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1、四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院小 橋 和 涵 洞 孔 徑 計 算 小 橋 和 涵 洞 概 述公路在跨越河溝、溪谷和灌溉渠道時，需修建各種排水構(gòu)造物，其中以小橋、涵洞居多。一般在平原區(qū)每公里約13座，山區(qū)約35座。據(jù)已建公路統(tǒng)計，小橋涵的工程投資約占公路總投資的15%20%，其投資總額為大、中橋的24倍左右。小橋涵孔徑大小應(yīng)根據(jù)設(shè)計流量、河床特性及河床進出口加固類型所允許的平均流速等來確定。 小橋涵孔徑計算的目的在于合理確定橋涵孔徑大小、河床加固的類型和尺寸、壅水高度、橋涵處路基和橋涵頂面的最低高程。 一、小橋和涵洞勘測的主要任務(wù)小橋和涵洞勘測包括外業(yè)勘測和內(nèi)業(yè)設(shè)計兩部分。通過對公路沿線的地形、地質(zhì)、水文
2、、氣象及農(nóng)田水利設(shè)施等情況進行勘測和調(diào)查，為橋涵設(shè)計以及水力計算提供必要的資料和依據(jù)。小 橋 和 涵 洞 勘 測 二、小橋和涵洞勘測的主要工作內(nèi)容1、勘測前的準備工作（1）地形資料：搜集公路沿線1:100001:50000的地形圖，要求能獲得必要的流域面積、主河溝平均縱坡度等資料。（2）地質(zhì)資料：搜集區(qū)域地質(zhì)特征資料、地形圖及土質(zhì)類別。（3）水文資料：小橋涵所在地附近水文站歷年實測最大流量及其相應(yīng)的洪水位或歷史洪水位痕跡、沿河溝上下游河床變遷情況、水工構(gòu)造物等資料。（4）氣象資料：當?shù)貧庀笳灸?、月平均降雨量，暴雨強度和所持續(xù)時間，年內(nèi)最高、最低氣溫，主導(dǎo)風(fēng)向和風(fēng)力等。（5）其他資料：若為改建或
3、修復(fù)工程，需向原設(shè)計、施工和養(yǎng)護部門搜集有關(guān)工程的測設(shè)、施工及竣工資料，了解該工程的使用、養(yǎng)護、水毀等情況，并征詢小橋涵改建的意見。（6）組織與配備完成該工程勘測任務(wù)的人員、儀器和工具等。小 橋 和 涵 洞 勘 測 2、小橋和涵洞位置的選擇 小橋和涵洞位置的選擇應(yīng)以服從路線走向，保證排水順暢和路基穩(wěn)定，降低工程造價為原則。（1）山嶺及丘陵區(qū)小橋涵位置的確定 一般為一溝一涵，間距不宜大于300m。當匯水區(qū)很小時，兩河溝相距很近，可改溝合并。但要注意開挖排水溝或加深、加寬邊溝；做好舊河溝的堵塞、截水墻及路基加固工程。 涵位與路基排水系統(tǒng)密切配合，如在截水溝排水出口處設(shè)置涵洞，以免水流沖刷路面和路基
4、。 路線的轉(zhuǎn)角較大（大于90），平曲線半徑較小，進入彎道前的縱坡大于4%，在彎道起（終）點附近應(yīng)設(shè)置涵洞。 路線由陡坡段過度到緩坡段，在此200m內(nèi)又無其他涵洞，在變坡點附 近應(yīng)設(shè)置涵洞。 小 橋 和 涵 洞 勘 測 （2）平原區(qū)小橋和涵洞位置的確定 根據(jù)天然排洪系統(tǒng)，有利于農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)置小橋和涵洞，并避免橋涵出口對耕地造成沖蝕。 路線通過較長的低洼及泥沼地帶時，在具有天然縱坡地段，可適當多設(shè)置涵洞，以防排水不暢及長期積水。 路線靠近村莊時，要注意設(shè)置涵洞，以便及時排除村內(nèi)的地面積水。 小橋和涵洞的位置應(yīng)選擇在河床地質(zhì)良好、地基承載力較大的河段。小 橋 和 涵 洞 勘 測 3、小橋和涵洞測量 主
