小橋和涵洞孔徑計算PPT教案

1、小橋和涵洞孔徑計算小橋和涵洞孔徑計算公路工程技術標準JTG B01-2003第1頁/共56頁u保證“路基”連續(xù)；u保證水流暢通；u保證行車無阻。作用：影響：u小橋涵影響到公路的造價（15-20%）；u小橋涵影響到公路使用；u小橋涵影響到生產(chǎn)生活。第2頁/共56頁小橋孔徑計算2堰流基本理論3 1涵洞孔徑計算3 3小橋和涵洞進出口處理4第3頁/共56頁堰：頂部過流的水工建筑物u工程中的壩、橋涵、溢流設備等，其水力特征都與堰相似。它們使上游水位壅高，對水流起側(cè)向收縮和底坎約束的作用。u堰流：無壓緩流經(jīng)堰頂溢流時形成堰上游水位升高而后水面急劇下降的局部水力現(xiàn)象。u無壓緩流經(jīng)小橋涵時水力現(xiàn)象也與堰流類似

2、，堰在縱向壓縮了過水斷面，小橋涵則在橫向壓縮了過水斷面，局部阻力條件類似。因此，堰流理論也是小橋涵水力計算的基本理論。第4頁/共56頁 如圖所示，距堰前緣(3-5)H處的上游水位至堰頂?shù)乃頗，稱為堰頂水頭，又稱為堰頂水深。該斷面的平均流速，稱為行近流速，常用v0表示。按堰壁厚度對水流的影響程度，通常將堰分為三種類型： 1薄壁堰（/H0.67） 如圖a)所示，當（/H）0.67時，堰壁厚度對過堰水流無影響，水流過堰呈自由下落曲線此稱為薄壁堰。第5頁/共56頁 2實用堰（ 0.67（/H） 2.5） 堰頂厚度對過堰水流開始有頂托相約束作用，但是過堰水流還是在重力作用下的自由下落運動，此稱為實用斷

3、面堰。常見的實用斷面堰有折線型和曲線兩種，如圖b)及c)所示。水利工程中常用來作泄水建筑物，如溢流壩等。第6頁/共56頁 寬頂堰堰頂厚度對水流頂托非常明顯。水流在進口附近的水面形成降落；有一段水流與堰頂幾乎平行；下游水位較低時，出堰水流二次水面降。 堰頂水深h接近臨界水深hk，即hhk；收縮斷面水深hchk,，1。按急流的水力特性，寬頂堰的過水能力(即泄流量)只受收縮斷面控制。當下游水位較低且hchk式，寬頂堰的過水能力取決于堰頂水頭，不受收縮斷面下游水位波動的影響。小橋涵的泄流圖式與寬頂堰相同，因此，小橋涵又稱無檻寬頂堰。3寬頂堰（2.5/ H 10 ）第7頁/共56頁u 臨界水深（hk）

4、對于明渠水流的某個斷面，以該斷面底的最低點所在的水平面做為參考基準面，過水斷面上單位重量的水體所具有的總能量叫做斷面比能。當渠底坡度較小時，斷面比能近似等于水深加上單位重量水體的動能。 對于給定的斷面，相應于某個流量，斷面比能最小值的水深，稱此水深為該斷面該流量的臨界水深。 臨界水深函數(shù)第8頁/共56頁一、水流通過小橋的圖式n經(jīng)小橋孔徑的水流特點： 具有側(cè)向影響，造成局部阻力 橋孔前水位整齊，橋孔內(nèi)流速增加，造成第一次水面跌落 橋孔后流速減小，產(chǎn)生局部阻力，造成第二次水面跌落。水力現(xiàn)象與寬頂堰相同。n形成原因： 水流在緩流河道中，由于橋墩或橋的邊墩側(cè)向收縮，使水流過水斷面減小造成的。n分類：

