桥梁工程结构设计常用计算书实例2

第九章小桥和涵洞孔径计算第9章小桥和涵洞孔径计算公路在跨越河沟、溪谷和灌溉渠道时，需修建各种排水构造物，其中以小桥、涵洞居多。一般在平原区每公里约1~3座，山区约3~5座。据已建公路统计，小桥涵的工程投资约占公路总投资的15%~20%，其投资总额为大、中桥的2~4倍左右。小桥涵孔径大小应根据设计流量、河床特性及河床进出口加固类型所允许的平均流速等来确定。小桥涵孔径计算的目的在于合理确定桥涵孔径大小、河床加固的类型和尺寸、壅水高度、桥涵处路基和桥涵顶面的最低高程。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。第一节小桥和涵洞勘测二、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。（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。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。②涵位与路基排水系统密切配合，如在截水沟排水出口处设置涵洞，以免水流冲刷路面和路基。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。④路线由陡坡段过度到缓坡段，在此200m内又无其他涵洞，在变坡点附近应设置涵洞。（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。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、小桥和涵洞类型选择主要根据公路等级及性质，按照安全、适用、经济、就地取材、便于施工和养护等条件确定。桥涵孔径是根据设计流量，通过水力计算，并根据小桥和涵洞所在河沟的断面形态来确定的。一、、水水流流通通过过小小桥桥的的图图式式当桥桥孔孔压压缩缩河河槽槽时时，，水水流流受受到到桥桥台台路路堤堤和和墩墩台台的的挤挤压压，，桥桥前前水水位位抬抬高高，，产产生生壅壅水水，，桥桥下下水水面面降降低低，，出出现现收收缩缩断断面面。。小桥桥下下河槽一一般都进进行铺砌砌加固，，不会冲冲刷。通通过小桥桥桥下的的水流图图式与宽宽顶堰相相似，按按下游天天然水深深的大小小可分为为自由式式出流与与淹没式式出流两两种。第二节小小桥孔孔径计算算1、自由由式出流流小桥下游游天然水水深ht≤1.3hk时，桥桥下水流流图式如如图。桥桥下水深深为桥下下河槽的的临界水水深hk。2、淹没没式出流流小桥下游游天然水水深ht＞1.3hk时，桥桥下的临临界水深深被下游游天然水水深水面面所淹没没，桥下下水流图图式如图图。桥下下天然水水深为ht。二、小桥桥孔径计计算小桥涵一一般不允许河河底发生生冲刷，可以根根据河床床加固铺铺砌的类类型，选选择适当当的容许许流速作作为设计计流速。。一般采用用试算法确定小桥桥孔径。。先根据据容许流流速与设设计流量量，通过过计算确确定孔径径大小与与壅水高高度，并并与允许许的壅水水高度进进行比较较，从而而判断是是否需要要调整孔孔径值，，直至达达到允许许的壅水水高度。。根据已知知的设计计流量和和拟定的的河床容容许流速速，计算算小桥孔孔径与桥桥前壅水水高度的的程序为为：1、判别别桥下水水流图式式1）确定定河槽天天然水深深ht河槽天然然水深ht可根根据已知知设计流流量及河河槽特征征，用试试算法确确定。先假定一一个水深深h，慎慎重选取取河道的的粗糙系系数，从从河槽横横断面图图上求得得过水面面积A和和水力半半径R，，按公式式计算相相应流量量。若计算的的Q值与与设计流流量相差差一般不不超过±±5%时时，则假假定的水水深可作作为天然然水深。。否则，，需要重重新假定定水深进进行计算算，直至至符合要要求为止止。