5、要包括河溝橫斷面、河溝縱斷面及河溝比降測量并測繪橋涵址平面圖。4、小橋和涵洞類型選擇 主要根據(jù)公路等級及性質(zhì)，按照安全、適用、經(jīng)濟、就地取材、便于施工和養(yǎng)護等條件確定。 橋涵孔徑是根據(jù)設(shè)計流量，通過水力計算，并根據(jù)小橋和涵洞所在河溝的斷面形態(tài)來確定的。小 橋 和 涵 洞 勘 測 一、水流通過小橋的圖式當橋孔壓縮河槽時，水流受到橋臺路堤和墩臺的擠壓，橋前水位抬高，產(chǎn)生壅水，橋下水面降低，出現(xiàn)收縮斷面。小橋橋下河槽一般都進行鋪砌加固，不會沖刷。通過小橋橋下的水流圖式與寬頂堰相似，按下游天然水深的大小可分為自由式出流與淹沒式出流兩種。小 橋 孔 徑 計 算 1、自由式出流 小橋下游天然水深ht1.3
6、hk時，橋下水流圖式如圖。橋下水深為橋下河槽的臨界水深hk。小 橋 孔 徑 計 算 2、淹沒式出流 小橋下游天然水深ht1.3hk時，橋下的臨界水深被下游天然水深水面所淹沒，橋下水流圖式如圖。橋下天然水深為ht。小 橋 孔 徑 計 算 二、小橋孔徑計算 小橋涵一般不允許河底發(fā)生沖刷，可以根據(jù)河床加固鋪砌的類型，選擇適當?shù)娜菰S流速作為設(shè)計流速。 一般采用試算法確定小橋孔徑。先根據(jù)容許流速與設(shè)計流量，通過計算確定孔徑大小與壅水高度，并與允許的壅水高度進行比較，從而判斷是否需要調(diào)整孔徑值，直至達到允許的壅水高度。小 橋 孔 徑 計 算 根據(jù)已知的設(shè)計流量和擬定的河床容許流速，計算小橋孔徑與橋前壅水高
7、度的程序為：1、判別橋下水流圖式 1）確定河槽天然水深ht 河槽天然水深ht可根據(jù)已知設(shè)計流量及河槽特征，用試算法確定。 先假定一個水深h，慎重選取河道的粗糙系數(shù)，從河槽橫斷面圖上求得過水面積A和水力半徑R，按公式計算相應(yīng)流量。小 橋 孔 徑 計 算 21321 iRnAQ 若計算的Q值與設(shè)計流量相差一般不超過5%時，則假定的水深可作為天然水深。否則，需要重新假定水深進行計算，直至符合要求為止。 2）確定橋下臨界水深hk橋下河槽的臨界水深hk，可按臨界水深函數(shù)求得：式中：Ak橋下河槽臨界水深對應(yīng)的過水斷面面積； Bk臨界斷面Ak的水面寬度； Qs設(shè)計流量； a 流速分布系數(shù)，小橋取a=1.0g
8、QBA skk 23 小 橋 孔 徑 計 算 因此任意形狀斷面的平均臨界水深 為：其中vk為臨界流速，計算時可采用河床的容許（不沖刷）流速。khgvgAQBAh kkskkk 22 2 對于矩形斷面的橋孔，橋下臨界水深等于平均臨界水深，即hk= ，對于寬淺的梯形斷面，可可以取hk ，對于窄而深的梯形斷面，臨界水深hk可按過水面積相等的關(guān)系近似求得。khkh 由圖有：臨界斷面水面寬度Bk為：m hmBBBh kkkkk 2 42 323 ksskk v gQQgAB 3）水流圖式判別當ht1.3hk時，自由式出流；當ht1.3hk時，淹沒式出流。 2、確定小橋孔徑長度L 1）自由式出流考慮橋臺和
9、橋墩側(cè)向擠壓水流對橋下過水面積減小的影響，則計算需要的橋下水面寬度B時，應(yīng)引入水流擠壓系數(shù) ： B橋下需要水面寬度， 擠壓系數(shù)；見表9-2-2； N橋墩個數(shù)； d 橋墩寬度。NdvgQB ks 3 若橋孔斷面為矩形，則橋孔長度L=B；若橋孔斷面為梯形，則橋孔長度為： L小橋的孔徑長度； m 橋臺處錐坡的邊坡系數(shù)；h 小橋上部結(jié)構(gòu)底面高出水面的高度。hmBL 2 2）淹沒式出流下游天然水深ht1.3hk時，橋下河槽被下游水流淹沒，橋下過水斷面的水深為ht,則橋下過水斷面平均寬度為： B0橋下過水斷面的平均寬度； Vbc河床的容許（不沖刷）流速。NdvhQB bct s 0 若橋孔斷面為矩形，則橋
