第九章--小桥和涵洞孔径计算

1第一节小桥和涵洞勘测01第二节小桥孔径计算02第三节涵洞设计03第九章小桥和涵洞孔径计算2小桥和涵洞勘测的主要任务小桥和涵洞勘测的主要工作内容12第一节小桥和涵洞勘测3一、小桥和涵洞勘测的主要任务小桥和涵洞勘测包括外业勘测和内业设计两部分通过对公路沿线的地形、地质、水文、气象及农田水利设施等情况进行勘测和调查，为桥涵设计以及水力计算提供必要的资料和依据。4二、小桥和涵洞勘测的主要工作内容1、勘测前的准备工作（1）地形资料：搜集公路沿线1:10000-1:50000的地形图，要求能获得必要的流域面积、主河沟平均纵坡度等资料。（2）地质资料：搜集区域地质特征资料、地形图及土质类别。（3）水文资料：小桥涵所在地附近水文站历年实测最大流量及其相应的洪水位或历史洪水位痕迹、沿河沟上下游河床变迁情况、水工构造物等资料。5二、小桥和涵洞勘测的主要工作内容（4）气象资料：当地气象站年、月平均降雨量，暴雨强度和所持续时间，年内最高、最低气温，主导风向和风力等。（5）其他资料：若为改建或修复工程，需向原设计、施工和养护部门搜集有关工程的测设、施工及竣工资料，了解该工程的使用、养护、水毁等情况，并征询小桥涵改建的意见。（6）组织与配备完成该工程勘测任务的人员、仪器和工具等。6二、小桥和涵洞勘测的主要工作内容2、小桥和涵洞位置的选择小桥和涵洞位置的选择应以服从路线走向，保证排水顺畅和路基稳定，降低工程造价为原则。（1）山岭及丘陵区小桥涵位置的确定①一般为一沟一涵，间距不宜大于300m。当汇水区很小时，两河沟相距很近，可改沟合并。但要注意开挖排水沟或加深、加宽边沟；做好旧河沟的堵塞、截水墙及路基加固工程。782、小桥和涵洞位置的选择②涵位与路基排水系统密切配合。92、小桥和涵洞位置的选择③路线的转角较大（大于90°），平曲线半径较小，进入弯道前的纵坡大于4%，在弯道起（终）点附近应设置涵洞。102、小桥和涵洞位置的选择④凹形竖曲线的低处或路线由陡变缓，在此200m内又无其他涵洞，在低点或变坡点附近应设置涵洞。112、小桥和涵洞位置的选择（2）平原区小桥和涵洞位置的确定①根据天然排洪系统，有利于农业灌溉设置小桥和涵洞，并避免桥涵出口对耕地造成冲蚀。②路线通过较长的低洼及泥沼地带时，在具有天然纵坡地段，可适当多设置涵洞，以防排水不畅及长期积水。③路线靠近村庄时，要注意设置涵洞，以便及时排除村内的地面积水。④小桥和涵洞的位置应选择在河床地质良好、地基承载力较大的河段。12二、小桥和涵洞勘测的主要工作内容3、小桥和涵洞测量主要包括河沟横断面、河沟纵断面及河沟比降测量并测绘桥涵址平面图。4、小桥和涵洞类型的选择13水流通过小桥的图式小桥孔径计算12第二节小桥孔径计算141、断面比能单位质量液体相对于基准面的机械能22222gAQhgvhESoo一、水流通过小桥的图式152、临界水深在断面形式与流量给定的条件下,相对应于断面比能最小时的水深163、宽顶堰堰：渠底抬高形成的局部障碍壁宽顶堰：＜10按照宽顶堰理论分析计算小桥下的水流2.5＜H17kthh3.1条件：特点：桥下水深为临界水深桥下水流出流不受下游天然水深影响1、自由式出流一、水流通过小桥的图式182、淹没式出流条件：kthh3.1特点：桥下临界水深被下游水深淹没，桥下水深为下游天然水深下游水深影响桥下水流出流。