橋涵小橋和涵洞孔徑計(jì)算

橋涵小橋和涵洞孔徑計(jì)算公路在跨越河溝、溪谷和灌溉渠道時(shí)，需修建各種排水構(gòu)造物，其中以小橋、涵洞居多。一般在平原區(qū)每公里約1~3座，山區(qū)約3~5座。據(jù)已建公路統(tǒng)計(jì)，小橋涵的工程投資約占公路總投資的15%~20%，其投資總額為大、中橋的2~4倍左右。小橋涵孔徑大小應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)流量、河床特性及河床進(jìn)出口加固類型所允許的平均流速等來確定。小橋涵孔徑計(jì)算的目的在于合理確定橋涵孔徑大小、河床加固的類型和尺寸、壅水高度、橋涵處路基和橋涵頂面的最低高程。一、小橋和涵洞勘測的主要任務(wù)小橋和涵洞勘測包括外業(yè)勘測和內(nèi)業(yè)設(shè)計(jì)兩部分。通過對公路沿線的地形、地質(zhì)、水文、氣象及農(nóng)田水利設(shè)施等情況進(jìn)行勘測和調(diào)查，為橋涵設(shè)計(jì)以及水力計(jì)算提供必要的資料和依據(jù)。第一節(jié)小橋和涵洞勘測二、小橋和涵洞勘測的主要工作內(nèi)容1、勘測前的準(zhǔn)備工作（1）地形資料：搜集公路沿線1:10000~1:50000的地形圖，要求能獲得必要的流域面積、主河溝平均縱坡度等資料。（2）地質(zhì)資料：搜集區(qū)域地質(zhì)特征資料、地形圖及土質(zhì)類別。（3）水文資料：小橋涵所在地附近水文站歷年實(shí)測最大流量及其相應(yīng)的洪水位或歷史洪水位痕跡、沿河溝上下游河床變遷情況、水工構(gòu)造物等資料。（4）氣象資料：當(dāng)?shù)貧庀笳灸?、月平均降雨量，暴雨?qiáng)度和所持續(xù)時(shí)間，年內(nèi)最高、最低氣溫，主導(dǎo)風(fēng)向和風(fēng)力等。（5）其他資料：若為改建或修復(fù)工程，需向原設(shè)計(jì)、施工和養(yǎng)護(hù)部門搜集有關(guān)工程的測設(shè)、施工及竣工資料，了解該工程的使用、養(yǎng)護(hù)、水毀等情況，并征詢小橋涵改建的意見。（6）組織與配備完成該工程勘測任務(wù)的人員、儀器和工具等。2、小橋和涵洞位置的選擇小橋和涵洞位置的選擇應(yīng)以服從路線走向，保證排水順暢和路基穩(wěn)定，降低工程造價(jià)為原則。（1）山嶺及丘陵區(qū)小橋涵位置的確定①一般為一溝一涵，間距不宜大于300m。當(dāng)匯水區(qū)很小時(shí)，兩河溝相距很近，可改溝合并。但要注意開挖排水溝或加深、加寬邊溝；做好舊河溝的堵塞、截水墻及路基加固工程。②涵位與路基排水系統(tǒng)密切配合，如在截水溝排水出口處設(shè)置涵洞，以免水流沖刷路面和路基。③路線的轉(zhuǎn)角較大（大于90°），平曲線半徑較小，進(jìn)入彎道前的縱坡大于4%，在彎道起（終）點(diǎn)附近應(yīng)設(shè)置涵洞。④路線由陡坡段過度到緩坡段，在此200m內(nèi)又無其他涵洞，在變坡點(diǎn)附近應(yīng)設(shè)置涵洞。（2）平原區(qū)小橋和涵洞位置的確定①根據(jù)天然排洪系統(tǒng)，有利于農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)置小橋和涵洞，并避免橋涵出口對耕地造成沖蝕。