10、孔長度L=B0；若橋孔斷面為梯形，則橋孔長度為：如果橋孔軸線與水流方向斜交，交角為a，則斜交橋孔長度La為：)21(20 hhmBL t cosLL 根據(jù)計算得到的橋孔長度L選用標準跨徑，兩者相差應(yīng)小于或等于10%，否則，需根據(jù)確定采用的橋孔長度反求橋下流速和臨界水深，復(fù)核水流圖式。 3、確定橋前水深H 1）橋下為自由式出流時，橋前水深H按下式計算：H橋前水深； 流速系數(shù)，見表9-2-2；vH水深為H的橋前斷面的行進流速。gvgvhH Hkk 22 222 2）橋下為淹沒式出流是，橋前水深H按下式計算： V由采用的橋孔長度計算的橋下流速。gvgvhH Ht 22 222 4、確定路基和橋面最低
11、高程按圖9-2-6可得：橋頭路基最低高程=河床最低點高程+H+ 按圖9-2-7可得：橋面最低高程=河床最低點高程+H+J+D 涵洞和小橋相比，特點是孔徑小、孔道長，河底往往具有較大的縱坡，涵前水深可以高于涵洞高度。一、水流通過涵洞的水力圖式根據(jù)涵洞出水口是否被下游水面淹沒，可分為自由式出流與淹沒式出流兩類。按涵洞進水口建筑形式不同與涵前水頭高低，水流通過涵洞可分為無壓力式、半壓力式、壓力式三種水力計算圖式。第 三 節(jié) 涵 洞 孔 徑 計 算 1、無壓力式當涵洞的進水口建筑為普通型，而涵前水深H1.2hT時，或者進水口建筑為流線型，而涵前水深H1.4hT時，水流在進水口處受到側(cè)向束窄，水面急劇下
12、降，在洞口不遠處形成一個收縮斷面，水流流經(jīng)全涵洞均保持自由水面，稱為無壓力式水流狀態(tài)。 2、半壓力式當涵洞的進水口建筑為普通型，且水流充滿進口，涵前水深H1.2hT時，但收縮斷面以后在整個涵洞內(nèi)都具有自由水面，稱為半壓力式水流狀態(tài)。 3. 壓力式當涵洞的進水口建筑為流線型，而涵前水深H14hT,且涵底縱坡iiw，或者下游洞口被掩埋時，則整個涵洞的斷面都充滿水流，稱為壓力式水流狀態(tài)。 二、涵洞孔徑計算 1、無壓力式涵洞進行涵洞計算時，根據(jù)涵洞的實際工作情況，作了下列規(guī)定和假設(shè)：（1）無壓力式涵洞進水口處，涵內(nèi)的最高水面與涵洞頂之間要保持一個最小凈空高度。對于蓋板涵、箱涵： 進水口凈高h2.0m時
13、，=0.10m； h2.0m時，=0.25m。 對于磚、石、混凝土拱涵：涵洞凈高hT1.0m時，=0.10m； hT=1.02.0m時，=0.15m； hT2m時，=0.25m。（2）從涵前水深H到進口水深H的降落系數(shù)取0.87，則：87.087.0 ThHH （3）收縮斷面的水深hc=0.9hk，涵前的行進流速v00，即H0H。（4）涵洞出口處或收縮斷面處的最大允許流速vmax規(guī)定為：凈跨L0=0.51.5m的拱涵、蓋板涵，vmax=4.5m/s，凈跨L0=2.04.0m的拱涵、蓋板涵、圓管涵，vmax=6.0m/s 無壓力式涵洞基本公式為：)(2 0 kk hHgAQ kk AQv 220
14、 2 gvhH kk gvHH 2200 2、半壓力式涵洞半壓力式涵洞的水力計算，常以涵前斷面和進口收縮斷面作為計算斷面，根據(jù)能量方程來推算流量和涵前水深。其基本公式為： Tc hHgv 2 ThHgAQ 2 3、壓力式涵洞為充分利用斷面，達到縮小孔徑的目的，壓力式涵洞一般采用進水口升高式的洞口建筑，使涵頂與水流線形基本一致?；竟綖椋?Tw hiiLHgv 2 Tw hiiLHgAQ 2 涵 洞 處 的 路 基 最 低 高 程 應(yīng) 高 出涵 前 水 深 以 上 至 少 50cm。為 避 免 涵 洞 進 口 路 基 浸 水 和 進出 口 流 速 計 沖 刷 過 大 ， 一 般 不采 用 壓
