桥涵水文小桥涵.pptx

四川交通职业技术学院四川交通职业技术学院小桥和涵洞孔径计算小桥和涵洞孔径计算小桥和涵洞概述公路在跨越河沟、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。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一般在平原区每公里约13座，山区约座，山区约35座。据已建公路统计，小桥涵的工程投资约占公座。据已建公路统计，小桥涵的工程投资约占公路总投资的路总投资的15%20%，其投资总额为大、中桥的，其投资总额为大、中桥的24倍左右。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。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、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。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一、小桥和涵洞勘测的主要任务小桥和涵洞勘测包括小桥和涵洞勘测包括外业勘测外业勘测和和内业设计内业设计两部两部分。分。通过对公路沿线的地形、地质、水文、气象及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。设计以及水力计算提供必要的资料和依据。小桥和涵洞勘测二、小桥和涵洞勘测的主要工作内容二、小桥和涵洞勘测的主要工作内容1、勘测前的准备工作、勘测前的准备工作（1）地形资料：搜集公路沿线）地形资料：搜集公路沿线1:100001:50000的地形图，要求能获的地形图，要求能获得必要的流域面积、主河沟平均纵坡度等资料。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。）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）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。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）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。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）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。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。）组织与配备完成该工程勘测任务的人员、仪器和工具等。小桥和涵洞勘测2、小桥和涵洞位置的选择、小桥和涵洞位置的选择 小桥小桥和涵洞位置的选择应以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，降服从路线走向，保证排水顺畅和路基稳定，降低工程造价低工程造价为原则。为原则。（1）山岭及丘陵区小桥涵位置的确定）山岭及丘陵区小桥涵位置的确定 一般为一沟一涵，间距不宜大于一般为一沟一涵，间距不宜大于300m。当汇水区很小时，两河沟相距。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塞、截水墙及路基加固工程。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。免水流冲刷路面和路基。路线的转角较大（大于路线的转角较大（大于90），平曲线半径较小，进入弯道前的纵坡大），平曲线半径较小，进入弯道前的纵坡大于于4%，在弯道起（终）点附近应设置涵洞。，在弯道起（终）点附近应设置涵洞。路线由陡坡段过度到缓坡段，在此路线由陡坡段过度到缓坡段，在此200m内又无其他涵洞，在变坡点附内又无其他涵洞，在变坡点附近应设置涵洞。近应设置涵洞。小桥和涵洞勘测（2）平原区小桥和涵洞位置的确定）平原区小桥和涵洞位置的确定 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。口对耕地造成冲蚀。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。设置涵洞，以防排水不畅及长期积水。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。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。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。