②路線通過較長的低洼及泥沼地帶時(shí)，在具有天然縱坡地段，可適當(dāng)多設(shè)置涵洞，以防排水不暢及長期積水。③路線靠近村莊時(shí)，要注意設(shè)置涵洞，以便及時(shí)排除村內(nèi)的地面積水。④小橋和涵洞的位置應(yīng)選擇在河床地質(zhì)良好、地基承載力較大的河段。3、小橋和涵洞測量主要包括河溝橫斷面、河溝縱斷面及河溝比降測量并測繪橋涵址平面圖。4、小橋和涵洞類型選擇主要根據(jù)公路等級及性質(zhì)，按照安全、適用、經(jīng)濟(jì)、就地取材、便于施工和養(yǎng)護(hù)等條件確定。橋涵孔徑是根據(jù)設(shè)計(jì)流量，通過水力計(jì)算，并根據(jù)小橋和涵洞所在河溝的斷面形態(tài)來確定的。一、水流通過小橋的圖式當(dāng)橋孔壓縮河槽時(shí)，水流受到橋臺路堤和墩臺的擠壓，橋前水位抬高，產(chǎn)生壅水，橋下水面降低，出現(xiàn)收縮斷面。小橋橋下河槽一般都進(jìn)行鋪砌加固，不會沖刷。通過小橋橋下的水流圖式與寬頂堰相似，按下游天然水深的大小可分為自由式出流與淹沒式出流兩種。第二節(jié)小橋孔徑計(jì)算1、自由式出流小橋下游天然水深深ht≤1.3hk時(shí)，橋下水流圖式式如圖。橋下水深深為橋下河槽的臨臨界水深hk。2、淹沒式出流小橋下游天然水深深ht＞1.3hk時(shí)，橋下的臨界水水深被下游天然水水深水面所淹沒，，橋下水流圖式如如圖。橋下天然水水深為ht。二、小橋孔徑計(jì)算算小橋涵一般不允許河底發(fā)生沖沖刷，可以根據(jù)河床加加固鋪砌的類型，，選擇適當(dāng)?shù)娜菰S許流速作為設(shè)計(jì)流流速。一般采用用試算法確定小橋橋孔徑。。先根據(jù)據(jù)容許流流速與設(shè)設(shè)計(jì)流量量，通過過計(jì)算確確定孔徑徑大小與與壅水高高度，并并與允許許的壅水水高度進(jìn)進(jìn)行比較較，從而而判斷是是否需要要調(diào)整孔孔徑值，，直至達(dá)達(dá)到允許許的壅水水高度。。根據(jù)已知的的設(shè)計(jì)流量量和擬定的的河床容許許流速，計(jì)計(jì)算小橋孔孔徑與橋前前壅水高度度的程序?yàn)闉椋?、判別橋下下水流圖式式1）確定河槽槽天然水深深ht河槽天然水水深ht可根據(jù)已知知設(shè)計(jì)流量量及河槽特特征，用試試算法確定定。先假定一個(gè)個(gè)水深h，慎重選取取河道的粗粗糙系數(shù)，，從河槽橫橫斷面圖上上求得過水水面積A和水力半徑徑R，按公式計(jì)計(jì)算相應(yīng)流流量。若計(jì)算的Q值與設(shè)計(jì)流流量相差一一般不超過過±5%時(shí)，則假定定的水深可可作為天然然水深。否否則，需要要重新假定定水深進(jìn)行行計(jì)算，直直至符合要要求為止。。2）確定橋下臨界界水深hk橋下河槽的臨界界水深hk，可按臨界水深深函數(shù)求得：式中：Ak—橋下河槽臨界水水深對應(yīng)的過水水?dāng)嗝婷娣e；Bk—臨界斷面Ak的水面寬度；Qs—設(shè)計(jì)流量；a—流速分布系數(shù)，，小橋取a=1.0因此任意形狀斷斷面的平均臨界界水深為為：其中vk為臨界流速，計(jì)計(jì)算時(shí)可采用河河床的容許（不不沖刷）流速。。