
22、y,9.3 涵洞孔径计算,三、涵洞孔径计算,1. 无压力式涵洞计算,为了简化计算，可以利用表8-3-2.表中K0为流量模数，W0为流速模数。,实际工作中，涵洞的孔径多数按照标准图的水力计算资料采用。在编制这些计算资科时，就采用了上述基本公式、规定和假设。（表9-3-3）。,Nanjing University of Technology,9.3 涵洞孔径计算,Nanjing University of Technology,9.3 涵洞孔径计算,Nanjing University of Technology,9.3 涵洞孔径计算,三、涵洞孔径计算,2. 半压力式涵洞计算,半压力式涵洞的水力计
23、算，常以涵前断面和进口收缩断面作为计算断面，根据能量方程来推算流量和涵前水深。其基本公式为：,Nanjing University of Technology,9.3 涵洞孔径计算,三、涵洞孔径计算,2. 半压力式涵洞计算,Nanjing University of Technology,9.3 涵洞孔径计算,三、涵洞孔径计算,3. 压力式涵洞计算,为了充分利用断面，达到缩小孔径得目的，压力式涵洞一般采用进水口升高式（流线型）的洞口建筑，使涵顶与水流线形基本一致。其基本公式为：,Nanjing University of Technology,9.3 涵洞孔径计算,三、涵洞孔径计算,3. 压力
24、式涵洞计算,Nanjing University of Technology,9.4 小桥和涵洞进出口处理,铺砌加固一般铺砌、延长铺砌加深截水墙缓坡、挑坎防护表层流速增加，底部流速大大减小特殊消能设施急流槽、跌水、消力池 适用于：纵坡大于15（陡坡涵 ）,Nanjing University of Technology,9.4 山区小桥和涵洞进出口的水力计算,一、跌水的水力计算,消力池的深度d 消力池的长度l,Nanjing University of Technology,9.4 山区小桥和涵洞进出口的水力计算,一、跌水的水力计算,1）初估一个消力池的下挖深度d 2）计算收缩断面的水深和流速
25、,墙顶断面和收缩断面的能量方程为,跌水不大，可认为：,Nanjing University of Technology,9.4 山区小桥和涵洞进出口的水力计算,一、跌水的水力计算,hc、vc未知，可先假设,两断面间的水流阻力很小，取=0，则：,计算得hc与假定值比较，若相差较大，应将计算所的hc带回式（8-5-1）和式（8-5-2）再计算hc，直到满足要求。,Nanjing University of Technology,9.4 山区小桥和涵洞进出口的水力计算,一、跌水的水力计算,3）计算hc的水跃共轭水深hc,4）验算假定的池深是否合适,5）计算水流的射流长度L1,Nanjing Univ
26、ersity of Technology,9.4 山区小桥和涵洞进出口的水力计算,一、跌水的水力计算,6）计算水跃长度L2,7）计算消力池的池长L,8）计算水跃所需的铺砌长度L0,Nanjing University of Technology,9.4 山区小桥和涵洞进出口的水力计算,二、急流槽的水力计算,急流槽的作用是将落差很大的水流从上游引至涵洞或将出口水流引至下游河道。急流槽一般由进口、急流槽、消能设施和出口组成，如图8-5-2所示。 急流槽的水力计算目的是确定急流槽,内的水深、绘制陡坡段的水面曲线，确定急流槽末端消力池或消力槛的几何尺寸。急流槽的宽度一般与桥涵孔径大致相仿。,Nanjing University of Technology,9.4 山区小桥和涵洞进出口的水力计算,二、急流槽的水力计算,急流槽上游渠道的水流进入急流槽顶端的水深可近似定位临界水深hk，以后水面形成本型降水曲线。若急流槽很长，则末端可能出现均匀流水深。降水曲线范围各断面水深可按分段求和法计算，然后按下式计算两断面之间的水流：,完整的降水曲线长度L为：,Nanjing University of Technology,9.4 山区小桥和涵洞进出口的水力计算,二、急流槽的水力计算,Nanjing University of Technology,
