涵洞設(shè)計(jì)細(xì)則(7)

1、 馮忠居馮忠居 教授教授 長(zhǎng)安大學(xué)長(zhǎng)安大學(xué) 二零零七年九月二零零七年九月1.1.一般規(guī)定一般規(guī)定 七七.涵洞水力計(jì)算涵洞水力計(jì)算圖a 涵洞水流狀態(tài)示意圖lc=A(H-ho),A=1.52.5,隨入口類型而變；ho0.9hk;l出(2.02.5)(ho-hN),(當(dāng)hohN時(shí))；hN下游溝槽正常水深；ho形成勻流時(shí)洞內(nèi)正常水深；Ic出口處形成水深ho時(shí)的坡度七涵洞水力計(jì)算圖b 半有壓涵洞水流狀態(tài)示意圖七涵洞水力計(jì)算圖c 有壓涵洞水流狀態(tài)示意圖七涵洞水力計(jì)算 1) 涵洞水力計(jì)算是孔徑設(shè)計(jì)的依據(jù)，必須保 證設(shè)計(jì)洪水、漂浮物等的安全通過，確保路 基及基底的穩(wěn)定，滿足排灌需要，避免對(duì)上、 下游農(nóng)田、房舍

2、的不利影響，并考慮工程造 價(jià)的經(jīng)濟(jì)合理。 2) 根據(jù)公路等級(jí)，求得涵洞規(guī)定設(shè)計(jì)洪水頻 率的設(shè)計(jì)流量，并初擬涵洞的類型、洞口式 樣和孔徑后，應(yīng)進(jìn)行水力計(jì)算；驗(yàn)算涵內(nèi)流 速、水深和涵前壅水位。七涵洞水力計(jì)算 3) 涵洞水力計(jì)算圖示應(yīng)采用無壓力式，并應(yīng)符 合4.3.7條規(guī)定；僅在特殊情況下，有充分的技 術(shù)經(jīng)濟(jì)比較依據(jù)時(shí)，方可采用半壓力式或壓力 式涵洞。 4) 涵洞孔徑應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)跨徑，當(dāng)采用多孔時(shí)應(yīng) 注意流量分配的不均勻性。 5) 人工排灌渠道上的涵洞，應(yīng)依據(jù)排灌流量和 當(dāng)?shù)厮块T及有關(guān)單位意見確定其孔徑。不 宜壓縮排灌渠道過水面積。 七涵洞水力計(jì)算 6) 山區(qū)涵洞的布設(shè)，應(yīng)保證路基和涵洞的穩(wěn)定、免

3、遭水毀，必須采取相應(yīng)的工程措施防止沖刷和消耗能量。其陡坡過水消能建筑物一般布置型式見（圖7.1.6）。 圖7.1.6 陡坡過水建筑物組成圖七涵洞水力計(jì)算2.2.涵洞孔徑驗(yàn)算涵洞孔徑驗(yàn)算 1) 無壓力式涵洞的孔徑驗(yàn)算 水流類型有緩流、急流和臨界流三種。在明渠 中，當(dāng)流量為定值時(shí)，水流類型隨溝底坡度而 變，若溝底坡度較緩，則流速較小，而水深較 大；若溝底坡度較陡，則流速較大，而水深較 ?。ㄈ鐖Da）.當(dāng)流量一定時(shí)，若hhk,則vvk, 能率E（即斷面單位能量）隨水深h增加而增大， 勢(shì)能大而動(dòng)能小，水深流緩，水流處于緩流狀 態(tài)，稱為緩流；若h vk, 能率E隨水深 增大而減小，勢(shì)能小而動(dòng)能大，水淺流急

