第9章 9.7.5 小橋孔徑水力計(jì)算

1、 9.7.5 9.7.5 小橋孔徑水力計(jì)算小橋孔徑水力計(jì)算 Small bridge and culvert opening calculation 5.3.1 小橋孔徑計(jì)算小橋孔徑計(jì)算 小橋和大中橋設(shè)計(jì)略有不同，小橋一般不設(shè)引橋，小橋和大中橋設(shè)計(jì)略有不同，小橋一般不設(shè)引橋，橋面高程服從線路，即橋面標(biāo)高和路面相同。橋面高程服從線路，即橋面標(biāo)高和路面相同。大中橋大中橋：假定設(shè)計(jì)流量、設(shè)計(jì)水位不變，設(shè)計(jì)流速等：假定設(shè)計(jì)流量、設(shè)計(jì)水位不變，設(shè)計(jì)流速等 于天然河槽平均流速，推求橋孔長(zhǎng)度，確定于天然河槽平均流速，推求橋孔長(zhǎng)度，確定 橋面標(biāo)高，允許橋下發(fā)生沖刷。橋面標(biāo)高，允許橋下發(fā)生沖刷。 如果設(shè)計(jì)流速小

2、于天然狀態(tài)的河底容許如果設(shè)計(jì)流速小于天然狀態(tài)的河底容許不不沖刷沖刷流速，則流速，則河床可以不加固，河床可以不加固，橋孔長(zhǎng)度可取通過(guò)設(shè)計(jì)橋孔長(zhǎng)度可取通過(guò)設(shè)計(jì)流量時(shí)的水面寬，無(wú)需計(jì)算孔徑，只需根據(jù)設(shè)計(jì)流流量時(shí)的水面寬，無(wú)需計(jì)算孔徑，只需根據(jù)設(shè)計(jì)流量推算橋前水深，確定出橋面標(biāo)高即可。量推算橋前水深，確定出橋面標(biāo)高即可。小橋涵小橋涵：設(shè)計(jì)流量不變，：設(shè)計(jì)流量不變，通過(guò)人工加固河床，提高通過(guò)人工加固河床，提高河河 底底容許不沖刷流速容許不沖刷流速（the permit velocity for no scour） ，推求橋孔長(zhǎng)度、橋前水深（設(shè)，推求橋孔長(zhǎng)度、橋前水深（設(shè) 計(jì)水位），不允許橋下發(fā)生沖刷。計(jì)

3、水位），不允許橋下發(fā)生沖刷。1、小橋水流圖式（、小橋水流圖式（the flow pattern of small bridge） 當(dāng)橋孔壓縮河槽時(shí)，水流受到橋頭路堤和墩臺(tái)的當(dāng)橋孔壓縮河槽時(shí)，水流受到橋頭路堤和墩臺(tái)的擠束，橋前水位抬升，產(chǎn)生壅水，橋下水面降低，出擠束，橋前水位抬升，產(chǎn)生壅水，橋下水面降低，出現(xiàn)收縮斷面，這些特性與寬頂堰類(lèi)似。因此，現(xiàn)收縮斷面，這些特性與寬頂堰類(lèi)似。因此，小橋孔小橋孔徑計(jì)算徑計(jì)算采用寬頂堰理論作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。采用寬頂堰理論作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。 小橋水流圖式，按下游水深的大小，可分為小橋水流圖式，按下游水深的大小，可分為自由自由式出流式出流和和淹沒(méi)式出流淹沒(méi)式出流。橋下游天然

4、水深橋下游天然水深 ht（相應(yīng)于設(shè)計(jì)流量）（相應(yīng)于設(shè)計(jì)流量）橋前水深橋前水深 H 橋下水深橋下水深 h臨界水深臨界水深 hk1）自由式出流（）自由式出流（free discharge）當(dāng)：當(dāng)：ht 1.3hk 橋下水流為急流，下橋下水流為急流，下游水深對(duì)橋下過(guò)流能力無(wú)游水深對(duì)橋下過(guò)流能力無(wú)影響。影響。橋下水深橋下水深 h 1.3hk 橋下水流為緩流，橋下水流為緩流，橋下過(guò)流能力受下游水橋下過(guò)流能力受下游水深頂托的影響。深頂托的影響。橋下水深橋下水深 h hk此時(shí)橋下水深為橋下游天然水深此時(shí)橋下水深為橋下游天然水深 h=ht 。圖圖 5-85-8（b b）小橋淹沒(méi)式出流圖式）小橋淹沒(méi)式出流圖式H

