桥涵小桥和涵洞孔径计算

桥涵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、水流通过小桥的图式当桥孔压缩河槽时，水流受到桥台路堤和墩台的挤压，桥前水位抬高，产生壅水，桥下水面降低，出现收缩断面。小桥桥下河槽一般都进行铺砌加固，不会冲刷。通过小桥桥下的水流图式与宽顶堰相似，按下游天然水深的大小可分为自由式出流与淹没式出流两种。第二节小桥孔径计算1、自由式出流小桥下游天然水深深ht≤1.3hk时，桥下水流图式式如图。桥下水深深为桥下河槽的临临界水深hk。2、淹没式出流小桥下游天然水深深ht＞1.3hk时，桥下的临界水水深被下游天然水水深水面所淹没，，桥下水流图式如如图。桥下天然水水深为ht。二、小桥孔径计算算小桥涵一般不允许河底发生冲冲刷，可以根据河床加加固铺砌的类型，，选择适当的容许许流速作为设计流流速。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。。根据已知的的设计流量量和拟定的的河床容许许流速，计计算小桥孔孔径与桥前前壅水高度度的程序为为：1、判别桥下下水流图式式1）确定河槽槽天然水深深ht河槽天然水水深ht可根据已知知设计流量量及河槽特特征，用试试算法确定定。先假定一个个水深h，慎重选取取河道的粗粗糙系数，，从河槽横横断面图上上求得过水水面积A和水力半径径R，按公式计计算相应流流量。若计算的Q值与设计流流量相差一一般不超过过±5%时，则假定定的水深可可作为天然然水深。否否则，需要要重新假定定水深进行行计算，直直至符合要要求为止。。2）确定桥下临界界水深hk桥下河槽的临界界水深hk，可按临界水深深函数求得：式中：Ak—桥下河槽临界水水深对应的过水水断面面积；Bk—临界断面Ak的水面宽度；Qs—设计流量；a—流速分布系数，，小桥取a=1.0因此任意形状断断面的平均临界界水深为为：其中vk为临界流速，计计算时可采用河河床的容许（不不冲刷）流速。。对于矩形断面的的桥孔，桥下临临界水深等于平平均临界水深，，即hk=，对于宽浅的梯梯形断面，可可可以取hk≈，对于窄而深的的梯形断面，临临界水深hk可按过水面积相相等的关系近似似求得。由图有：临界断面水面宽宽度Bk为：3）水流图式判别别当ht≤1.3hk时，自由式出流流；当ht＞1.3hk时，淹没式出流流。2、确定小桥孔径径长度L1）自由式出流考虑桥台和桥墩墩侧向挤压水流流对桥下过水面面积减小的影响响，则计算需要要的桥下水面宽宽度B时，应引入水流流挤压系数：：B—桥下需要水面宽宽度，—挤压系数；见表表9-2-2；N—桥墩个数；d—桥墩宽度。若桥孔断面为矩矩形，则桥孔长长度L=B；若桥孔断面为梯梯形，则桥孔长长度为：L—小桥的孔径长度度；m—桥台处锥坡的边边坡系数；△h—小桥上部结构底底面高出水面的的高度。2）淹没式出流下游天然水深ht＞1.3hk时，桥下河槽被被下游水流淹没没，桥下过水断断面的水深为ht,则桥下过水断面面平均宽度为：：B0—桥下过水断面的的平均宽度；Vbc—河床的容许（不不冲刷）流速。。若桥孔断面为矩矩形，则桥孔长长度L=B0；若桥孔断面为梯梯形，则桥孔长长度为：如果桥孔轴线与与水流方向斜交交，交角为a，则斜交桥孔孔长度La为：根据计算得到到的桥孔长度度L选用标准跨径径，两者相差差应小于或等等于10%，否则，需根根据确定采用用的桥孔长度度反求桥下流流速和临界水水深，复核水水流图式。3、确定桥前水水深H1）桥下为自由由式出流时，，桥前水深H按下式计算：：H—桥前水深；—流速系数，见见表9-2-2；vH—水深为H的桥前断面的的行进流速。。2）桥下为淹没没式出流是，，桥前水深H按下式计算：：V—由采用的桥孔孔长度计算的的桥下流速。。