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。小桥和涵洞勘测3、小桥和涵洞测量、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。并测绘桥涵址平面图。4、小桥和涵洞类型选择、小桥和涵洞类型选择 主要根据公路等级及性质，按照主要根据公路等级及性质，按照安全、适用、经济、安全、适用、经济、就地取材、便于施工和养护等条件就地取材、便于施工和养护等条件确定。确定。桥涵孔径是根据设计流量，通过水力计算，并根据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。小桥和涵洞所在河沟的断面形态来确定的。小桥和涵洞勘测一、水流通过小桥的图式一、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，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，出现收缩桥前水位抬高，产生壅水，桥下水面降低，出现收缩断面。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。的大小可分为自由式出流与淹没式出流两种。小桥孔径计算1、自由式出流 小桥下游天然水深ht1.3hk时，桥下水流图式如图。桥下水深为桥下河槽的临界水深hk。小桥孔径计算2、淹没式出流 小桥下游天然水深ht1.3hk时，桥下的临界水深被下游天然水深水面所淹没，桥下水流图式如图。桥下天然水深为ht。小桥孔径计算二、小桥孔径计算 小桥涵一般不允许河底发生冲刷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。一般采用试算法试算法确定小桥孔径。先根据容许流速与设计流量，通过计算确定孔径大小与壅水高度，并与允许的壅水高度进行比较，从而判断是否需要调整孔径值，直至达到允许的壅水高度。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壅水高度的程序为：前壅水高度的程序为：1、判别桥下水流图式 1）确定河槽天然水深ht 河槽天然水深ht可根据已知设计流量及河槽特征，用试算法确定。先假定一个水深h，慎重选取河道的粗糙系数，从河槽横断面图上求得过水面积A和水力半径R，按公式计算相应流量。小桥孔径计算 若计算的Q值与设计流量相差一般不超过5%时，则假定的水深可作为天然水深。否则，需要重新假定水深进行计算，直至符合要求为止。2）确定桥下临界水深hk桥下河槽的临界水深hk，可按临界水深函数求得：式中：Ak桥下河槽临界水深对应的过水断面面积；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小桥孔径计算因此任意形状断面的平均临界水深 为：其中vk为临界流速，计算时可采用河床的容许（不冲刷）流速。对于矩形断面的桥孔，桥下临界水深等于平均临界水深，即hk=，对于宽浅的梯形断面，可可以取hk ，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。由图有：临界断面水面宽度Bk为：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、确定小桥孔径长度L1）自由式出流考虑桥台和桥墩侧向挤压水流对桥下过水面积减小的影响，则计算需要的桥下水面宽度B时，应引入水流挤压系数 ：B桥下需要水面宽度，挤压系数；见表9-2-2；N桥墩个数；d 桥墩宽度。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小桥的孔径长度；m 桥台处锥坡的边坡系数；h 小桥上部结构底面高出水面的高度。2）淹没式出流下游天然水深ht1.3hk时，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为：B0桥下过水断面的平均宽度；Vbc河床的容许（不冲刷）流速。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a，则斜交桥孔长度La为：根据计算得到的桥孔长度L选用标准跨径，两者相差应小于或等于10%，否则，需根据确定采用的桥孔长度反求桥下流速和临界水深，复核水流图式。3、确定桥前水深H1）桥下为自由式出流时，桥前水深H按下式计算：H桥前水深；流速系数，见表9-2-2；vH水深为H的桥前断面的行进流速。2）桥下为淹没式出流是，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。