5、kkkhthth2、小橋孔徑計(jì)算小橋孔徑計(jì)算 小橋孔徑計(jì)算的任務(wù)是統(tǒng)一解決孔徑、橋下流速小橋孔徑計(jì)算的任務(wù)是統(tǒng)一解決孔徑、橋下流速和橋前水深三者之間關(guān)系的問(wèn)題。計(jì)算的內(nèi)容是根據(jù)和橋前水深三者之間關(guān)系的問(wèn)題。計(jì)算的內(nèi)容是根據(jù)設(shè)計(jì)流量，選定河床加固類(lèi)型及所對(duì)應(yīng)的最大容許不設(shè)計(jì)流量，選定河床加固類(lèi)型及所對(duì)應(yīng)的最大容許不沖刷流速，確定滿(mǎn)足過(guò)流能力和防沖條件的孔徑和橋沖刷流速，確定滿(mǎn)足過(guò)流能力和防沖條件的孔徑和橋前壅水高度等。前壅水高度等。設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)原則：使設(shè)計(jì)流量以最佳的流態(tài)通過(guò)橋孔，即：使設(shè)計(jì)流量以最佳的流態(tài)通過(guò)橋孔，即按按 臨界水流狀態(tài)設(shè)計(jì)臨界水流狀態(tài)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)思路：設(shè)計(jì)思路：選定河床加固類(lèi)型（

6、斷面一般修整為規(guī)則斷面，如選定河床加固類(lèi)型（斷面一般修整為規(guī)則斷面，如矩形、梯形），矩形、梯形），確定河床容許不沖刷流速確定河床容許不沖刷流速Vbc （按表（按表5-12d），（無(wú)加固方案，根據(jù)河床天然土質(zhì)，按表），（無(wú)加固方案，根據(jù)河床天然土質(zhì)，按表5-12a、 5-12b、5-12c確定確定）令令Vk=Vbc和和QP比較比較H與與H允允 HH允允, ,方案可行方案可行 HH允允, ,調(diào)整調(diào)整L方案，直至滿(mǎn)足方案，直至滿(mǎn)足 要求為止。要求為止。L、H（1）小橋下游河槽天然水深）小橋下游河槽天然水深ht )265(2132 JRnQ ht試算，試算，Q- -QP/QP 1.3hk 淹沒(méi)出流淹沒(méi)

7、出流（4）孔徑計(jì)算）孔徑計(jì)算 自由出流（自由出流（ht1.3hk） 先計(jì)算臨界水面寬，然后用臨界水面寬確定橋先計(jì)算臨界水面寬，然后用臨界水面寬確定橋孔長(zhǎng)度：孔長(zhǎng)度：)275(311 kPkkPkkkVgQVhQhB 橋下通過(guò)設(shè)計(jì)洪水所需的水面寬：橋下通過(guò)設(shè)計(jì)洪水所需的水面寬：)285(3 NdVgQNdBBbcPk 橋孔長(zhǎng)度：橋孔長(zhǎng)度：矩形斷面矩形斷面： L = B梯形斷面梯形斷面： L = B+2mh (5-30)圖圖5-11 梯形斷面橋孔（自由式出流）梯形斷面橋孔（自由式出流）LBh khd1:m 淹沒(méi)出流淹沒(méi)出流（ht1.3hk） 先計(jì)算先計(jì)算橋下橋下通過(guò)設(shè)計(jì)洪水所需的平均水面寬（通過(guò)設(shè)

8、計(jì)洪水所需的平均水面寬（ht/2處）：處）：NdVhQBbctP 0矩形斷面矩形斷面： L = B0 梯形斷面梯形斷面： L = B0+2m(ht/2+h) (5-32)圖圖 5-12 梯形斷面橋孔（淹沒(méi)式出流）梯形斷面橋孔（淹沒(méi)式出流）L0Bh hd1:m2h（5）橋前水深）橋前水深H 自由出流自由出流)335(22222 gVgVhHHkk 淹沒(méi)出流淹沒(méi)出流)335(22222 gVgVhHHt 式中，式中，為流速系數(shù)，查表為流速系數(shù)，查表5-13。 VH為橋前水深為為橋前水深為H時(shí)的行近流速；時(shí)的行近流速；V為采用的橋?yàn)椴捎玫臉蚩组L(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的橋下流速?？组L(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的橋下流速。 （5-33）式