2）确定定桥下临临界水深深hk桥下河槽槽的临界界水深hk，可可按临界界水深函函数求得得：式中：Ak—桥桥下河槽槽临界水水深对应应的过水水断面面面积；Bk—临临界断面面Ak的的水面宽宽度；Qs—设设计流量量；a—流流速分布布系数，，小桥取取a=1.0因此任意意形状断断面的平平均临界界水深为为：：其中vk为临界界流速，，计算时时可采用用河床的的容许（（不冲刷刷）流速速。对于矩形形断面的的桥孔，，桥下临临界水深深等于平平均临界界水深，，即hk=，，对于宽宽浅的梯梯形断面面，可可可以取hk≈，，对对于窄而而深的梯梯形断面面，临界界水深hk可按按过水面面积相等等的关系系近似求求得。由图有：：临界断面面水面宽宽度Bk为：3）水流流图式判判别当ht≤≤1.3hk时时，自由由式出流流；当ht＞＞1.3hk时时，淹没没式出流流。2、确定定小桥孔孔径长度度L1）自由由式出流流考虑桥台台和桥墩墩侧向挤挤压水流流对桥下下过水面面积减小小的影响响，则计计算需要要的桥下下水面宽宽度B时时，应引引入水流流挤压系系数：：B—桥下下需要水水面宽度度，—挤压系系数；见见表9-2-2；N—桥墩墩个数；；d—桥桥墩宽度度。若桥孔断断面为矩矩形，则则桥孔长长度L=B；若桥孔断断面为梯梯形，则则桥孔长长度为：：L—小桥桥的孔径径长度；；m—桥桥台处锥锥坡的边边坡系数数；△h——小桥上上部结构构底面高高出水面面的高度度。2）淹没没式出流流下游天然然水深ht＞1.3hk时，，桥下河河槽被下下游水流流淹没，，桥下过过水断面面的水深深为ht,则桥桥下过水水断面平平均宽度度为：B0—桥桥下过水水断面的的平均宽宽度；Vbc——河床的的容许（（不冲刷刷）流速速。若桥孔断断面为矩矩形，则则桥孔长长度L=B0；若桥孔断断面为梯梯形，则则桥孔长长度为：：如果桥孔孔轴线与与水流方方向斜交交，交角角为a，，则斜交交桥孔长长度La为：根据计算得到到的桥孔长度度L选用标准准跨径，两者者相差应小于于或等于10%，否则，，需根据确定定采用的桥孔孔长度反求桥桥下流速和临临界水深，复复核水流图式式。3、确定桥前前水深H1）桥下为自自由式出流时时，桥前水深深H按下式计计算：H—桥前水深深；—流速系数，，见表9-2-2；vH—水深为为H的桥前断断面的行进流流速。2）桥下为淹淹没式出流是是，桥前水深深H按下式计计算：V—由采用的的桥孔长度计计算的桥下流流速。4、确定路基基和桥面最低低高程按图9-2-6可得：桥头路基最低低高程=河床床最低点高程程+H+△按图9-2-7可得：桥面最低高程程=河床最低低点高程+H+J+D涵洞和小桥相相比，特点是是孔径小、孔孔道长，河底底往往具有较较大的纵坡，，涵前水深可可以高于涵洞洞高度。一、水流通过过涵洞的水力力图式根据涵洞出水水口是否被下下游水面淹没没，可分为自自由式出流与与淹没式出流流两类。按涵洞进水口口建筑形式不不同与涵前水水头高低，水水流通过涵洞洞可分为无压压力式、半压压力式、压力力式三种水力力计算图式。。第三节涵洞洞孔径计算1、无压力式式当涵洞的进水水口建筑为普普通型，而涵涵前水深H≤≤1.2hT时，或者进水水口建筑为流流线型，而涵涵前水深H≤≤1.4hT时，水流在进进水口处受到到侧向束窄，，水面急剧下下降，在洞口口不远处形成成一个收缩断断面，水流流流经全涵洞均均保持自由水水面，称为无无压力式水流流状态。2、半压力式当涵洞的进水水口建筑为普普通型，且水水流充满进口口，涵前水深深H＞1.2hT时，但收缩断断面以后在整整个涵洞内都都具有自由水水面，称为半半压力式水流流状态。3.压力式式当涵洞的进水水口建筑为流流线型，而涵涵前水深H＞＞14hT,且涵底纵坡坡i＜iw，，或者下游洞洞口被掩埋时时，则整个涵涵洞的断面都都充满水流，，称为压力式式水流状态。。二、涵洞孔径径计算1、无压力式式涵洞进行涵洞计算算时，根据涵涵洞的实际工工作情况，作作了下列规定定和假设：（1）无压力力式涵洞进水水口处，涵内内的最高水面面与涵洞顶之之间要保持一一个最小净空空高度△。