涵洞設計細則(7)

1、 馮忠居馮忠居 教授教授 長安大學長安大學 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.涵洞水力計算涵洞水力計算圖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hohN時)；hN下游溝槽正常水深；ho形成勻流時洞內正常水深；Ic出口處形成水深ho時的坡度七涵洞水力計算圖b 半有壓涵洞水流狀態(tài)示意圖七涵洞水力計算圖c 有壓涵洞水流狀態(tài)示意圖七涵洞水力計算 1) 涵洞水力計算是孔徑設計的依據，必須保 證設計洪水、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，避免對上、 下游農田、房舍

2、的不利影響，并考慮工程造 價的經濟合理。 2) 根據公路等級，求得涵洞規(guī)定設計洪水頻 率的設計流量，并初擬涵洞的類型、洞口式 樣和孔徑后，應進行水力計算；驗算涵內流 速、水深和涵前壅水位。七涵洞水力計算 3) 涵洞水力計算圖示應采用無壓力式，并應符 合4.3.7條規(guī)定；僅在特殊情況下，有充分的技 術經濟比較依據時，方可采用半壓力式或壓力 式涵洞。 4) 涵洞孔徑應采用標準跨徑，當采用多孔時應 注意流量分配的不均勻性。 5) 人工排灌渠道上的涵洞，應依據排灌流量和 當地水利部門及有關單位意見確定其孔徑。不 宜壓縮排灌渠道過水面積。 七涵洞水力計算 6) 山區(qū)涵洞的布設，應保證路基和涵洞的穩(wěn)定、免

3、遭水毀，必須采取相應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算2.2.涵洞孔徑驗算涵洞孔徑驗算 1) 無壓力式涵洞的孔徑驗算 水流類型有緩流、急流和臨界流三種。在明渠 中，當流量為定值時，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）.當流量一定時，若hhk,則vvk, 能率E（即斷面單位能量）隨水深h增加而增大， 勢能大而動能小，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，勢能小而動能大，水淺流急

4、，七涵洞水力計算 水流處于急流狀態(tài)，稱為急流；h=hk,v=vk,能率E達到最小值，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 七涵洞水力計算 根據河溝斷面形態(tài)初擬孔徑后，應按下列公式 驗算涵內流速、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）七涵洞水力計算 當HsHcd1.3hkId（LhLc）時，應改 按淹沒流狀態(tài)驗算。 當涵洞內鋪砌面允許流速Vy

5、Vqs（涵內收 縮斷面處流速）時，應改變鋪砌類型，使 VyVqs。 當Hy （涵前壅水位）超過涵前允許淹沒水 位時，應增大孔徑。七涵洞水力計算 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七涵洞水力計算 （7.2.1-12） （7.2.1-13） 當VsVy時，應改變鋪砌類型，使VyVs，或 增大孔徑使VsVy。 當Hy （涵前壅水位）超過涵前允許淹沒水位 時，應增大孔徑；當Hy低于涵前允許淹沒水位 過多時，可考慮縮減

6、孔徑。16h1CRnh222g LC R七涵洞水力計算 急流（補充） 當鐵路跨越坡度陡峻地區(qū)的河溝時，為了適 應地形，順暢宣泄水流，節(jié)省建設投資，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，呈現急流狀態(tài)，采用下式 進行洞內水力計算： 按等截面均勻流計算，即：2 13 21vR inQA v七涵洞水力計算 陡坡涵洞的水力特征是洞內水深小于臨界水 深hk,洞內坡度大于臨界坡度ik，洞內流速大 于vk,為確定其水力條件和判別其水流狀態(tài)， 一般先計算臨界水深hk和臨界坡度ik,hk和ik 的計算見有關參考書。 摻氣水流計算 在流速很大的水流中，流體摻進了空氣，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。 七涵洞水力計算 當洞底坡度i0.06，未考慮摻氣之前的水流 流速v=3.5m/s,R0.3m時，應考慮水流摻氣。 其計算式見有關參考書。 2) 倒虹吸涵洞的孔徑計算。 倒虹吸管是一個中段低下的壓力管道，主要 由進口段、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口端壓至出口端 渠道。 七涵洞水力計算 進、出口應做成與渠道連接的漸變段，作適 當長度的鋪砌加固，其末端設置垂裙，以防 止或減少滲漏及沖刷。 倒虹吸管水力計算的目的，在于合理選擇斷 面尺寸與流速、計算各種水頭損失、核算通 過流量并確定倒虹吸管進、出

8、口高程等。 倒虹吸過水面積應按下列公式計算: （7.2.2-1） （7.2.2-2）p0QA 2gZ 01 51 七涵洞水力計算 阻力系數一般包括：管徑變化阻力系數，進 口阻力系數，轉彎阻力系數，沿程阻力系數和 出口阻力系數等，各阻力系數應按以下規(guī)定確 定。 管徑變化阻力系數1，按表7.2.2-1確定。 表7.2.2-1 管徑變化阻力系數1 注：A1為較小的斷面面積，A2為較大的斷面面積。七涵洞水力計算 進口阻力系數2，按表7.2.2-2確定。 表7.2.2-2 進口阻力系數2七涵洞水力計算 轉彎阻力系數3 轉彎分為急彎和緩彎兩種，轉彎角15 時為緩彎，15時為急彎。急彎的阻 力系數3視角大小

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

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

11、躍靜定緩和所需的鋪砌長度L0由于水流發(fā)生水躍后仍存在剩余動能，需有一個靜定緩和的過程，故池后加設一段鋪砌長度L0，可按下式計算。 L0（2.53.0）L2 （7.3.1-8） 2) 消力檻的水力計算消力檻類似消力池，即決定檻高及消力池的長度。其中消力池長度可按公式（7.3.1-7）算。 七涵洞水力計算檻高P1可按下式計算（圖7.3.2）。 圖7.3.2消力檻計算圖式 （7.3.2-1）2321c2scqqPhM2g( h )七涵洞水力計算 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s的確定。 （7.3.2-4） 計算中可按表7.3.2選用s的數

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

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

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算急流槽的寬度一般與涵洞孔徑大致相同，或根據需要通過的設計流量計算確定。急流槽中水流在整個槽身長度內處于急流狀態(tài)，起點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，最后驗算流量并檢驗與設計流量差不大于5。降水曲線范圍內可按分段求和法計算完整的 降水曲線長度l。 l=l （7.3.4-1）七涵洞水力計算 （7.3.4-2） （7.3.4-3） 計算出完整的降水曲線長度l與陡槽的實際布置 長度L比較： 當lL時，為長急流槽。過l后至L之間為陡坡 均勻流的長槽末端水深hz