9、須試算）式須試算,當(dāng)當(dāng)VH 1m/s 時(shí)，流速水頭可時(shí)，流速水頭可忽略不計(jì)。忽略不計(jì)。gVH22 為橋前水深為為橋前水深為H時(shí)的流速水頭。時(shí)的流速水頭。（6）確定路堤和橋面標(biāo)高）確定路堤和橋面標(biāo)高橋頭路堤最低標(biāo)高：橋頭路堤最低標(biāo)高： Z路路 = Zmin+ H + （5-34）橋面最低標(biāo)高：橋面最低標(biāo)高： Z橋橋= Zmin+ H +hj+ D （5-35） H橋頭路基最低標(biāo)高河床最低點(diǎn)標(biāo)高Hjh D河床最低點(diǎn)標(biāo)高橋面最低標(biāo)高【例例5-25-2】某公路通過(guò)一小溝，需要建一座小橋，選某公路通過(guò)一小溝，需要建一座小橋，選定的橋位與水流正交。定的橋位與水流正交。J=9，n=0.045，設(shè)計(jì)流量，設(shè)計(jì)

10、流量QP=22.0m3/s，河底最低點(diǎn)標(biāo)高，河底最低點(diǎn)標(biāo)高100m，路堤允許標(biāo)高，路堤允許標(biāo)高Z允允=103.0m。擬采用矩形斷面單孔小橋，八字翼墻式。擬采用矩形斷面單孔小橋，八字翼墻式橋臺(tái)。試確定小橋孔徑和橋頭路堤標(biāo)高。橋臺(tái)。試確定小橋孔徑和橋頭路堤標(biāo)高。 Bm00.100th 求橋梁下游天然水深求橋梁下游天然水深ht 根據(jù)斷面圖及根據(jù)斷面圖及J=9，n=0.045 ，假設(shè)，假設(shè)ht = 1.20m，按謝才，按謝才-曼寧公式，得：曼寧公式，得：Q=22.7m3/s。解：解：%10%18. 30 .220 .227 .22 PPQQQ 確定臨界水深確定臨界水深 選定橋下河床加固型式：碎石墊層上

11、選定橋下河床加固型式：碎石墊層上20cm大小大小的片石單層鋪砌。查表的片石單層鋪砌。查表5-12d，得容許不沖刷流速，得容許不沖刷流速Vbc=3.5m/s，Vk= Vbc=3.5m/s。臨界水深：。臨界水深：mgVgVhbckk25. 180. 95 . 3222 判別流態(tài)判別流態(tài) ht= 1.20m 1.3hk= 1.625m橋下水流為自由出流。橋下水流為自由出流。 計(jì)算橋孔長(zhǎng)度計(jì)算橋孔長(zhǎng)度L 采用單孔、八字翼墻式橋臺(tái)，查表采用單孔、八字翼墻式橋臺(tái)，查表5-13，得側(cè)收縮，得側(cè)收縮系數(shù)系數(shù)=0.85，由（，由（5-28）式：）式：mVgQVgQBbcPkP92. 55 . 385. 080.

12、 90 .22333 矩形斷面：矩形斷面： L = B 參照技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，選用單孔參照技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，選用單孔6m的鋼筋混凝土板式橋，的鋼筋混凝土板式橋，凈跨徑凈跨徑5.40m。與計(jì)算的橋孔長(zhǎng)度相差不超過(guò)。與計(jì)算的橋孔長(zhǎng)度相差不超過(guò)10%，可以不必校核水流流態(tài)?？梢圆槐匦：怂髁鲬B(tài)。 計(jì)算橋前水深計(jì)算橋前水深H由由（5-20）式：式：smBgQVPk/61. 340. 585. 080. 90 .2233 mgVhkk33. 180. 961. 322 采用單跨采用單跨6m鋼筋混凝土板式橋，單孔、八字翼鋼筋混凝土板式橋，單孔、八字翼墻式橋臺(tái)，查表墻式橋臺(tái)，查表5-13，得流速系數(shù)，得流速系數(shù)=0.90。