對于矩形斷面的的橋孔，橋下臨臨界水深等于平平均臨界水深，，即hk=，對于寬淺的梯梯形斷面，可可可以取hk≈，對于窄而深的的梯形斷面，臨臨界水深hk可按過水面積相相等的關(guān)系近似似求得。由圖有：臨界斷面水面寬寬度Bk為：3）水流圖式判別別當(dāng)ht≤1.3hk時(shí)，自由式出流流；當(dāng)ht＞1.3hk時(shí)，淹沒式出流流。2、確定小橋孔徑徑長度L1）自由式出流考慮橋臺和橋墩墩側(cè)向擠壓水流流對橋下過水面面積減小的影響響，則計(jì)算需要要的橋下水面寬寬度B時(shí)，應(yīng)引入水流流擠壓系數(shù)：：B—橋下需要水面寬寬度，—擠壓系數(shù)；見表表9-2-2；N—橋墩個(gè)數(shù)；d—橋墩寬度。若橋孔斷面為矩矩形，則橋孔長長度L=B；若橋孔斷面為梯梯形，則橋孔長長度為：L—小橋的孔徑長度度；m—橋臺處錐坡的邊邊坡系數(shù)；△h—小橋上部結(jié)構(gòu)底底面高出水面的的高度。2）淹沒式出流下游天然水深ht＞1.3hk時(shí)，橋下河槽被被下游水流淹沒沒，橋下過水?dāng)鄶嗝娴乃顬閔t,則橋下過水?dāng)嗝婷嫫骄鶎挾葹椋海築0—橋下過水?dāng)嗝娴牡钠骄鶎挾?；Vbc—河床的容許（不不沖刷）流速。。若橋孔斷面為矩矩形，則橋孔長長度L=B0；若橋孔斷面為梯梯形，則橋孔長長度為：如果橋孔軸線與與水流方向斜交交，交角為a，則斜交橋孔孔長度La為：根據(jù)計(jì)算得到到的橋孔長度度L選用標(biāo)準(zhǔn)跨徑徑，兩者相差差應(yīng)小于或等等于10%，否則，需根根據(jù)確定采用用的橋孔長度度反求橋下流流速和臨界水水深，復(fù)核水水流圖式。3、確定橋前水水深H1）橋下為自由由式出流時(shí)，，橋前水深H按下式計(jì)算：：H—橋前水深；—流速系數(shù)，見見表9-2-2；vH—水深為H的橋前斷面的的行進(jìn)流速。。2）橋下為淹沒沒式出流是，，橋前水深H按下式計(jì)算：：V—由采用的橋孔孔長度計(jì)算的的橋下流速。。4、確定路基和和橋面最低高高程按圖9-2-6可得：橋頭路基最低低高程=河床最低點(diǎn)高高程+H+△按圖9-2-7可得：橋面最低高程程=河床最低點(diǎn)高高程+H+J+D涵洞和小橋相相比，特點(diǎn)是是孔徑小、孔孔道長，河底底往往具有較較大的縱坡，，涵前水深可可以高于涵洞洞高度。一、水流通過過涵洞的水力力圖式根據(jù)涵洞出水水口是否被下下游水面淹沒沒，可分為自自由式出流與與淹沒式出流流兩類。按涵洞進(jìn)水口口建筑形式不不同與涵前水水頭高低，水水流通過涵洞洞可分為無壓壓力式、半壓壓力式、壓力力式三種水力力計(jì)算圖式。。第三節(jié)涵洞洞孔徑計(jì)算1、無壓力式當(dāng)涵洞的進(jìn)水水口建筑為普普通型，而涵涵前水深H≤1.2hT時(shí)，或者進(jìn)水水口建筑為流流線型，而涵涵前水深H≤1.4hT時(shí)，水水流在在進(jìn)水水口處處受到到側(cè)向向束窄窄，水水面急急劇下下降，，在洞洞口不不遠(yuǎn)處處形成成一個(gè)個(gè)收縮縮斷面面，水水流流流經(jīng)全全涵洞洞均保保持自自由水水面，，稱為為無壓壓力式式水流流狀態(tài)態(tài)。