5、自由出流 淹沒出流第9頁/共56頁一、水流通過小橋的圖式第10頁/共56頁二、小橋孔徑計算u大中橋允許橋下河床發(fā)生一定的沖刷，一般采用天然河槽平均流速作為設計流速。u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流速作為設計流速。（表9-2-1）第11頁/共56頁二、小橋孔徑計算第12頁/共56頁二、小橋孔徑計算u小橋水力計算的內(nèi)容： 根據(jù)設汁流量Qs，河床加固類型所對應的最大容許流速，確定滿足過流能力和防沖條件的孔徑以及對應的橋前雍水高度等。u計算方法：試算法。 擬定河床加固類型，確定橋下河床的容許流速；再根據(jù)容許流速與設計流量，通過計算確定孔徑大小與雍水高度；與允

6、許的雍水高度進行比較，從而判斷是否需調(diào)整孔徑值，直至達到允許的雍水高度。第13頁/共56頁二、小橋孔徑計算 根據(jù)已知的設計流量和擬定的河床容許流速，計算小橋孔徑與橋前雍水高度。計算程序為： 1判別橋下水力圖式 1)確定河槽天然水深ht（試算法） 先假設一個水深h，從河槽橫斷面圖上求得過水面積A和水力半徑R，按下列公式計算相應的流量Q： %5SQQor1%h=ht2/13/21iRnAQ 第14頁/共56頁二、小橋孔徑計算 1判別橋下水力圖式 2)確定橋下臨界水深hk 橋下河槽的臨界水探hk，可按臨界水深函數(shù)求得因此，任意形狀斷面的平均臨界水深 為kh臨界流速，采用容許流速gvgAQBAhkkk

7、kkk222第15頁/共56頁二、小橋孔徑計算 1判別橋下水力圖式 2)確定橋下臨界水深hk 對于矩形斷面的橋孔，橋下臨界水深等于平均臨界水深，即 ； 對于寬淺的梯形斷面，也可以取 ； 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系近似求得(見圖9-4-3)。kkhhkkhh臨界斷面水面寬度gvgAQBAhkkkkkk22222kkkkkkmhhmhBhBmhmBBBhkkkkk24232323kssksskkvgQQvQgQgAB第16頁/共56頁二、小橋孔徑計算 1判別橋下水力圖式 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

8、1)自由式出流橋下水面寬度BNdvgQB3kS擠壓系數(shù)：反映了墩臺的阻水效應，查表9-2-3323ksskkvgQQgAB第17頁/共56頁二、小橋孔徑計算 2確定小橋孔徑 1)自由式出流若橋孔斷面為矩形，則橋孔長度L=B；若橋孔斷面為梯形，則橋孔長度為：L=B+2mh2)淹沒式出流 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（即1/2ht處）為：NdQBSbct0vhNdvgQB3kS第18頁/共56頁二、小橋孔徑計算 2確定小橋孔徑 2)淹沒式出流若橋孔斷面為矩形，則橋孔長度L=B0；若橋孔斷面為梯形，則橋孔長度為：h)h212m(BLt0如果橋孔軸線與水流方

9、向斜交，交角為，則斜交橋孔長度為：cosLL第19頁/共56頁二、小橋孔徑計算 3確定橋前水深 1)自由出流gvgvhHHkk22222第20頁/共56頁二、小橋孔徑計算 3確定橋前水深 2)淹沒式出流gvgvhHHt22222第21頁/共56頁二、小橋孔徑計算 4橋前水深判別 計算的水深與容許的壅水高度進行比較，從而判斷是否需要調(diào)整孔徑值，直至達到容許的壅水高度。 橋前容許壅水高度應根據(jù)： （1）橋位上下游兩岸村鎮(zhèn)、工廠、設施、農(nóng)田、水力標高或防洪設防標高； （2）路線設計標高等因素綜合考慮確定 第22頁/共56頁二、小橋孔徑計算 5確定路基和橋面最低標高橋頭路基最低高程河床最低點高程+H+

