橋梁工程結(jié)構(gòu)設(shè)計常用計算書實例份二

第九章小橋和涵洞孔徑計算第9章小橋和涵洞孔徑計算公路在跨越河溝、溪谷和灌溉渠道時，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，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)計流量、河床特性及河床進出口加固類型所允許的平均流速等來確定。小橋涵孔徑計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)施等情況進行勘測和調(diào)查，為橋涵設(shè)計以及水力計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?shù)貧庀笳灸?、月平均降雨量，暴雨強度和所持續(xù)時間，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、施工和養(yǎng)護部門搜集有關(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、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。當匯水區(qū)很小時，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，進入彎道前的縱坡大于4%，在彎道起（終）點附近應(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，在具有天然縱坡地段，可適當多設(shè)置涵洞，以防排水不暢及長期積水。③路線靠近村莊時，要注意設(shè)置涵洞，以便及時排除村內(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、就地取材、便于施工和養(yǎng)護等條件確定。橋涵孔徑是根據(jù)設(shè)計流量，通過水力計算，并根據(jù)小橋和涵洞所在河溝的斷面形態(tài)來確定的。一、水水流通通過小小橋的的圖式式當橋孔孔壓縮縮河槽槽時，，水流流受到到橋臺臺路堤堤和墩墩臺的的擠壓壓，橋橋前水水位抬抬高，，產(chǎn)生生壅水水，橋橋下水水面降降低，，出現(xiàn)現(xiàn)收縮縮斷面面。小橋橋橋下河河槽一一般都都進行行鋪砌砌加固固，不不會沖沖刷。。通過過小橋橋橋下下的水水流圖圖式與與寬頂頂堰相相似，，按下下游天天然水水深的的大小小可分分為自自由式式出流流與淹淹沒式式出流流兩種種。第二節(jié)節(jié)小小橋孔孔徑計計算1、自自由式式出流流小橋下下游天天然水水深ht≤≤1.3hk時時，橋橋下水水流圖圖式如如圖。。橋下下水深深為橋橋下河河槽的的臨界界水深深hk。2、淹淹沒式式出流流小橋下下游天天然水水深ht＞＞1.3hk時時，橋橋下的的臨界界水深深被下下游天天然水水深水水面所所淹沒沒，橋橋下水水流圖圖式如如圖。。橋下下天然然水深深為ht。。二、小小橋孔孔徑計計算小橋涵涵一般般不允許許河底底發(fā)生生沖刷刷，可以以根據(jù)據(jù)河床床加固固鋪砌砌的類類型，，選擇擇適當當?shù)娜萑菰S流流速作作為設(shè)設(shè)計流流速。。一般采采用試算法法確定小小橋孔孔徑。。