4、，七涵洞水力計(jì)算 水流處于急流狀態(tài)，稱為急流；h=hk,v=vk,能率E達(dá)到最小值，即緩流與急流的分界處水流處于臨界狀態(tài)，稱為臨界流。 水流類型圖 七涵洞水力計(jì)算 根據(jù)河溝斷面形態(tài)初擬孔徑后，應(yīng)按下列公式 驗(yàn)算涵內(nèi)流速、水深和涵前壅水位。 臨界流狀態(tài) （7.2.1-1） （7.2.1-2）P3KKQ gVBPKKQAV七涵洞水力計(jì)算KqsVV0.9qskh0.9h22qsqqs2VVhh2g2gyqqHHh （7.2.1-3） （7.2.1-4） （7.2.1-5） （7.2.1-6）七涵洞水力計(jì)算 當(dāng)HsHcd1.3hkId（LhLc）時(shí)，應(yīng)改 按淹沒流狀態(tài)驗(yàn)算。 當(dāng)涵洞內(nèi)鋪砌面允許流速Vy

5、Vqs（涵內(nèi)收 縮斷面處流速）時(shí)，應(yīng)改變鋪砌類型，使 VyVqs。 當(dāng)Hy （涵前壅水位）超過涵前允許淹沒水 位時(shí)，應(yīng)增大孔徑。七涵洞水力計(jì)算 淹沒流狀態(tài)（緩流） （7.2.1-7） （7.2.1-8） （7.2.1-9） （7.2.1-10） （7.2.1-11） 01211 22sys20VVHH2g2g20yVHH2gs00SV2g(H -H ) psQAV七涵洞水力計(jì)算 （7.2.1-12） （7.2.1-13） 當(dāng)VsVy時(shí)，應(yīng)改變鋪砌類型，使VyVs，或 增大孔徑使VsVy。 當(dāng)Hy （涵前壅水位）超過涵前允許淹沒水位 時(shí)，應(yīng)增大孔徑；當(dāng)Hy低于涵前允許淹沒水位 過多時(shí)，可考慮縮減

6、孔徑。16h1CRnh222g LC R七涵洞水力計(jì)算 急流（補(bǔ)充） 當(dāng)鐵路跨越坡度陡峻地區(qū)的河溝時(shí)，為了適 應(yīng)地形，順暢宣泄水流，節(jié)省建設(shè)投資，往 往要修建陡坡涵洞。陡坡涵洞由于縱坡陡峻， 水流通過涵洞時(shí)，呈現(xiàn)急流狀態(tài)，采用下式 進(jìn)行洞內(nèi)水力計(jì)算： 按等截面均勻流計(jì)算，即：2 13 21vR inQA v七涵洞水力計(jì)算 陡坡涵洞的水力特征是洞內(nèi)水深小于臨界水 深hk,洞內(nèi)坡度大于臨界坡度ik，洞內(nèi)流速大 于vk,為確定其水力條件和判別其水流狀態(tài)， 一般先計(jì)算臨界水深hk和臨界坡度ik,hk和ik 的計(jì)算見有關(guān)參考書。 摻氣水流計(jì)算 在流速很大的水流中，流體摻進(jìn)了空氣，成 為摻氣水流，空氣體積

7、與水和空氣總體積之 比，稱為摻氣系數(shù)。 七涵洞水力計(jì)算 當(dāng)洞底坡度i0.06，未考慮摻氣之前的水流 流速v=3.5m/s,R0.3m時(shí)，應(yīng)考慮水流摻氣。 其計(jì)算式見有關(guān)參考書。 2) 倒虹吸涵洞的孔徑計(jì)算。 倒虹吸管是一個(gè)中段低下的壓力管道，主要 由進(jìn)口段、水平段和出口段三部分組成，管 身斷面通常為圓形或矩形。倒虹吸管的過水 原理，是借助水壓將水由進(jìn)口端壓至出口端 渠道。 七涵洞水力計(jì)算 進(jìn)、出口應(yīng)做成與渠道連接的漸變段，作適 當(dāng)長(zhǎng)度的鋪砌加固，其末端設(shè)置垂裙，以防 止或減少滲漏及沖刷。 倒虹吸管水力計(jì)算的目的，在于合理選擇斷 面尺寸與流速、計(jì)算各種水頭損失、核算通 過流量并確定倒虹吸管進(jìn)、出