10、橋面最低高程河床最低點高程+H+J+D第23頁/共56頁一、涵洞的組成和分類 涵洞是橫貫路基或路堤的小型泄水和排洪構(gòu)筑物。與小橋相比，其特點是孔徑小，孔道長，河底往往有較大的縱坡，涵前水深可以高于涵洞高度。 1. 涵洞的組成 涵洞由洞身、洞口、基礎三個部分組成。洞身主要承受涵洞上填土的垂直與側(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把涵洞所受的荷載均勻地分布和傳遞到地基上，并使地基免受水流的直接沖刷。第24頁/共56頁一、涵洞的組成和分類 2. 涵洞的分類p涵洞按其用途可分為鐵路涵洞和公路涵洞；p按建筑材料可分為磚涵、

11、石涵、混凝土涵、鋼筋混凝土涵等；p按其頂上填土情況可分為頂上有填土的暗涵和無填土的明涵；p按其水力性能可分為無壓力式涵洞（水面都低于洞頂），半壓力式涵洞（水面淹沒入口），壓力式涵洞（流水充滿整個洞身）；p按其構(gòu)造類型可分為拱涵、蓋板式涵、箱涵、圓形涵、倒虹吸涵等。 第25頁/共56頁一、涵洞的組成和分類 2. 涵洞的分類 拱涵:洞身由拱圈、邊墻和基礎組成,一般用磚、石和混凝土建造。填土高度為 120米。拱涵需有較高的路基和堅實的地基。在石料豐富，地質(zhì)良好和流量較大的地區(qū)，涵式選擇上應優(yōu)先選用拱涵。中國拱涵采用較廣，如寶成鐵路有832座鐵路涵洞，其中732座為拱涵。 蓋板式涵：洞身由鋼筋混凝土蓋

12、板、石料或混凝土邊墻、基礎組成。填土高度為18米，甚至可達12米。在孔徑較大和路堤較高時，蓋板涵比拱涵造價高，但施工技術較簡單，排洪能力較大，蓋板可以集中制造。 第26頁/共56頁一、涵洞的組成和分類 2. 涵洞的分類 箱涵：又稱矩形涵或方涵，與蓋板涵相似。建造材料一般用混凝土或鋼筋混凝土等。鐵路矩形涵的頂板、邊墻、底板連成整體。對特軟地基采用箱涵較為有利，但施工困難、造價較高。 圓形涵：又稱圓管涵，簡稱圓涵或圓管，常用鋼筋混凝土制作。填土高度為 115米。歐美一些國家多采用皺紋鐵管。皺紋鐵管通常由鋼板彎成半圓形或拱形管片，以上下兩片或數(shù)片組合而成。這種管片可在工廠制造，運至工地安裝。圓形涵受

13、力性能好，工程量小，施工方便,但它的過水能力差?？讖捷^?。ㄒ话銥?.5米以下）的涵洞采用圓管涵式居多。 第27頁/共56頁一、涵洞的組成和分類 3. 涵洞的洞口形式a）八字式；b）端墻式；c）錐坡式；d）直墻式; e）扭坡式；f）平頭式；g）走廊式；h）流線型式第28頁/共56頁二、水流通過涵洞的水力圖式 根據(jù)涵洞出口是否被下游水面淹沒，可分為自由式出流與淹沒式出流。實際工程中絕大多數(shù)為自由式出流。 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第29頁/共56頁二、水流通過涵洞的水力圖式 1. 無壓力式 水流流經(jīng)全涵洞均保持自由水面 。進水口（端墻式、八字式

14、、平頭式），涵前水深 H1.2hT進水口建筑流線型（喇叭形、太高式），涵前水深 H1.4hT第30頁/共56頁二、水流通過涵洞的水力圖式 2. 半壓力式 當涵洞得進水口為普通型，且水流充滿進口，涵前水深H1.2hT （出水口不被淹沒）入口處水流的水位高于洞口上緣，部分洞頂承受水頭壓力，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)。 當工程上采用半壓力式涵洞時，涵底縱坡通常用iik。 iik當時，收縮斷面以后出現(xiàn)波狀水躍，波動的水面與涵頂斷續(xù)接觸，使收縮斷面頂部的壓強出現(xiàn)真空，水流極不穩(wěn)定，一般避免采用。第31頁/共56頁二、水流通過涵洞的水力圖式 3. 壓力式 當涵洞得進水口