先根根據(jù)容容許流流速與與設(shè)計計流量量，通通過計計算確確定孔孔徑大大小與與壅水水高度度，并并與允允許的的壅水水高度度進行行比較較，從從而判判斷是是否需需要調(diào)調(diào)整孔孔徑值值，直直至達達到允允許的的壅水水高度度。根據(jù)已已知的的設(shè)計計流量量和擬擬定的的河床床容許許流速速，計計算小小橋孔孔徑與與橋前前壅水水高度度的程程序為為：1、判判別橋橋下水水流圖圖式1）確確定河河槽天天然水水深ht河槽天天然水水深ht可可根據(jù)據(jù)已知知設(shè)計計流量量及河河槽特特征，，用試試算法法確定定。先假定定一個個水深深h，，慎重重選取取河道道的粗粗糙系系數(shù)，，從河河槽橫橫斷面面圖上上求得得過水水面積積A和和水力力半徑徑R，，按公公式計計算相相應(yīng)流流量。。若計算算的Q值與與設(shè)計計流量量相差差一般般不超超過±±5%時，，則假假定的的水深深可作作為天天然水水深。。否則則，需需要重重新假假定水水深進進行計計算，，直至至符合合要求求為止止。2）確確定橋橋下臨臨界水水深hk橋下河河槽的的臨界界水深深hk，可可按臨臨界水水深函函數(shù)求求得：：式中：：Ak—橋橋下河河槽臨臨界水水深對對應(yīng)的的過水水斷面面面積積；Bk——臨界界斷面面Ak的水水面寬寬度；；Qs——設(shè)計計流量量；a——流速速分布布系數(shù)數(shù)，小小橋取取a=1.0因此任任意形形狀斷斷面的的平均均臨界界水深深為為：其中vk為為臨界界流速速，計計算時時可采采用河河床的的容許許（不不沖刷刷）流流速。。對于矩矩形斷斷面的的橋孔孔，橋橋下臨臨界水水深等等于平平均臨臨界水水深，，即hk=，，對于于寬淺淺的梯梯形斷斷面，，可可可以取取hk≈，，對于于窄而而深的的梯形形斷面面，臨臨界水水深hk可可按過過水面面積相相等的的關(guān)系系近似似求得得。由圖有有：臨界斷斷面水水面寬寬度Bk為為：3）水水流圖圖式判判別當ht≤1.3hk時，，自由由式出出流；；當ht＞1.3hk時，，淹沒沒式出出流。。2、確確定小小橋孔孔徑長長度L1）自自由式式出流流考慮橋橋臺和和橋墩墩側(cè)向向擠壓壓水流流對橋橋下過過水面面積減減小的的影響響，則則計算算需要要的橋橋下水水面寬寬度B時，，應(yīng)引引入水水流擠擠壓系系數(shù)：：B—橋橋下需需要水水面寬寬度，，—擠壓壓系數(shù)數(shù)；見見表9-2-2；N—橋橋墩個個數(shù)；；d——橋墩墩寬度度。若橋孔孔斷面面為矩矩形，，則橋橋孔長長度L=B；若橋孔孔斷面面為梯梯形，，則橋橋孔長長度為為：L—小小橋的的孔徑徑長度度；m——橋臺臺處錐錐坡的的邊坡坡系數(shù)數(shù)；△h——小小橋上上部結(jié)結(jié)構(gòu)底底面高高出水水面的的高度度。2）淹淹沒式式出流流下游天天然水水深ht＞＞1.3hk時時，橋橋下河河槽被被下游游水流流淹沒沒，橋橋下過過水斷斷面的的水深深為ht,則橋橋下過過水斷斷面平平均寬寬度為為：B0——橋下下過水水斷面面的平平均寬寬度；；Vbc—河河床的的容許許（不不沖刷刷）流流速。。若橋孔孔斷面面為矩矩形，，則橋橋孔長長度L=B0；若橋孔孔斷面面為梯梯形，，則橋橋孔長長度為為：如果橋橋孔軸軸線與與水流流方向向斜交交，交交角為為a，，則斜斜交橋橋孔長長度La為為：根據(jù)計計算得得到的的橋孔孔長度度L選選用標標準跨跨徑，，兩者者相差差應(yīng)小小于或或等于于10%，，否則則，需需根據(jù)據(jù)確定定采用用的橋橋孔長長度反反求橋橋下流流速和和臨界界水深深，復(fù)復(fù)核水水流圖圖式。。