13、按（。按（5-33）式試算橋前水深）式試算橋前水深H：)335(22222 gVgVhHHkk )335(22222 gVgVhHHkk 設(shè)設(shè)VH=0mH07. 290. 080. 9261. 333. 12 由斷面圖，當(dāng)由斷面圖，當(dāng)H=2.07m時(shí)，時(shí)，= =42.84m2 smQVPH/51. 084.420 .22 再設(shè)再設(shè)VH=0.51m/smH06. 280. 9251. 090. 080. 9261. 333. 122 二者很接近，取二者很接近，取H=2.07m。 確定橋頭路堤標(biāo)高和橋面標(biāo)高確定橋頭路堤標(biāo)高和橋面標(biāo)高 采用橋面和路堤同寬，橋梁上部建筑高度采用橋面和路堤同寬，橋梁上部

14、建筑高度D=0.40m，橋下凈空高度橋下凈空高度0.50m，安全高度，安全高度0.50m。mZmHZZ0 .10357.10250. 007. 20 .100min 允允路路 mDhHZZj97.10240. 05 . 007. 20 .100min 橋橋最后，橋面標(biāo)高和路堤標(biāo)高都采用最后，橋面標(biāo)高和路堤標(biāo)高都采用103m?！纠?-3】某公路通過(guò)一小溝，需要某公路通過(guò)一小溝，需要建建一座小橋，選一座小橋，選定的橋位與水流正交定的橋位與水流正交。設(shè)計(jì)流量設(shè)計(jì)流量QP=31.5m3/s，經(jīng)計(jì)，經(jīng)計(jì)算，橋下游天然水深算，橋下游天然水深ht=1.50m。擬采用矩形斷面單孔。擬采用矩形斷面單孔小橋，根

15、據(jù)實(shí)際河寬，初定橋孔凈長(zhǎng)小橋，根據(jù)實(shí)際河寬，初定橋孔凈長(zhǎng)Lj=10m，=0.90，=0.95。試確定橋前水深和橋下流速。試確定橋前水深和橋下流速。解：解： 判斷水流流態(tài)判斷水流流態(tài))/(50. 31090. 05 .313msmLQqjP smqVk/25. 350. 314. 214. 23131 mVgVhkkk08. 1102. 022 mhmhkt40. 13 . 15 . 1 為淹沒(méi)出流，橋下水深等于橋下游水深為淹沒(méi)出流，橋下水深等于橋下游水深 h=ht =1.5m。 橋下流速橋下流速VsmhqhLQQVtjPP/33. 250. 150. 3 橋前水深橋前水深H2222222051

16、. 031. 050. 180. 9295. 080. 9233. 250. 122HHHtVVgVgVhH 試算：設(shè)試算：設(shè)VH=0mH81. 131. 050. 1 當(dāng)橋前水深為當(dāng)橋前水深為1.81m時(shí)，過(guò)水?dāng)嗝婷娣e：時(shí)，過(guò)水?dāng)嗝婷娣e：21 .181081. 1mHLjH 橋前流速：橋前流速：smQVHPH/74. 11 .185 .31 當(dāng)橋前流速為當(dāng)橋前流速為1.74m/s時(shí)：時(shí)：mVHH66. 174. 1051. 081. 1051. 081. 122 當(dāng)橋前水深為當(dāng)橋前水深為1.66m時(shí)，過(guò)水?dāng)嗝婷娣e：時(shí)，過(guò)水?dāng)嗝婷娣e：26 .161066. 1mHLjH 橋前流速：橋前流速：smQVHPH/90. 16 .165 .31 當(dāng)橋前流速為當(dāng)橋前流速為1.90m/s時(shí)：時(shí)：mVHH63. 190. 1051. 081. 1051. 081. 122 當(dāng)橋前水深為當(dāng)橋前水深為1.63m時(shí)，過(guò)水?dāng)嗝婷娣e：時(shí)，過(guò)水?dāng)嗝婷娣e：23 .161063. 1mHLjH 橋前流速：橋前流速：smQVHPH/93. 13