4、确定路基和桥面最低高程按图9-2-6可得：桥头路基最低高程=河床最低点高程+H+按图9-2-7可得：桥面最低高程=河床最低点高程+H+J+D涵洞和小桥相比，特点是孔径小、孔道长，河底往往具有较大的纵坡，涵前水深可以高于涵洞高度。一、水流通过涵洞的水力图式根据涵洞出水口是否被下游水面淹没，可分为自由式出流与淹没式出流两类。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、压力式三种水力计算图式。第三节 涵洞孔径计算1、无压力式当涵洞的进水口建筑为普通型，而涵前水深H1.2hT时，或者进水口建筑为流线型，而涵前水深H1.4hT时，水流在进水口处受到侧向束窄，水面急剧下降，在洞口不远处形成一个收缩断面，水流流经全涵洞均保持自由水面，称为无压力式水流状态。2、半压力式当涵洞的进水口建筑为普通型，且水流充满进口，涵前水深H1.2hT时，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。3.压力式当涵洞的进水口建筑为流线型，而涵前水深H14hT,且涵底纵坡iiw，或者下游洞口被掩埋时，则整个涵洞的断面都充满水流，称为压力式水流状态。二、涵洞孔径计算1、无压力式涵洞进行涵洞计算时，根据涵洞的实际工作情况，作了下列规定和假设：（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。对于盖板涵、箱涵：进水口净高h2.0m时，=0.10m；h2.0m时，=0.25m。对于砖、石、混凝土拱涵：涵洞净高hT1.0m时，=0.10m；hT=1.02.0m时，=0.15m；hT2m时，=0.25m。（2）从涵前水深H到进口水深H的降落系数取0.87，则：（3）收缩断面的水深hc=0.9hk，涵前的行进流速v00，即H0H。（4）涵洞出口处或收缩断面处的最大允许流速vmax规定为：净跨L0=0.51.5m的拱涵、盖板涵，vmax=4.5m/s，净跨L0=2.04.0m的拱涵、盖板涵、圆管涵，vmax=6.0m/s无压力式涵洞基本公式为：2、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：3、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：涵洞处的路基最低高程应高出涵前水深以上至少50cm。为避免涵洞进口路基浸水和进出口流速计冲刷过大，一般不采用压力式涵洞。一、小桥和涵洞类型的选择公路小桥和涵洞的类型的选择应根据路线等级，结合当地的地形、水文、材料、施工等条件，按照安全、适用、经济、就地取材、便于施工与养护的原则来选用。第四节第四节 小桥和涵洞的进出口处理小桥和涵洞的进出口处理1、小桥和涵洞的选择小桥和涵洞的选用，主要根据设计流量、路堤高度、河床纵坡以及建筑材料等确定。当跨越常年有水但流量较少，或季节性水流且漂浮物和上游泥沙运动较少，路堤高度能够满足壅水高度和宣泄设计流量的要求时，宜采用涵洞涵洞；当设计流量大，或河道漂浮物和泥沙运动较多，或河沟地处陡峭深谷并填土过高时，都应采用小小桥。桥。2、涵洞类型的选择涵洞由洞身、洞口、基础洞身、洞口、基础三个部分组成。洞身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。洞口洞口用以连接洞身与上下游水道，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。基础基础把涵洞所受的荷载均匀地分布和传递到土基上，并使地基免受水流的直接冲刷。根据涵洞洞身的构造形式不同，涵洞可分为圆管圆管涵、拱涵、盖板涵和箱涵等。涵、拱涵、盖板涵和箱涵等。1）圆管涵圆管涵孔径一般为0.52.0m，最小填土厚度50cm，受力情况良好，圬工数量少，造价较低。多孔时不宜超过三孔。2）盖板涵由于盖板涵建筑高度较低，适于低路基地段使用，一般用作明涵。在盛产条石的地方，采用石盖板涵较经济，一般只适用于小跨径的明涵或暗涵。当跨径要求较大时，可采用钢筋混凝土盖板涵。3）拱涵一般超载潜力较大，砌筑技术易掌握，养护费用低，便于就地取材。4）箱涵适用于软土地基，但施工困难，造价较高，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，路线两侧水深高于路基高度，或在浅路堑处，可采用倒虹吸管。施工中的圆管涵圆管涵盖板涵预制的排水拱涵箱涵3、涵洞洞口形式的选择涵洞洞口建筑形式必须根据涵洞类型、河床及洞口附近的地形和地质条件、水流特征等合理选择。常见的建筑形式：八字翼墙式、锥形护坡式、一八字翼墙式、锥形护坡式、一字墙护坡、跌水井式及流线型洞口字墙护坡、跌水井式及流线型洞口等。1）八字翼墙式或锥形护坡式洞口适用于适用于平坦顺直、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。具有水力条件较好、工程量小、施工简单、经济等优点优点。