3、確確定橋橋前水水深H1）橋橋下為為自由由式出出流時時，橋橋前水水深H按下下式計計算：：H—橋橋前水水深；；—流速速系數(shù)數(shù)，見見表9-2-2；vH——水深深為H的橋橋前斷斷面的的行進進流速速。2）橋橋下為為淹沒沒式出出流是是，橋橋前水水深H按下下式計計算：：V—由由采用用的橋橋孔長長度計計算的的橋下下流速速。4、確確定路路基和和橋面面最低低高程程按圖9-2-6可得得：橋頭路路基最最低高高程=河床床最低低點高高程+H+△按圖9-2-7可得得：橋面最最低高高程=河床床最低低點高高程+H+J+D涵洞和和小橋橋相比比，特特點是是孔徑徑小、、孔道道長，，河底底往往往具有有較大大的縱縱坡，，涵前前水深深可以以高于于涵洞洞高度度。一、水水流通通過涵涵洞的的水力力圖式式根據(jù)涵涵洞出出水口口是否否被下下游水水面淹淹沒，，可分分為自自由式式出流流與淹淹沒式式出流流兩類類。按涵洞洞進水水口建建筑形形式不不同與與涵前前水頭頭高低低，水水流通通過涵涵洞可可分為為無壓壓力式式、半半壓力力式、、壓力力式三三種水水力計計算圖圖式。。第三節(jié)節(jié)涵涵洞孔孔徑計計算1、無無壓力力式當涵洞的的進水口口建筑為為普通型型，而涵涵前水深深H≤1.2hT時，或者者進水口口建筑為為流線型型，而涵涵前水深深H≤1.4hT時，水流流在進水水口處受受到側(cè)向向束窄，，水面急急劇下降降，在洞洞口不遠遠處形成成一個收收縮斷面面，水流流流經(jīng)全全涵洞均均保持自自由水面面，稱為為無壓力力式水流流狀態(tài)。。2、半壓力式式當涵洞的的進水口口建筑為為普通型型，且水水流充滿滿進口，，涵前水水深H＞＞1.2hT時，但收收縮斷面面以后在在整個涵涵洞內(nèi)都都具有自自由水面面，稱為為半壓力力式水流流狀態(tài)。。3.壓壓力式當涵洞的的進水口口建筑為為流線型型，而涵涵前水深深H＞14hT,且涵涵底縱坡坡i＜iw，或或者下游游洞口被被掩埋時時，則整整個涵洞洞的斷面面都充滿滿水流，，稱為壓壓力式水水流狀態(tài)態(tài)。二、涵洞洞孔徑計計算1、無壓壓力式涵涵洞進行涵洞洞計算時時，根據(jù)據(jù)涵洞的的實際工工作情況況，作了了下列規(guī)規(guī)定和假假設(shè)：（1）無無壓力式式涵洞進進水口處處，涵內(nèi)內(nèi)的最高高水面與與涵洞頂頂之間要要保持一一個最小小凈空高高度△。。對于蓋板板涵、箱箱涵：進水口凈凈高h＜＜2.0m時，，△=0.10m；h≥2.0m時時，△=0.25m。。對于磚、、石、混混凝土拱拱涵：涵洞凈高高hT≤≤1.0m時，，△=0.10m；hT=1.0~2.0m時，，△=0.15m；hT＞2m時，，△=0.25m。（2）從從涵前水水深H到到進口水水深H’’的降落落系數(shù)取取0.87，則則：（3）收收縮斷面面的水深深hc=0.9hk，，涵前的的行進流流速v0≈0，即即H0≈H。（4）涵涵洞出口口處或收收縮斷面面處的最最大允許許流速vmax規(guī)定為：：凈跨L0=0.5~1.5m的的拱涵、、蓋板涵涵，vmax=4.5m/s，凈跨L0=2.0~4.0m的的拱涵、、蓋板涵涵、圓管管涵，vmax=6.0m/s無壓力式式涵洞基基本公式式為：2、半壓壓力式涵涵洞半壓力式式涵洞的的水力計計算，常常以涵前前斷面和和進口收收縮斷面面作為計計算斷面面，根據(jù)據(jù)能量方方程來推推算流量量和涵前前水深。。