4、确定路基和和桥面最低高高程按图9-2-6可得：桥头路基最低低高程=河床最低点高高程+H+△按图9-2-7可得：桥面最低高程程=河床最低点高高程+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，水水流在在进水水口处处受到到侧向向束窄窄，水水面急急剧下下降，，在洞洞口不不远处处形成成一个个收缩缩断面面，水水流流流经全全涵洞洞均保保持自自由水水面，，称为为无压压力式式水流流状态态。2、半压力力式当涵洞洞的进进水口口建筑筑为普普通型型，且且水流流充满满进口口，涵涵前水水深H＞1.2hT时，但但收缩缩断面面以后后在整整个涵涵洞内内都具具有自自由水水面，，称为为半压压力式式水流流状态态。3.压力式当涵洞的的进水口口建筑为为流线型型，而涵涵前水深深H＞14hT,且涵底纵纵坡i＜iw，或者下下游洞口口被掩埋埋时，则则整个涵涵洞的断断面都充充满水流流，称为为压力式式水流状状态。二、涵洞孔径径计算1、无压力式涵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）无压力式涵涵洞进水口处处，涵内的最最高水面与涵涵洞顶之间要要保持一个最最小净空高度度△。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，△=0.25m。（2）从涵前水深深H到进口水深H’的降落系数取取0.87，则：（3）收缩断面的的水深hc=0.9hk，涵前的行进进流速v0≈0，即H0≈H。（4）涵洞出口处处或收缩断面面处的最大允允许流速vmax规定为：净跨L0=0.5~1.5m的拱涵、盖板板涵，vmax=4.5m/s，净跨L0=2.0~4.0m的拱涵、盖板板涵、圆管涵涵，vmax=6.0m/s无压力式涵洞洞基本公式为为：2、半压力式涵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、压力式涵洞洞为充分利用断断面，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：涵洞处的路基最低低高程应高出涵前前水深以上至少50cm。为避免涵洞进口路路基浸水和进出口口流速计冲刷过大大，一般不采用压力式式涵洞。一、小桥和涵洞类类型的选择公路小桥和涵洞的的类型的选择应根根据路线等级，结结合当地的地形、、水文、材料、施施工等条件，按照照安全、适用、经经济、就地取材、、便于施工与养护护的原则来选用。。第四节小桥和涵涵洞的进出口处理理1、小桥和涵洞的选选择小桥和涵洞的选用用，主要根据设计计流量、路堤高度度、河床纵坡以及及建筑材料等确定定。当跨越常年有水但但流量较少，或季季节性水流且漂浮浮物和上游泥沙运运动较少，路堤高高度能够满足壅水水高度和宣泄设计计流量的要求时，，宜采用涵洞；当设计流量大，，或河道漂浮物物和泥沙运动较较多，或河沟地地处陡峭深谷并并填土过高时，，都应采用小桥。2、涵洞类型的选选择涵洞由洞身、洞口、基基础三个部分组成。。洞身主要承受涵洞上上填土的垂直与与侧向的土压力力以及活载压力力。洞口用以连接洞身与与上下游水道，，使水流能顺畅畅地通过洞身，，并保证洞口周周围的路基边坡坡免遭冲刷。基础把涵洞所受的荷荷载均匀地分布布和传递到土基基上，并使地基基免受水流的直直接冲刷。根据涵洞洞身的的构造形式不同同，涵洞可分为为圆管涵、拱涵、、盖板涵和箱涵涵等。1）圆管涵圆管涵孔径一般般为0.5~2.0m，最小填土厚度度50cm，受力情况良好好，圬工数量少少，造价较低。。多孔时不宜超超过三孔。2）盖板板涵由于盖盖板涵涵建筑筑高度度较低低，适适于低低路基基地段段使用用，一一般用用作明明涵。。在盛盛产条条石的的地方方，采采用石石盖板板涵较较经济济，一一般只只适用用于小小跨径径的明明涵或或暗涵涵。当当跨径径要求求较大大时，，可采采用钢钢筋混混凝土土盖板板涵。。3）拱涵涵一般超超载潜潜力较较大，，砌筑筑技术术易掌掌握，，养护护费用用低，，便于于就地地取材材。4）箱涵涵适用于于软土土地基基，但但施工工困难难，造造价较较高，，一般般不常常采用用。