对于盖板涵、、箱涵：进水口净高h＜2.0m时，△=0.10m；；h≥2.0m时，△=0.25m。。对于砖、石、、混凝土拱涵涵：涵洞净高hT≤1.0m时，△=0.10m；；hT=1.0~2.0m时，△=0.15m；；hT＞2m时时，△=0.25m。（2）从涵前前水深H到进进口水深H’’的降落系数数取0.87，则：（3）收缩断断面的水深hc=0.9hk，涵前的行行进流速v0≈0，即H0≈H。（4）涵洞出出口处或收缩缩断面处的最最大允许流速速vmax规定为：净跨L0=0.5~1.5m的拱拱涵、盖板涵涵，vmax=4.5m/s，净跨L0=2.0~4.0m的拱拱涵、盖板涵涵、圆管涵，，vmax=6.0m/s无压力式涵洞洞基本公式为为：2、半压力式式涵洞半压力式涵洞洞的水力计算算，常以涵前前断面和进口口收缩断面作作为计算断面面，根据能量量方程来推算算流量和涵前前水深。其基基本公式为：：3、压力式涵涵洞为充分利用断断面，达到缩缩小孔径的目目的，压力式式涵洞一般采采用进水口升升高式的洞口口建筑，使涵涵顶与水流线线形基本一致致。基本公式式为：涵洞处的路基基最低高程应应高出涵前水水深以上至少少50cm。为避免涵洞进进口路基浸水水和进出口流流速计冲刷过过大，一般不采用压压力式涵洞。。一、小桥和涵涵洞类型的选选择公路小桥和涵涵洞的类型的的选择应根据据路线等级，，结合当地的的地形、水文文、材料、施施工等条件，，按照安全、、适用、经济济、就地取材材、便于施工工与养护的原原则来选用。。第四节小桥桥和涵洞的进进出口处理1、小桥和涵涵洞的选择小桥和涵洞的的选用，主要要根据设计流流量、路堤高高度、河床纵纵坡以及建筑筑材料等确定定。当跨越常年有有水但流量较较少，或季节节性水流且漂漂浮物和上游游泥沙运动较较少，路堤高高度能够满足足壅水高度和和宣泄设计流流量的要求时时，宜采用涵洞；当设计流量大大，或河道漂漂浮物和泥沙沙运动较多，，或河沟地处处陡峭深谷并并填土过高时时，都应采用用小桥。2、涵洞类型型的选择涵洞由洞身、洞口、、基础三个部分组成成。洞身主要承受涵洞洞上填土的垂垂直与侧向的的土压力以及及活载压力。。洞口用以连接洞身身与上下游水水道，使水流流能顺畅地通通过洞身，并并保证洞口周周围的路基边边坡免遭冲刷刷。基础把涵洞所受的的荷载均匀地地分布和传递递到土基上，，并使地基免免受水流的直直接冲刷。根据涵洞洞身身的构造形式式不同，涵洞洞可分为圆管涵、拱涵涵、盖板涵和和箱涵等。1）圆管涵圆管涵孔径一一般为0.5~2.0m，最小填土土厚度50cm，受力情情况良好，圬圬工数量少，，造价较低。。多孔时不宜宜超过三孔。。2）盖板涵由于盖板涵建建筑高度较低低，适于低路路基地段使用用，一般用作作明涵。在盛盛产条石的地地方，采用石石盖板涵较经经济，一般只只适用于小跨跨径的明涵或或暗涵。当跨跨径要求较大大时，可采用用钢筋混凝土土盖板涵。3）拱涵一般超载潜力力较大，砌筑筑技术易掌握握，养护费用用低，便于就就地取材。4）箱涵适用于软土地地基，但施工工困难，造价价较高，一般般不常采用。。高速公路的的通道多采用用箱涵。5）倒虹吸管管在路基填土不不高，路线两两侧水深高于于路基高度，，或在浅路堑堑处，可采用用倒虹吸管。。施工中的圆管管涵圆管涵盖板涵预制的排水拱拱涵箱涵3、涵洞洞口口形式的选择择涵洞洞口建筑筑形式必须根根据涵洞类型型、河床及洞洞口附近的地地形和地质条条件、水流特特征等合理选选择。常见的建筑形形式：八字翼墙式、、锥形护坡式式、一字墙护护坡、跌水井井式及流线型型洞口等。1）八字翼墙墙式或锥形护护坡式洞口适用于平坦顺直、河河沟较宽、纵纵断面高差变变化不大的河河沟和孔径有有一定压缩的的情况。具有有水力条件较较好、工程量量小、施工简简单、经济等等优点。当涵洞高度度在5m以下下时，八字翼翼墙式较锥形形护坡式更为为经济。2）一字墙护护坡洞口构造简单，工工程量小。适用于边坡规则的人人工渠道或在在窄而深、河河床纵断面变变化不大的天天然河沟上采采用。