2、半壓力力式當(dāng)涵洞洞的進(jìn)進(jìn)水口口建筑筑為普普通型型，且且水流流充滿滿進(jìn)口口，涵涵前水水深H＞1.2hT時(shí)，但但收縮縮斷面面以后后在整整個(gè)涵涵洞內(nèi)內(nèi)都具具有自自由水水面，，稱為為半壓壓力式式水流流狀態(tài)態(tài)。3.壓力式當(dāng)涵洞的的進(jìn)水口口建筑為為流線型型，而涵涵前水深深H＞14hT,且涵底縱縱坡i＜iw，或者下下游洞口口被掩埋埋時(shí)，則則整個(gè)涵涵洞的斷斷面都充充滿水流流，稱為為壓力式式水流狀狀態(tài)。二、涵洞孔徑徑計(jì)算1、無壓力式涵涵洞進(jìn)行涵洞計(jì)算算時(shí)，根據(jù)涵涵洞的實(shí)際工工作情況，作作了下列規(guī)定定和假設(shè)：（1）無壓力式涵涵洞進(jìn)水口處處，涵內(nèi)的最最高水面與涵涵洞頂之間要要保持一個(gè)最最小凈空高度度△。對于蓋板涵、、箱涵：進(jìn)水口凈高h(yuǎn)＜2.0m時(shí)，△=0.10m；h≥2.0m時(shí)，△=0.25m。對于磚、石、、混凝土拱涵涵：涵洞凈高h(yuǎn)T≤1.0m時(shí)，△=0.10m；hT=1.0~2.0m時(shí)，△=0.15m；hT＞2m時(shí)，△=0.25m。（2）從涵前水深深H到進(jìn)口水深H’的降落系數(shù)取取0.87，則：（3）收縮斷面的的水深hc=0.9hk，涵前的行進(jìn)進(jìn)流速v0≈0，即H0≈H。（4）涵洞出口處處或收縮斷面面處的最大允允許流速vmax規(guī)定為：凈跨L0=0.5~1.5m的拱涵、蓋板板涵，vmax=4.5m/s，凈跨L0=2.0~4.0m的拱涵、蓋板板涵、圓管涵涵，vmax=6.0m/s無壓力式涵洞洞基本公式為為：2、半壓力式涵涵洞半壓力式涵洞洞的水力計(jì)算算，常以涵前前斷面和進(jìn)口口收縮斷面作作為計(jì)算斷面面，根據(jù)能量量方程來推算算流量和涵前前水深。其基基本公式為：：3、壓力式涵洞洞為充分利用斷斷面，達(dá)到縮縮小孔徑的目目的，壓力式式涵洞一般采采用進(jìn)水口升升高式的洞口口建筑，使涵涵頂與水流線線形基本一致致。基本公式式為：涵洞處的路基最低低高程應(yīng)高出涵前前水深以上至少50cm。為避免涵洞進(jìn)口路路基浸水和進(jìn)出口口流速計(jì)沖刷過大大，一般不采用壓力式式涵洞。一、小橋和涵洞類類型的選擇公路小橋和涵洞的的類型的選擇應(yīng)根根據(jù)路線等級，結(jié)結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡匦?、、水文、材料、施施工等條件，按照照安全、適用、經(jīng)經(jīng)濟(jì)、就地取材、、便于施工與養(yǎng)護(hù)護(hù)的原則來選用。。第四節(jié)小橋和涵涵洞的進(jìn)出口處理理1、小橋和涵洞的選選擇小橋和涵洞的選用用，主要根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)流量、路堤高度度、河床縱坡以及及建筑材料等確定定。