15、力 式 涵 洞 。 一、小橋和涵洞類型的選擇公路小橋和涵洞的類型的選擇應(yīng)根據(jù)路線等級，結(jié)合當?shù)氐牡匦?、水文、材料、施工等條件，按照安全、適用、經(jīng)濟、就地取材、便于施工與養(yǎng)護的原則來選用。第四節(jié) 小橋和涵洞的進出口處理 1、小橋和涵洞的選擇小橋和涵洞的選用，主要根據(jù)設(shè)計流量、路堤高度、河床縱坡以及建筑材料等確定。當跨越常年有水但流量較少，或季節(jié)性水流且漂浮物和上游泥沙運動較少，路堤高度能夠滿足壅水高度和宣泄設(shè)計流量的要求時，宜采用涵洞；當設(shè)計流量大，或河道漂浮物和泥沙運動較多，或河溝地處陡峭深谷并填土過高時，都應(yīng)采用小橋。 2、涵洞類型的選擇涵洞由洞身、洞口、基礎(chǔ)三個部分組成。 洞身主要承受涵洞
16、上填土的垂直與側(cè)向的土壓力以及活載壓力。洞口用以連接洞身與上下游水道，使水流能順暢地通過洞身，并保證洞口周圍的路基邊坡免遭沖刷?；A(chǔ)把涵洞所受的荷載均勻地分布和傳遞到土基上，并使地基免受水流的直接沖刷。根據(jù)涵洞洞身的構(gòu)造形式不同，涵洞可分為圓管涵、拱涵、蓋板涵和箱涵等。 1）圓管涵圓管涵孔徑一般為0.52.0m，最小填土厚度50cm，受力情況良好，圬工數(shù)量少，造價較低。多孔時不宜超過三孔。 2）蓋板涵由于蓋板涵建筑高度較低，適于低路基地段使用，一般用作明涵。在盛產(chǎn)條石的地方，采用石蓋板涵較經(jīng)濟，一般只適用于小跨徑的明涵或暗涵。當跨徑要求較大時，可采用鋼筋混凝土蓋板涵。 3）拱涵一般超載潛力較大
17、，砌筑技術(shù)易掌握，養(yǎng)護費用低，便于就地取材。 4）箱涵適用于軟土地基，但施工困難，造價較高，一般不常采用。高速公路的通道多采用箱涵。 5）倒虹吸管在路基填土不高，路線兩側(cè)水深高于路基高度，或在淺路塹處，可采用倒虹吸管。 施工中的圓管涵 圓管涵 蓋板涵 預(yù)制的排水拱涵 箱涵 3、涵洞洞口形式的選擇涵洞洞口建筑形式必須根據(jù)涵洞類型、河床及洞口附近的地形和地質(zhì)條件、水流特征等合理選擇。常見的建筑形式：八字翼墻式、錐形護坡式、一字墻護坡、跌水井式及流線型洞口等。 1）八字翼墻式或錐形護坡式洞口適用于平坦順直、河溝較寬、縱斷面高差變化不大的河溝和孔徑有一定壓縮的情況。具有水力條件較好、工程量小、施工簡單
18、、經(jīng)濟等優(yōu)點。當涵洞高度在5m以下時，八字翼墻式較錐形護坡式更為經(jīng)濟。 2）一字墻護坡洞口構(gòu)造簡單，工程量小。適用于邊坡規(guī)則的人工渠道或在窄而深、河床縱斷面變化不大的天然河溝上采用。 3）跌水井式洞口在排出傍山較長距離內(nèi)的邊溝及截水溝的水時，由于進水口涵底低于邊溝底，就需設(shè)邊溝跌水井洞口。具有效能和沉淀泥沙的作用。 4）流線型洞口當涵洞進水口端節(jié)升高，立面上形成流線型。當用于壓力式涵洞時，可使涵內(nèi)充滿水；當用于無壓力式涵洞時，可有效地提高涵洞的泄水能力。 5）斜交涵洞洞口當涵洞與路線斜交時，洞口布置常見的有兩種方法：斜交正做洞口和斜交斜做洞口。 二、涵洞進出口溝床的處理涵洞進出口溝床的處理與涵
19、洞本身設(shè)置的坡度和涵洞上下游河溝的縱坡有關(guān)，加固防護類型應(yīng)根據(jù)土質(zhì)和流速而定。 1、進水洞口溝床加固處理 1）緩坡涵洞進水口溝床加固在縱坡小于10%的順直河溝上，涵洞常順河溝縱坡設(shè)置，進水洞口一般在翼墻間采用干砌片石鋪砌加固。對流速較小、孔徑較大的多孔涵洞，可采用U形鋪砌式。 當涵前天然河溝縱坡為10%40%時，進口處開挖溝槽的縱坡可取1:41:10。除巖石地質(zhì)外，新開挖的溝底、河槽側(cè)向邊坡以及路基邊坡均需鋪砌加固。由于涵前溝底縱坡較大，水流在進口處產(chǎn)生水躍，應(yīng)在進口前設(shè)置一段緩坡，其長度約為12倍的涵洞孔徑。當水流攜帶泥沙較多時，可在進口處設(shè)約0.5m的沉沙池，既能沉淀泥沙，又可以起到消能的