15、為流線型，且水流充滿進口，涵前水深H1.4hT ，且涵底縱坡iiw（摩阻強度），或者下游洞口被淹沒時，則整個涵洞的斷面都充滿水流，稱為壓力式水流狀態(tài)。第32頁/共56頁三、涵洞孔徑計算 1. 無壓力式涵洞計算 （2）涵前水深H到進口水H深的降落系數(shù)取0.87；涵前水深進水口水深收縮斷面水深涵洞凈高臨界水深（3）收縮斷面水深hc=0.9hk，涵前的行進流速v0=0，即H0=H。（4）涵洞出口處或收縮斷面處得最大允許流速vmax規(guī)定為： （1）最小凈空高度；第33頁/共56頁三、涵洞孔徑計算 1. 無壓力式涵洞計算 （1）最小凈空高度 現(xiàn)行涵洞標準圖中對的規(guī)定： 涵前水深進水口水深收縮斷面水深涵洞

16、凈高臨界水深第34頁/共56頁三、涵洞孔徑計算公路工程水文勘測設計規(guī)范 1. 無壓力式涵洞計算 （1）最小凈空高度涵前水深進水口水深收縮斷面水深涵洞凈高臨界水深第35頁/共56頁三、涵洞孔徑計算 1. 無壓力式涵洞計算 （2）涵前水深H到進口水H深的降落系數(shù)取0.87，涵前水深進水口水深收縮斷面水深涵洞凈高臨界水深（3）收縮斷面水深hc=0.9hk，涵前的行進流速v0=0，即H0=H。（4）涵洞出口處或收縮斷面處得最大允許流速vmax規(guī)定為： 第36頁/共56頁三、涵洞孔徑計算 1. 無壓力式涵洞計算 無壓力式涵洞基本公式： 實際工作中，涵洞的孔徑多數(shù)按照標準圖的水力計算資料采用。在編制這些計

17、算資科時，就采用了上述基本公式、規(guī)定和假設。（表9-3-3）。第37頁/共56頁三、涵洞孔徑計算 1. 無壓力式涵洞計算 無壓力式涵洞基本公式： 第38頁/共56頁三、涵洞孔徑計算 1. 無壓力式涵洞計算 當涵洞底坡iik時，出水口水深h0及流速v0可按明渠均勻流公式進行計算。 R=f（h0）設計流量Qs涵洞底坡I粗糙系數(shù)n涵洞凈跨L0h0v0第39頁/共56頁三、涵洞孔徑計算 1. 無壓力式涵洞計算 為了簡化計算，可以利用表8-3-2.表中K0為流量模數(shù)，W0為流速模數(shù)。 實際工作中，涵洞的孔徑多數(shù)按照標準圖的水力計算資料采用。在編制這些計算資科時，就采用了上述基本公式、規(guī)定和假設。（表9-

18、3-3）。第40頁/共56頁第41頁/共56頁第42頁/共56頁三、涵洞孔徑計算 2. 半壓力式涵洞計算 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： 第43頁/共56頁三、涵洞孔徑計算 2. 半壓力式涵洞計算 第44頁/共56頁三、涵洞孔徑計算 3. 壓力式涵洞計算 為了充分利用斷面，達到縮小孔徑得目的，壓力式涵洞一般采用進水口升高式（流線型）的洞口建筑，使涵頂與水流線形基本一致。其基本公式為： 第45頁/共56頁三、涵洞孔徑計算 3. 壓力式涵洞計算 第46頁/共56頁鋪砌加固一般鋪砌、延長鋪砌加深截水墻緩坡、挑坎防護表層流速增加，底部流速大大減小特殊消能設施急流槽、跌水、消力池 適用于：縱坡大于15（陡坡涵 ）第47頁/共56頁一、跌水的水力計算 當山坡較陡時，可在橋涵的上游或下游設置具有消能設施的跌水，使水流在該消能設施中產(chǎn)生淹沒式水躍，消耗水流的動能，并將水流從急流轉(zhuǎn)化為緩流。這樣就可使水流安全地通過橋涵或使水流平穩(wěn)地進入下游。p 消力池的深度dp 消力池的長度l第48頁