其基本本公式為為：3、壓力力式涵洞洞為充分利利用斷面面，達到到縮小孔孔徑的目目的，壓壓力式涵涵洞一般般采用進進水口升升高式的的洞口建建筑，使使涵頂與與水流線線形基本本一致。?；竟綖椋海汉刺幍牡穆坊钭畹透叱坛虘?yīng)高出出涵前水水深以上上至少50cm。為避免涵涵洞進口口路基浸浸水和進進出口流流速計沖沖刷過大大，一般不采采用壓力力式涵洞洞。一、小橋橋和涵洞洞類型的的選擇公路小橋橋和涵洞洞的類型型的選擇擇應(yīng)根據(jù)據(jù)路線等等級，結(jié)結(jié)合當?shù)氐氐牡匦涡?、水文文、材料料、施工工等條件件，按照照安全、、適用、、經(jīng)濟、、就地取取材、便便于施工工與養(yǎng)護護的原則則來選用用。第四節(jié)小小橋和和涵洞的的進出口口處理1、小橋橋和涵洞洞的選擇擇小橋和涵涵洞的選選用，主主要根據(jù)據(jù)設(shè)計流流量、路路堤高度度、河床床縱坡以以及建筑筑材料等等確定。。當跨越常常年有水水但流量量較少，，或季節(jié)節(jié)性水流流且漂浮浮物和上上游泥沙沙運動較較少，路路堤高度度能夠滿滿足壅水水高度和和宣泄設(shè)設(shè)計流量量的要求求時，宜宜采用涵洞；當設(shè)計流流量大，，或河道道漂浮物物和泥沙沙運動較較多，或或河溝地地處陡峭峭深谷并并填土過過高時，，都應(yīng)采采用小橋。2、涵洞洞類型的的選擇涵洞由洞身、洞洞口、基基礎(chǔ)三個部分組成成。洞身主要承受涵洞洞上填土的垂垂直與側(cè)向的的土壓力以及及活載壓力。。洞口用以連接洞身身與上下游水水道，使水流流能順暢地通通過洞身，并并保證洞口周周圍的路基邊邊坡免遭沖刷刷。基礎(chǔ)把涵洞所受的的荷載均勻地地分布和傳遞遞到土基上，，并使地基免免受水流的直直接沖刷。根據(jù)涵洞洞身身的構(gòu)造形式式不同，涵洞洞可分為圓管涵、拱涵涵、蓋板涵和和箱涵等。1）圓管涵圓管涵孔徑一一般為0.5~2.0m，最小填土土厚度50cm，受力情情況良好，圬圬工數(shù)量少，，造價較低。。多孔時不宜宜超過三孔。。2）蓋板涵由于蓋板涵建建筑高度較低低，適于低路路基地段使用用，一般用作作明涵。在盛盛產(chǎn)條石的地地方，采用石石蓋板涵較經(jīng)經(jīng)濟，一般只只適用于小跨跨徑的明涵或或暗涵。當跨跨徑要求較大大時，可采用用鋼筋混凝土土蓋板涵。3）拱涵一般超載潛力力較大，砌筑筑技術(shù)易掌握握，養(yǎng)護費用用低，便于就就地取材。4）箱涵適用于軟土地地基，但施工工困難，造價價較高，一般般不常采用。。高速公路的的通道多采用用箱涵。5）倒虹吸管管在路基填土不不高，路線兩兩側(cè)水深高于于路基高度，，或在淺路塹塹處，可采用用倒虹吸管。。施工中的圓管管涵圓管涵蓋板涵預(yù)制的排水拱拱涵箱涵3、涵洞洞口口形式的選擇擇涵洞洞口建筑筑形式必須根根據(jù)涵洞類型型、河床及洞洞口附近的地地形和地質(zhì)條條件、水流特特征等合理選選擇。常見的建筑形形式：八字翼墻式、、錐形護坡式式、一字墻護護坡、跌水井井式及流線型型洞口等。1）八字翼墻墻式或錐形護護坡式洞口適用于平坦順直、河河溝較寬、縱縱斷面高差變變化不大的河河溝和孔徑有有一定壓縮的的情況。