20、作用。 緩坡涵洞進水口溝底及溝槽邊坡加固 a)緩坡涵前設(shè)置較陡縱坡 b)緩坡涵前設(shè)沉沙池 2）陡坡涵洞進水口溝床加固當涵前河溝縱坡大于50%，且水流流速很大時，涵洞進口處需設(shè)置急流槽或跌水等消能設(shè)施。上游溝槽為非巖石土基時，開挖縱坡一般可取1:11:2，以確保溝床穩(wěn)定。當上游溝槽做成梯形斷面時，應(yīng)對溝壁進行鋪砌加固，如圖9-4-6a所示。當上游溝槽做成矩形斷面的急流槽時，兩側(cè)邊墻厚度一般采用40cm，槽寬等于涵洞孔徑,如圖9-4-6b所示。為保證急流槽的穩(wěn)定，槽底宜每隔150200cm設(shè)置防滑墻一道。 當涵洞及涵前均應(yīng)位于良好的巖石地基上，并且水流流量不大、涵前縱坡很陡時，上游開挖坡度可取1:
21、11:0.2的陡坡，采用水流直接沿陡坡直瀉入涵的形式。如圖9-4-6c所示。 2、溝床加固防護涵洞出水口處的流速一般都大于河溝的天然流速，常引起出水洞口產(chǎn)生水害。因此應(yīng)對涵洞出水口處的河床進行加固防護。 1）緩坡涵洞（洞底坡度小于5%）出水口處理當河溝縱坡小于5%，出水口流速不大， 出水口可采用延長鋪砌、加深截水墻的處理方法。 延 長 鋪 砌 加 深 截 水 墻 加 固 形 式 在無壓力式涵洞下游，為了減少水流沖刷和穩(wěn)定河床，實踐證明， 在涵洞出口處采用八字翼墻配以挑坎，可有效防止末端的沖刷。三級挑坎的一般布置形式 2）陡坡涵洞（涵洞底坡大于5%）出水口處理當天然河溝的縱坡大于5%，涵洞出水洞
22、口一般采用八字翼墻，同時應(yīng)視地形、地質(zhì)和水利條件，采用急流槽、跌水、消力池、消力檻或人工加糙等設(shè)施，達到消能和降低流速的目的。 設(shè)有跌水和消力池的布置 設(shè)有跌水和急流槽的布置 設(shè)有急流槽和消力池的布置 一、跌水的水力計算當山坡較陡時，可在橋涵的上游或下游設(shè)置具有消能設(shè)施的跌水，使水流在該消能設(shè)施在產(chǎn)生淹沒式水躍，消耗水流的動能，并將水流從急流轉(zhuǎn)變?yōu)榫徚?。這樣就可使水流安全通過橋涵或使水流平穩(wěn)的進入下游溝渠。第五節(jié) 山區(qū)小橋和涵洞進出口水力計算 跌水的計算一般確定兩個數(shù)值，即消力池的深度d和消力池的長度l。過水斷面為矩形的跌水消力池計算方法如下：初估一個消力池的下挖深度d計算收縮斷面的水深和流速
23、 ckc hhPdgv 5.12 cc BVQh 計算hc的水跌共軛水深h驗算假定的池深是否合適為使消力池產(chǎn)生淹沒水躍，通常采用： 若此式成立，則假定的池深d是合適的，不成立，則應(yīng)適當調(diào)整池深重新計算。)181(2 3 ckcc hhhh 1.1 hdht 計算水流的射流長度L1計算水躍長度L2 g hPdvL kk 221 cc hhL 32 計算消力池的池長L水躍所需的鋪砌長度L0 20 )0.35.2( LL 21 LLL 二、急流槽的水力計算急流槽的作用是將落差很大的水流從上游引至涵洞或?qū)⒊鏊谒饕料掠魏拥?。急流槽是由進門、急流槽、消能設(shè)施和出口組成。 急流槽水力計算的目的是確定急流槽內(nèi)的水深、流速，繪制陡坡段的水面曲線，確定急流槽末端消力池或消力檻的幾何尺寸。急流槽的寬度一般與橋涵孔徑大致相仿。 第六節(jié) 計算實例
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