一、水流通过小桥的图式19二、小桥孔径计算（试算法）小桥孔径的计算方法与大中桥不同：（1）大中桥允许桥下产生适当的冲刷小桥不允许桥下发生冲刷，需进行人工铺砌（2）大中桥桥下断面设计流速为天然河槽平均流速小桥根据铺砌的类型取允许不冲刷流速作为设计流速。20二、小桥孔径计算（试算法）21二、小桥孔径计算（试算法）1、判别桥下水流图式（1）确定小桥下游河槽天然水深ht外业调查：,n,i河床横断面图假设不同水深:ih,iAi,iR计算相应于的流速和流量ih21321iRnviiiiivAQ比较SQ与iQ22（2）确定桥下临界水深khgQBASKK23gvhkk2矩形断面,宽浅梯形断面kkhh深而窄的梯形断面mhmBBBhkKKKk242323kSSKKvgQQgAB1、判别桥下水流图式23（3）水流图式判别当ht≤1.3hk时，自由式出流；当ht＞1.3hk时，淹没式出流。1、判别桥下水流图式24二、小桥孔径计算（试算法）2、确定小桥孔径长度L（1）自由式出流近似认为khhNdvgQBkS3矩形断面BLhmBL2梯形断面252、确定小桥孔径长度（2）淹没出流近似认为thhNdvhQBbcts0矩形断面0BL梯形断面)21(20hhmBLL26二、小桥孔径计算（试算法）3、确定桥前水深H（1）桥下为自由式出流，桥前水深H按下式计算：H—桥前水深；—流速系数，见表9-2-2；vH—水深为H的桥前断面的行近流速。gvgvhHHkk2222227二、小桥孔径计算（试算法）3、确定桥前水深H2）桥下为淹没式出流，桥前水深H按下式计算：V—由采用的桥孔长度计算的桥下流速。gvgvhHHt2222228二、小桥孔径计算（试算法）4、确定路基和桥面最低高程桥头路基最低高程=河床最低点高程+H+△桥面最低高程=河床最低点高程+H+J+D29小桥和涵洞类型的选择）水流通过涵洞的水力图式12第三节涵洞设计涵洞孔径计算3涵洞进出口处理430一、小桥和涵洞类型的选择1、小桥和涵洞的选择影响小桥涵类型的因素主要有两个：流量流量小或季节性水流，无漂浮物，泥沙少—涵洞流量大，漂浮物及泥沙多—小桥路堤填土高度填土高度小，满足壅水要求—涵洞填土高度过大—小桥小桥涵类型的选择还要考虑河沟纵坡及建筑材料31一、小桥和涵洞类型的选择2、涵洞的类型及其适用情况涵洞由洞身、洞口、基础三个部分组成。32一、涵洞类型的选择1、圆管涵承载结构——素砼或钢筋混凝土圆管圆管涵孔径一般为0.75~2.0m最小填土厚度50cm不设涵台，基础构造简单受力性能好，工程数量少，造价低多孔时不宜超过三孔33342、盖板涵承载结构——石盖板或钢筋混凝土盖板盖板涵孔径一般为1.0~4.0m设支承盖板的涵台，多采用圬工轻型桥台盖板涵可为明涵，也可为暗涵352、盖板涵基础可采用整体式基础或分离式基础台身底部设钢筋混凝土支撑梁36373、拱涵承载结构——圬工或钢筋混凝土拱圈拱涵孔径一般为1.0~4.0m可用于明涵或暗涵383、拱涵基础与盖板涵同承载潜力大，但对地基承载能力要求高涵台与盖板涵类似，但设背坡39404、箱涵承载结构——封闭的钢筋混凝土箱型框架结构箱涵孔径一般为2.0~4.0m414、箱涵采用双层基础，上层为10cn厚的混凝土，下层为40~70cm的砂砾垫层钢筋用量大，施工麻烦，多用于软土地基或高速公路的通道425、倒虹吸涵在路基填土不高，路线两侧水深高于路基高度，或在浅路堑处，可采用倒虹吸涵。43二、水流通过涵洞的水力图式1、无压力式特点：洞身内水流全具有自由液面。