高高速公公路的的通道道多采采用箱箱涵。。5）倒虹虹吸管管在路基基填土土不高高，路路线两两侧水水深高高于路路基高高度，，或在在浅路路堑处处，可可采用用倒虹虹吸管管。施工中中的圆圆管涵涵圆管涵涵盖板涵涵预制的的排水水拱涵涵箱涵3、涵洞洞洞口口形式式的选选择涵洞洞洞口建建筑形形式必必须根根据涵涵洞类类型、、河床床及洞洞口附附近的的地形形和地地质条条件、、水流流特征征等合合理选选择。。常见的建筑形式：：八字翼墙式、锥形形护坡式、一字墙墙护坡、跌水井式式及流线型洞口等。1）八字翼墙式或锥锥形护坡式洞口适用于平坦顺直、河沟较较宽、纵断面高差差变化不大的河沟沟和孔径有一定压压缩的情况。具有有水力条件较好、、工程量小、施工工简单、经济等优点。当涵洞高度在5m以下时，八字翼墙墙式较锥形护坡式式更为经济。2）一字墙护坡洞口口构造简单，工程量量小。适用于边坡规则的人工渠渠道或在窄而深、、河床纵断面变化化不大的天然河沟沟上采用。3）跌水井式洞口在排出傍山较长距距离内的边沟及截截水沟的水时，由由于进水口涵底低低于边沟底，就需需设边沟跌水井洞洞口。具有效能和和沉淀泥沙的作用用。4）流线型洞口当涵洞进水口端节节升高，立面上形形成流线型。当用用于压力式涵洞时时，可使涵内充满满水；当用于无压压力式涵洞时，可可有效地提高涵洞洞的泄水能力。5）斜交涵洞洞口当涵洞与路线斜交交时，洞口布置常常见的有两种方法法：斜交正做洞口和斜交斜做洞口。二、涵洞进出口沟沟床的处理涵洞进出口沟床的的处理与涵洞本身身设置的坡度和涵涵洞上下游河沟的的纵坡有关，加固固防护类型应根据据土质和流速而定定。1、进水洞口沟床加加固处理1）缓坡涵洞进水口口沟床加固①在纵坡小于10%的顺直河沟上，涵涵洞常顺河沟纵坡坡设置，进水洞口口一般在翼墙间采用干砌片石铺砌砌加固。对流速较小、孔孔径较大的多孔涵涵洞，可采用U形铺砌式。②当涵前天然河沟纵纵坡为10%~40%时，进口处开挖沟沟槽的纵坡可取1:4~1:10。除岩石地质外，，新开挖的沟底、、河槽侧向边坡以以及路基边坡均需铺砌加固。由于涵前沟底纵纵坡较大，水流在在进口处产生水跃跃，应在进口前设设置一段缓坡，其其长度约为1~2倍的涵洞孔径。当当水流携带泥沙较较多时，可在进口口处设约0.5m的沉沙池，既能沉沉淀泥沙，又可以以起到消能的作用用。缓坡涵洞进水口沟沟底及沟槽边坡加加固a)缓坡涵前设置较陡陡纵坡b)缓坡涵前设沉沙池池2）陡坡涵洞进水口口沟床加固①当涵前河沟纵坡坡大于50%，且水流流速很大大时，涵洞进口处处需设置急流槽或跌跌水等消能设施。上游沟槽为非岩岩石土基时，开挖挖纵坡一般可取1:1~1:2，以确保沟床稳定定。当上游沟槽做做成梯形断面时，，应对沟壁进行铺铺砌加固，如图9-4-6a所示。当上游沟槽槽做成矩形断面的的急流槽时，两侧侧边墙厚度一般采采用40cm，槽宽等于涵洞孔孔径,如图9-4-6b所示。为保证急流流槽的稳定，槽底底宜每隔150~200cm设置防滑墙一道。。②当涵洞及涵前均应应位于良好的岩石石地基上，并且水水流流量不大、涵涵前纵坡很陡时，，上游开挖坡度可可取1:1~1:0.2的陡坡，采用水流直接沿陡陡坡直泻入涵的形形式。如图9-4-6c所示。2、沟床加固防护涵洞出水口处的流流速一般都大于河河沟的天然流速，，常引起出水洞口口产生水害。因此此应对涵洞出水口口处的河床进行加加固防护。1）缓坡涵洞（洞底底坡度小于5%）出水口处理①当河沟纵坡小于于5%，出水口流速不大大，出水口可采采用延长铺砌、加深截截水墙的处理方法。延长铺砌加深截水水墙加固形式②在无压力式涵洞下下游，为了减少水水流冲刷和稳定河河床，实践证明，，在涵洞出口处处采用八字翼墙配以挑坎坎，可有效防止末端端的冲刷。三级挑坎的一般布布置形式2）陡坡涵洞洞（涵洞洞底坡大大于5%）出水口口处理当天然河河沟的纵纵坡大于于5%，涵洞出出水洞口口一般采采用八字翼墙墙，同时应应视地形形、地质质和水利利条件，，采用急流槽、、跌水、、消力