当涵洞高度在5m以下时，八字翼墙式较锥形护坡式更为经济。2）一字墙护坡洞口构造简单，工程量小。适用于适用于边坡规则的人工渠道或在窄而深、河床纵断面变化不大的天然河沟上采用。3）跌水井式洞口在排出傍山较长距离内的边沟及截水沟的水时，由于进水口涵底低于边沟底，就需设边沟跌水井洞口。具有效能和沉淀泥沙的作用。4）流线型洞口当涵洞进水口端节升高，立面上形成流线型。当用于压力式涵洞时，可使涵内充满水；当用于无压力式涵洞时，可有效地提高涵洞的泄水能力。5）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方法：斜交正做斜交正做洞口和斜交斜做斜交斜做洞口。二、涵洞进出口沟床的处理涵洞进出口沟床的处理与涵洞本身设置的坡度和涵洞上下游河沟的纵坡有关，加固防护类型应根据土质和流速而定。1、进水洞口沟床加固处理、进水洞口沟床加固处理1）缓坡涵洞进水口沟床加固）缓坡涵洞进水口沟床加固在纵坡小于10%的顺直河沟上，涵洞常顺河沟纵坡设置，进水洞口一般在翼墙间采用干砌片石采用干砌片石铺砌加固铺砌加固。对流速较小、孔径较大的多孔涵洞，可采用U形铺砌式。当涵前天然河沟纵坡为10%40%时，进口处开挖沟槽的纵坡可取1:41:10。除岩石地质外，新开挖的沟底、河槽侧向边坡以及路基边坡均需均需铺砌加固铺砌加固。由于涵前沟底纵坡较大，水流在进口处产生水跃，应在进口前设置一段缓坡，其长度约为12倍的涵洞孔径。当水流携带泥沙较多时，可在进口处设约0.5m的沉沙池，既能沉淀泥沙，又可以起到消能的作用。缓坡涵洞进水口沟底及沟槽边坡加固a)缓坡涵前设置较陡纵坡b)缓坡涵前设沉沙池2）陡坡涵洞进水口沟床加固）陡坡涵洞进水口沟床加固当涵前河沟纵坡大于50%，且水流流速很大时，涵洞进口处需设置急流槽或跌水等消能设施需设置急流槽或跌水等消能设施。上游沟槽为非岩石土基时，开挖纵坡一般可取1:11:2，以确保沟床稳定。当上游沟槽做成梯形断面时，应对沟壁进行铺砌加固，如图9-4-6a所示。当上游沟槽做成矩形断面的急流槽时，两侧边墙厚度一般采用40cm，槽宽等于涵洞孔径,如图9-4-6b所示。为保证急流槽的稳定，槽底宜每隔150200cm设置防滑墙一道。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，上游开挖坡度可取1:11:0.2的陡坡，采用水流直接沿陡坡直采用水流直接沿陡坡直泻入涵的形式。泻入涵的形式。如图9-4-6c所示。2、沟床加固防护、沟床加固防护涵洞出水口处的流速一般都大于河沟的天然流速，常引起出水洞口产生水害。因此应对涵洞出水口处的河床进行加固防护。1）缓坡涵洞（洞底坡度小于）缓坡涵洞（洞底坡度小于5%）出水口处理）出水口处理当河沟纵坡小于5%，出水口流速不大，出水口可采用延长铺砌、加深截水墙延长铺砌、加深截水墙的处理方法。延长铺砌加深截水墙加固形式在无压力式涵洞下游，为了减少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八字翼墙配以挑坎配以挑坎，可有效防止末端的冲刷。三级挑坎的一般布置形式三级挑坎的一般布置形式2）陡坡涵洞（涵洞底坡大于陡坡涵洞（涵洞底坡大于5%）出水口处理）出水口处理当天然河沟的纵坡大于5%，涵洞出水洞口一般采用八字翼墙八字翼墙，同时应视地形、地质和水利条件，采用急流槽、跌水、消力池、消力槛或人工加糙急流槽、跌水、消力池、消力槛或人工加糙等设施，等设施，达到消能和降低流速的目的。设有跌水和消力池的布置设有跌水和急流槽的布置设有急流槽和消力池的布置一、跌水的水力计算一、跌水的水力计算当山坡较陡时，可在桥涵的上游或下游设置具有消能设施的跌水，使水流在该消能设施在产生淹没式水跃，消耗水流的动能，并将水流从急流转变为缓流。这样就可使水流安全通过桥涵或使水流平稳的进入下游沟渠。第五节第五节 山区小桥和涵洞进出口水山区小桥和涵洞进出口水力计算力计算跌水的计算一般确定两个数值，即消力池的深度消力池的深度d和消力池的长度和消力池的长度l。过水断面为矩形的跌水消力池计算方法如下：初估一个消力池的下挖深度d计算收缩断面的水深和流速计算hc的水跌共轭水深h验算假定的池深是否合适为使消力池产生淹没水跃，通常采用：若此式成立，则假定的池深d是合适的，不成立，则应适当调整池深重新计算。计算水流的射流长度L1计算水跃长度L2计算消力池的池长L水跃所需的铺砌长度L0二、急流槽的水力计算二、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水口水流引至下游河道。急流槽是由进急流槽是由进门、急流槽、消能设施和出口门、急流槽、消能设施和出口组成。急流槽水力计算的目的是确定急流槽内的水深急流槽内的水深、流速流速，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。第六节第六节 计算实例计算实例