8、口高程等。 倒虹吸過水面積應(yīng)按下列公式計(jì)算: （7.2.2-1） （7.2.2-2）p0QA 2gZ 01 51 七涵洞水力計(jì)算 阻力系數(shù)一般包括：管徑變化阻力系數(shù)，進(jìn) 口阻力系數(shù)，轉(zhuǎn)彎阻力系數(shù)，沿程阻力系數(shù)和 出口阻力系數(shù)等，各阻力系數(shù)應(yīng)按以下規(guī)定確 定。 管徑變化阻力系數(shù)1，按表7.2.2-1確定。 表7.2.2-1 管徑變化阻力系數(shù)1 注：A1為較小的斷面面積，A2為較大的斷面面積。七涵洞水力計(jì)算 進(jìn)口阻力系數(shù)2，按表7.2.2-2確定。 表7.2.2-2 進(jìn)口阻力系數(shù)2七涵洞水力計(jì)算 轉(zhuǎn)彎阻力系數(shù)3 轉(zhuǎn)彎分為急彎和緩彎兩種，轉(zhuǎn)彎角15 時(shí)為緩彎，15時(shí)為急彎。急彎的阻 力系數(shù)3視角大小

9、，按表7.2.2-3確 定。緩彎的阻力系數(shù)3，按下式計(jì)算。 （7.2.2-3） 3k90七涵洞水力計(jì)算 表7.2.2-3 急彎阻力系數(shù)3 表7.2.2-4 緩彎矩形斷面k值 七涵洞水力計(jì)算 表7.2.2-5 緩彎圓形斷面的k值 沿程阻力系數(shù)4，按下式計(jì)算 （7.2.2-4）22hh4432gn LR七涵洞水力計(jì)算 出口阻力系數(shù)5，一般采用1.0。3.3.過水消能建筑物的水力計(jì)算過水消能建筑物的水力計(jì)算 1) 消力池的水力計(jì)算： 初估消力池下挖深度d ，可按下列公式計(jì)算收 縮斷面的水深和流速（圖7.3.1）。 圖7.3.1消力池計(jì)算圖式七涵洞水力計(jì)算 （7.3.1-1） （7.3.1-2） 計(jì)算

10、hc的水躍共軛水深hc （7.3.1-3） 驗(yàn)算假定的池深為了使消力池產(chǎn)生淹沒式水躍，可按下式驗(yàn)算： （7.3.1-4） ckcV2g(dp 1.5h -h )ccQhBV3ckcchhh1 8()12htchd1.1h七涵洞水力計(jì)算假定的池深d經(jīng)試算至等式成立（相差不大于5%）為止，d即為確定池深。 水流的射流長(zhǎng)度L1，可按下式計(jì)算 （7.3.1-5） 水躍長(zhǎng)度L2消力池內(nèi)的水躍是一種強(qiáng)迫形成的水躍,它的長(zhǎng)度比自由水躍長(zhǎng)度為短,可按下式計(jì)算. L2=5(hc-hc) (7.3.1-6) k1k2d2phLVg七涵洞水力計(jì)算 消力池的池長(zhǎng)L，可按下式計(jì)算。 LL1+L2 (7.3.1-7) 水