3）跌水井式式洞口在排出傍山较较长距离内的的边沟及截水水沟的水时，，由于进水口口涵底低于边边沟底，就需需设边沟跌水水井洞口。具具有效能和沉沉淀泥沙的作作用。4）流线型洞洞口当涵洞进水口口端节升高，，立面上形成成流线型。当当用于压力式式涵洞时，可可使涵内充满满水；当用于于无压力式涵涵洞时，可有有效地提高涵涵洞的泄水能能力。5）斜交涵洞洞洞口当涵洞与路线线斜交时，洞洞口布置常见见的有两种方方法：斜交正做洞口和斜交斜做洞口。二、涵洞进出出口沟床的处处理涵洞进出口沟沟床的处理与与涵洞本身设设置的坡度和和涵洞上下游游河沟的纵坡坡有关，加固固防护类型应应根据土质和和流速而定。。1、进水洞口口沟床加固处处理1）缓坡涵洞洞进水口沟床床加固①在纵坡小于于10%的顺顺直河沟上，，涵洞常顺河河沟纵坡设置置，进水洞口口一般在翼墙墙间采用干砌片石石铺砌加固。对流速较小小、孔径较大大的多孔涵洞洞，可采用U形铺砌式。。②当涵前天然然河沟纵坡为为10%~40%时，进进口处开挖沟沟槽的纵坡可可取1:4~1:10。。除岩石地质质外，新开挖挖的沟底、河河槽侧向边坡坡以及路基边边坡均需铺砌加固固。由于涵前沟沟底纵坡较大大，水流在进进口处产生水水跃，应在进进口前设置一一段缓坡，其其长度约为1~2倍的涵涵洞孔径。当当水流携带泥泥沙较多时，，可在进口处处设约0.5m的沉沙池池，既能沉淀淀泥沙，又可可以起到消能能的作用。缓坡涵洞进水水口沟底及沟沟槽边坡加固固a)缓坡涵前前设置较陡纵纵坡b)缓坡涵前前设沉沙池2）陡坡涵洞洞进水口沟床床加固①当涵前河沟沟纵坡大于50%，且水水流流速很大大时，涵洞进进口处需设置急流槽槽或跌水等消消能设施。上游沟槽为为非岩石土基基时，开挖纵纵坡一般可取取1:1~1:2，以确确保沟床稳定定。当上游沟沟槽做成梯形形断面时，应应对沟壁进行行铺砌加固，，如图9-4-6a所示示。当上游沟沟槽做成矩形形断面的急流流槽时，两侧侧边墙厚度一一般采用40cm，槽宽宽等于涵洞孔孔径,如图9-4-6b所示。为保保证急流槽的的稳定，槽底底宜每隔150~200cm设置防防滑墙一道。。②当涵洞及涵涵前均应位于于良好的岩石石地基上，并并且水流流量量不大、涵前前纵坡很陡时时，上游开挖挖坡度可取1:1~1:0.2的陡陡坡，采用水流直接接沿陡坡直泻泻入涵的形式式。如图9-4-6c所示。。2、沟床加固固防护涵洞出水口处处的流速一般般都大于河沟沟的天然流速速，常引起出出水洞口产生生水害。因此此应对涵洞出出水口处的河河床进行加固固防护。1）缓坡涵涵洞（洞底底坡度小于于5%）出出水口处理理①当河沟纵纵坡小于5%，出水水口流速不不大，出出水口可采采用延长铺砌、、加深截水水墙的处理方法法。延长铺砌加加深截水墙墙加固形式式②在无压力力式涵洞下下游，为了了减少水流流冲刷和稳稳定河床，，实践证明明，在涵涵洞出口处处采用八字翼墙配配以挑坎，可有效防防止末端的的冲刷。三级挑坎的的一般布置置形式2）陡坡坡涵涵洞洞（（涵涵洞洞底底坡坡大大于于5%））出出水水口口处处理理当天天然然河河沟沟的的纵纵坡坡大大于于5%，，涵涵洞洞出出水水洞洞口口一一般般采采用用八字字翼翼墙墙，同同时时应应视视地地形形、、地地质质和和水水利利条条件件，，采采用用急流流槽槽、、跌跌水水、、消消力力池池、、消消力力槛槛或或人人工工加加糙糙等等设设施施，，达到到消消能能和和降降低低流流速速的的目目的的。。设有有跌跌水水和和消消力力池池的的布布置置设有有跌跌水水和和急急流流槽槽的的布布置置设有有急急流流槽槽和和消消力力池池的的布布置置一、、跌跌水水的的水水力力计计算算当山山坡坡较较陡陡时时，，可可在在桥桥涵涵的的上上游游或或下下游游设设置置具具有有消消能能设设施施的的跌跌水水，，使使水水流流在在该该消消能能设设施施在在产产生生淹淹没没式式水水跃跃，，消消耗耗水水流流的的动动能能，，并并将将水水流流从从急急流流转转变变为为缓缓流流。。这这样样就就可可使使水水流流安安全全通通过过桥桥涵