當(dāng)跨越常年有水但但流量較少，或季季節(jié)性水流且漂浮浮物和上游泥沙運(yùn)運(yùn)動較少，路堤高高度能夠滿足壅水水高度和宣泄設(shè)計(jì)計(jì)流量的要求時(shí)，，宜采用涵洞；當(dāng)設(shè)計(jì)流量大，，或河道漂浮物物和泥沙運(yùn)動較較多，或河溝地地處陡峭深谷并并填土過高時(shí)，，都應(yīng)采用小橋。2、涵洞類型的選選擇涵洞由洞身、洞口、基基礎(chǔ)三個(gè)部分組成。。洞身主要承受涵洞上上填土的垂直與與側(cè)向的土壓力力以及活載壓力力。洞口用以連接洞身與與上下游水道，，使水流能順暢暢地通過洞身，，并保證洞口周周圍的路基邊坡坡免遭沖刷?；A(chǔ)把涵洞所受的荷荷載均勻地分布布和傳遞到土基基上，并使地基基免受水流的直直接沖刷。根據(jù)涵洞洞身的的構(gòu)造形式不同同，涵洞可分為為圓管涵、拱涵、、蓋板涵和箱涵涵等。1）圓管涵圓管涵孔徑一般般為0.5~2.0m，最小填土厚度度50cm，受力情況良好好，圬工數(shù)量少少，造價(jià)較低。。多孔時(shí)不宜超超過三孔。2）蓋板板涵由于蓋蓋板涵涵建筑筑高度度較低低，適適于低低路基基地段段使用用，一一般用用作明明涵。。在盛盛產(chǎn)條條石的的地方方，采采用石石蓋板板涵較較經(jīng)濟(jì)濟(jì)，一一般只只適用用于小小跨徑徑的明明涵或或暗涵涵。當(dāng)當(dāng)跨徑徑要求求較大大時(shí)，，可采采用鋼鋼筋混混凝土土蓋板板涵。。3）拱涵涵一般超超載潛潛力較較大，，砌筑筑技術(shù)術(shù)易掌掌握，，養(yǎng)護(hù)護(hù)費(fèi)用用低，，便于于就地地取材材。4）箱涵涵適用于于軟土土地基基，但但施工工困難難，造造價(jià)較較高，，一般般不常常采用用。高高速公公路的的通道道多采采用箱箱涵。。5）倒虹虹吸管管在路基基填土土不高高，路路線兩兩側(cè)水水深高高于路路基高高度，，或在在淺路路塹處處，可可采用用倒虹虹吸管管。施工中中的圓圓管涵涵圓管涵涵蓋板涵涵預(yù)制的的排水水拱涵涵箱涵3、涵洞洞洞口口形式式的選選擇涵洞洞洞口建建筑形形式必必須根根據(jù)涵涵洞類類型、、河床床及洞洞口附附近的的地形形和地地質(zhì)條條件、、水流流特征征等合合理選選擇。。常見的建筑形式：：八字翼墻式、錐形形護(hù)坡式、一字墻墻護(hù)坡、跌水井式式及流線型洞口等。1）八字翼墻式或錐錐形護(hù)坡式洞口適用于平坦順直、河溝較較寬、縱斷面高差差變化不大的河溝溝和孔徑有一定壓壓縮的情況。具有有水力條件較好、、工程量小、施工工簡單、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)涵洞高度在5m以下時(shí)，八字翼墻墻式較錐形護(hù)坡式式更為經(jīng)濟(jì)。2）一字墻護(hù)坡洞口口構(gòu)造簡單，工程量量小。適用于邊坡規(guī)則的人工渠渠道或在窄而深、、河床縱斷面變化化不大的天然河溝溝上采用。3）跌水井式洞口在排出傍山較長距距離內(nèi)的邊溝及截截水溝的水時(shí)，由由于進(jìn)水口涵底低低于邊溝底，就需需設(shè)邊溝跌水井洞洞口。具有效能和和沉淀泥沙的作用用。4）流線型洞口當(dāng)涵洞進(jìn)水口端節(jié)節(jié)升高，立面上形形成流線型。當(dāng)用用于壓力式涵洞時(shí)時(shí)，可使涵內(nèi)充滿滿水；當(dāng)用于無壓壓力式涵洞時(shí)，可可有效地提高涵洞洞的泄水能力。