11、躍靜定緩和所需的鋪砌長(zhǎng)度L0由于水流發(fā)生水躍后仍存在剩余動(dòng)能，需有一個(gè)靜定緩和的過程，故池后加設(shè)一段鋪砌長(zhǎng)度L0，可按下式計(jì)算。 L0（2.53.0）L2 （7.3.1-8） 2) 消力檻的水力計(jì)算消力檻類似消力池，即決定檻高及消力池的長(zhǎng)度。其中消力池長(zhǎng)度可按公式（7.3.1-7）算。 七涵洞水力計(jì)算檻高P1可按下式計(jì)算（圖7.3.2）。 圖7.3.2消力檻計(jì)算圖式 （7.3.2-1）2321c2scqqPhM2g( h )七涵洞水力計(jì)算 檻上水深H1和檻上總水頭H10的確定 (7.3.2-2) (7.3.2-3) 消力檻淹沒系數(shù)s的確定。 （7.3.2-4） 計(jì)算中可按表7.3.2選用s的數(shù)

12、值。表中當(dāng)hs/H100.45時(shí)，s 1，為自由出流；當(dāng)hs/H100.45時(shí)，s 1，為淹沒出流。 21102cqHH2gh2310sqHMss10hfH七涵洞水力計(jì)算 表7.3.2消力檻的淹沒系數(shù)s值 消力檻高P1的確定 根據(jù)公式（7.3.2-1）（7.3.2-3）、表7.3.2，先假定s 1求得消力檻淹沒系數(shù)s，判斷出檻水流情況。當(dāng)為自由出流時(shí)，則P1值即為所求得的值；當(dāng)為淹沒出流時(shí)，可重新假定P1值，七涵洞水力計(jì)算 試算s值。試算中以公式（7.3.2-1）的變形式 計(jì)算 每次試算s值后，可按下式計(jì)算單寬流量。 （7.3.2-5） 若計(jì)算的q與設(shè)計(jì)的單寬流量（ ）大致相 等 時(shí)，則所設(shè)的

13、P0即為確定值。若不相等，繼 續(xù)假設(shè)P1試算，直至q與qs基本一致為止。210c12cqHhP2gh32s10qM HssQqB七涵洞水力計(jì)算3) 跌水的水力計(jì)算：?jiǎn)渭?jí)跌水的計(jì)算只是收縮斷面水深計(jì)算及消力池、消力檻計(jì)算（圖7.3.1、圖7.3.2）。按本細(xì)則第7.3.1條和第7.3.2條規(guī)定計(jì)算。七涵洞水力計(jì)算多級(jí)跌水就是一系列相連的消力（圖7.3.3）。這種跌水的水力計(jì)算與單級(jí)跌水的計(jì)算相似。其計(jì)算內(nèi)容為：確定各級(jí)消力檻高和消力池長(zhǎng)及最后一級(jí)消力池池深及池長(zhǎng)。多級(jí)跌水的級(jí)高宜取相同數(shù)值。 圖7.3.3多級(jí)跌水布置圖式七涵洞水力計(jì)算 4) 急流槽的水力計(jì)算急流槽是由進(jìn)口、陡坡槽身、消能設(shè)施和出

14、口等四部分組成，如圖7.3.4所示 圖7.3.4急流槽七涵洞水力計(jì)算急流槽的寬度一般與涵洞孔徑大致相同，或根據(jù)需要通過的設(shè)計(jì)流量計(jì)算確定。急流槽中水流在整個(gè)槽身長(zhǎng)度內(nèi)處于急流狀態(tài)，起點(diǎn)斷面水深為臨界水深hk，隨后各斷面水深小于臨界水深hk，即出現(xiàn)降水曲線。按均勻流公式試算槽中正常水深h0、流速V0，最后驗(yàn)算流量并檢驗(yàn)與設(shè)計(jì)流量差不大于5。降水曲線范圍內(nèi)可按分段求和法計(jì)算完整的 降水曲線長(zhǎng)度l。 l=l （7.3.4-1）七涵洞水力計(jì)算 （7.3.4-2） （7.3.4-3） 計(jì)算出完整的降水曲線長(zhǎng)度l與陡槽的實(shí)際布置 長(zhǎng)度L比較： 當(dāng)lL時(shí)，為長(zhǎng)急流槽。過l后至L之間為陡坡 均勻流的長(zhǎng)槽末端水深hz