具有有水力條件較較好、工程量量小、施工簡簡單、經(jīng)濟等等優(yōu)點。當涵洞高度度在5m以下下時，八字翼翼墻式較錐形形護坡式更為為經(jīng)濟。2）一字墻護護坡洞口構(gòu)造簡單，工工程量小。適用于邊坡規(guī)則的人人工渠道或在在窄而深、河河床縱斷面變變化不大的天天然河溝上采采用。3）跌水井式式洞口在排出傍山較較長距離內(nèi)的的邊溝及截水水溝的水時，，由于進水口口涵底低于邊邊溝底，就需需設(shè)邊溝跌水水井洞口。具具有效能和沉沉淀泥沙的作作用。4）流線型洞洞口當涵洞進水口口端節(jié)升高，，立面上形成成流線型。當當用于壓力式式涵洞時，可可使涵內(nèi)充滿滿水；當用于于無壓力式涵涵洞時，可有有效地提高涵涵洞的泄水能能力。5）斜交涵洞洞洞口當涵洞與路線線斜交時，洞洞口布置常見見的有兩種方方法：斜交正做洞口和斜交斜做洞口。二、涵洞進出出口溝床的處處理涵洞進出口溝溝床的處理與與涵洞本身設(shè)設(shè)置的坡度和和涵洞上下游游河溝的縱坡坡有關(guān)，加固固防護類型應(yīng)應(yīng)根據(jù)土質(zhì)和和流速而定。。1、進水洞口口溝床加固處處理1）緩坡涵洞洞進水口溝床床加固①在縱坡小于于10%的順順直河溝上，，涵洞常順河河溝縱坡設(shè)置置，進水洞口口一般在翼墻墻間采用干砌片石石鋪砌加固。對流速較小小、孔徑較大大的多孔涵洞洞，可采用U形鋪砌式。。②當涵前天然然河溝縱坡為為10%~40%時，進進口處開挖溝溝槽的縱坡可可取1:4~1:10。。除巖石地質(zhì)質(zhì)外，新開挖挖的溝底、河河槽側(cè)向邊坡坡以及路基邊邊坡均需鋪砌加固固。由于涵前溝溝底縱坡較大大，水流在進進口處產(chǎn)生水水躍，應(yīng)在進進口前設(shè)置一一段緩坡，其其長度約為1~2倍的涵涵洞孔徑。當當水流攜帶泥泥沙較多時，，可在進口處處設(shè)約0.5m的沉沙池池，既能沉淀淀泥沙，又可可以起到消能能的作用。緩坡涵洞進水水口溝底及溝溝槽邊坡加固固a)緩坡涵前前設(shè)置較陡縱縱坡b)緩坡涵前前設(shè)沉沙池2）陡坡涵洞洞進水口溝床床加固①當涵前河溝溝縱坡大于50%，且水水流流速很大大時，涵洞進進口處需設(shè)置急流槽槽或跌水等消消能設(shè)施。上游溝槽為為非巖石土基基時，開挖縱縱坡一般可取取1:1~1:2，以確確保溝床穩(wěn)定定。當上游溝溝槽做成梯形形斷面時，應(yīng)應(yīng)對溝壁進行行鋪砌加固，，如圖9-4-6a所示示。當上游溝溝槽做成矩形形斷面的急流流槽時，兩側(cè)側(cè)邊墻厚度一一般采用40cm，槽寬寬等于涵洞孔孔徑,如圖9-4-6b所示。為保保證急流槽的的穩(wěn)定，槽底底宜每隔150~200cm設(shè)置防防滑墻一道。。②當涵洞及涵涵前均應(yīng)位于于良好的巖石石地基上，并并且水流流量量不大、涵前前縱坡很陡時時，上游開挖挖坡度可取1:1~1:0.2的陡陡坡，采用水流直接接沿陡坡直瀉瀉入涵的形式式。如圖9-4-6c所示。。2、溝床加固固防護涵洞出水口處處的流速一般般都大于河溝溝的天然流速速，常引起出出水洞口產(chǎn)生生水害。因此此應(yīng)對涵洞出出水口處的河河床進行加固固防護。1）緩坡涵洞洞（洞底坡度度小于5%））出水口處理理①當河溝縱坡坡小于5%，，出水口流速速不大，出出水口可采用用延長鋪砌、加加深截水墻的處理方法。。延長鋪砌加深深截水墻加固固形式②在無壓力式式涵洞下游