5）斜交涵洞洞口當(dāng)涵洞與路線斜交交時(shí)，洞口布置常常見的有兩種方法法：斜交正做洞口和斜交斜做洞口。二、涵洞進(jìn)出口溝溝床的處理涵洞進(jìn)出口溝床的的處理與涵洞本身身設(shè)置的坡度和涵涵洞上下游河溝的的縱坡有關(guān)，加固固防護(hù)類型應(yīng)根據(jù)據(jù)土質(zhì)和流速而定定。1、進(jìn)水洞口溝床加加固處理1）緩坡涵洞進(jìn)水口口溝床加固①在縱坡小于10%的順直河溝上，涵涵洞常順河溝縱坡坡設(shè)置，進(jìn)水洞口口一般在翼墻間采用干砌片石鋪砌砌加固。對流速較小、孔孔徑較大的多孔涵涵洞，可采用U形鋪砌式。②當(dāng)涵前天然河溝縱縱坡為10%~40%時(shí)，進(jìn)口處開挖溝溝槽的縱坡可取1:4~1:10。除巖石地質(zhì)外，，新開挖的溝底、、河槽側(cè)向邊坡以以及路基邊坡均需鋪砌加固。由于涵前溝底縱縱坡較大，水流在在進(jìn)口處產(chǎn)生水躍躍，應(yīng)在進(jìn)口前設(shè)設(shè)置一段緩坡，其其長度約為1~2倍的涵洞孔徑。當(dāng)當(dāng)水流攜帶泥沙較較多時(shí)，可在進(jìn)口口處設(shè)約0.5m的沉沙池，既能沉沉淀泥沙，又可以以起到消能的作用用。緩坡涵洞進(jìn)水口溝溝底及溝槽邊坡加加固a)緩坡涵前設(shè)置較陡陡縱坡b)緩坡涵前設(shè)沉沙池池2）陡坡涵洞進(jìn)水口口溝床加固①當(dāng)涵前河溝縱坡坡大于50%，且水流流速很大大時(shí)，涵洞進(jìn)口處處需設(shè)置急流槽或跌跌水等消能設(shè)施。上游溝槽為非巖巖石土基時(shí)，開挖挖縱坡一般可取1:1~1:2，以確保溝床穩(wěn)定定。當(dāng)上游溝槽做做成梯形斷面時(shí)，，應(yīng)對溝壁進(jìn)行鋪鋪砌加固，如圖9-4-6a所示。當(dāng)上游溝槽槽做成矩形斷面的的急流槽時(shí)，兩側(cè)側(cè)邊墻厚度一般采采用40cm，槽寬等于涵洞孔孔徑,如圖9-4-6b所示。為保證急流流槽的穩(wěn)定，槽底底宜每隔150~200cm設(shè)置防滑墻一道。。②當(dāng)涵洞及涵前均應(yīng)應(yīng)位于良好的巖石石地基上，并且水水流流量不大、涵涵前縱坡很陡時(shí)，，上游開挖坡度可可取1:1~1:0.2的陡坡，采用水流直接沿陡陡坡直瀉入涵的形形式。如圖9-4-6c所示。2、溝床加固防護(hù)涵洞出水口處的流流速一般都大于河河溝的天然流速，，常引起出水洞口口產(chǎn)生水害。因此此應(yīng)對涵洞出水口口處的河床進(jìn)行加加固防護(hù)。1）緩坡涵洞（洞底底坡度小于5%）出水口處理①當(dāng)河溝縱坡小于于5%，出水口流速不大大，出水口可采采用延長鋪砌、加深截截水墻的處理方法。延長鋪砌加深截水水墻加固形式②在無壓力式涵洞下下游，為了減少水水流沖刷和穩(wěn)定河河床，實(shí)踐證明，，在涵洞出口處處采用八字翼墻配以挑坎坎，可有效防止末端端的沖刷。三級挑坎的一般布布置形式2）陡坡涵洞洞（涵洞洞底坡大大于5%）出水口口處理當(dāng)天然河河溝的縱縱坡大于于5%，涵洞出出水洞口口一般采采用八字翼墻墻，同時(shí)應(yīng)應(yīng)視地形形、地質(zhì)質(zhì)和水利利條件，，采用急流槽、、跌水、、消力