条件：普通式：ThH2.1流线型：ThH4.144二、水流通过涵洞的水力图式2、半压力式特点：进水口口被水淹没，洞内部分水面具有自由液面条件：普通式：ThH2.1流线型：不出现出水口不被湮没45二、水流通过涵洞的水力图式3、压力式特点：整个洞身被水充满，不具有自由液面条件：普通式：不出现流线型：ThH4.1wii或出水口被淹没46三、涵洞孔径计算（1）无压力式涵洞进水口处，涵内的最高水面与涵洞顶之间要保持一个最小净空高度△。1、无压力式涵洞47三、涵洞孔径计算1、无压力式涵洞（2）从涵前水深H到进口水深H’的降落系数取0.8787.087.0'ThHH（3）收缩断面的水深hc=0.9hk，涵前的行近流速v0≈0，即H0≈H。（4）涵洞出口处或收缩断面处的最大允许流速48)(20kkhHgAQ2202gvhHkkgvHH2200三、涵洞孔径计算无压力式涵洞的基本公式kkAQv实际工程中，涵洞孔径多按照标准图的水力计算资料采用。492、半压力式涵洞半压力式涵洞的水力计算，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：TchHgv2ThHgAQ2TchHgv2ThHgAQ2503、压力式涵洞为充分利用断面，达到缩小孔径的目的，压力式涵洞一般采用进水口升高式的洞口建筑，使涵顶与水流线形基本一致。基本公式为：TwhiiLHgv2TwhiiLHgAQ2511、涵洞洞口形式的选择四、涵进出口处理（1）八字翼墙式或锥形护坡式洞口适用于平坦顺直、河沟较宽、纵断面高差变化不大的河沟和孔径有一定压缩的情况。521、涵洞洞口形式的选择（2）一字墙护坡洞口适用于边坡规则的人工渠道或在窄而深、水流比较集中、河床纵断面变化不大的天然河沟。53（3）跌水井式洞口1、涵洞洞口形式的选择适用于涵底高程低于路基边沟沟底高程的情况541、涵洞洞口形式的选择（4）流线型洞口既适用于压力式涵洞，又适用于无压力式涵洞，多用于盖板涵和拱涵555）斜交涵洞洞口当涵洞与路线斜交时，洞口布置常见的有两种。斜交正做：洞口断面与涵洞轴线垂直，与路中心线斜交——圆管涵和斜度大的拱涵斜交斜做：洞口断面与路中线平行，与涵洞轴线斜交——多用56四、涵洞进出口处理（1）进水洞口沟床加固处理1）缓坡涵洞进水口沟床加固①纵坡小于10%的顺直河沟翼墙间采用干砌片石铺砌加固。对流速较小、孔径较大的多孔涵洞，可采用U形铺砌。2、进出口沟床加固处理57②涵前天然河沟纵坡为10%~40%1）缓坡涵洞进水口沟床加固开挖、护坡1：4~1:10缓坡1~2倍孔径沉砂池58(1)进水洞口沟床加固处理2）急坡涵洞进水口沟床加固①涵前河沟纵坡大于50%，且水流流速很大急流槽1:1~1:2跌水59（1）进水洞口沟床加固处理2）陡坡涵洞进水口沟床加固②当涵洞及涵前均应位于良好的岩石地基上，并且水流流量不大、涵前纵坡很陡时1:1~1:0.260（2）出水洞口沟床加固处理1）缓坡涵洞（洞底坡度小于5%）出水口处理①河沟纵坡小于5%，出水口流速不大——延长铺砌、加深截水墙。61②在无压力式涵洞下游，为了减小水流冲刷和稳定河床，实践证明，在涵洞出口处采用八字翼墙配以挑坎，可有效防止末端的冲刷。（2）出水洞口沟床加固处理1）缓坡涵洞（洞底坡度小于5%）出水口处理62（2）出水洞口沟床加固处理2）陡坡涵洞（洞底坡度大于5%）出水口处理设有跌水和消力池的布置63设有跌水和急流槽的布置64设有急流槽和消力池的布置