《城市防洪防澇規(guī)劃與設計》課件 第8章 交叉構筑物

城市防洪防澇規(guī)劃與設計第8

章

交叉構筑物橋

梁涵洞及涵閘引道及通行閘目

錄ONTENS8.1橋

梁8.1.1

總體布置和構造要求 （1）橋梁的等級應根據(jù)交叉的道路或防洪堤堤頂使用功能確定。（2）橋梁的防洪標準除滿足橋梁自身的防洪標準外，還應不低于跨越排洪溝渠的防洪標準，并考慮橋位上不受壅水的影響。（3）橋型選擇應根據(jù)其等級、使用功能、位置及防洪要求等因素確定。（4）橋下凈空應不小于表內(nèi)所列數(shù)據(jù)。橋下凈空是指橋梁部位高出設計洪水位（包括壅水高和浪高）的高度。無鉸拱橋允許被設計洪水淹沒，但一般不超過拱圈失高的2/3，拱頂?shù)酌嬷猎O計洪水位的凈高不少于1.0

m。橋梁部位橋下凈空/m橋梁部位橋下凈空/m梁底0.5拱腳0.25支撐墊石頂面0.25木橋梁底0.25橋下凈空值橋下凈空值計算速度/（km/h）12010080604020～30橋頭引道直線長度/m10080604020108.1.1

總體布置和構造要求 （5）橋上線型及橋頭引道要保持平順，使車輪平穩(wěn)通過。直線段上的橋梁兩端引道的直線長度。（6）橋上縱坡不宜超過4%，橋頭引道縱坡不宜大于5%，位于城市混合交通繁忙處，橋上縱坡和橋頭引道縱坡不宜大于3%。橋上線型及其與公路的銜接，可按路線要求布置。（7）橋附近的路肩標高均須高于橋梁壅水水位至少0.5

m。（8）橋面鋪裝可采用多種碎石、瀝青表面處置、混凝土和瀝青混凝土等。裝配式橋梁的混凝土鋪裝層內(nèi)宜配置鋼筋網(wǎng)。木橋面鋪裝可采用瀝青表面處置或多種碎（礫）石面層。（9）為了便于橋面排水，橋面應根據(jù)不同類型的橋面鋪裝設置1.5%～3.0%的橫坡，并在行車道兩側(cè)適當長度內(nèi)設置排水管，人行道設置向行車道傾斜的1%橫坡。（10）橋面寬度應根據(jù)道路的等級確定，四級和四級以上的道路，橋面凈寬可按表選用。橋面凈寬公路等級橋面凈寬/m公路等級橋面凈寬/m一凈-15或2凈-7.5+分車帶三凈-7二凈-9或凈-7四凈-7或凈-4.58.1.2

橋梁孔徑計算 1．出流狀態(tài)（1）自由出流狀態(tài)：橋下游水深等于或小于1.3倍的橋下臨界水深

，即?「

≤

?廠。此時，在橋的下游出口處渠道水面不會影響橋下的水面標高。這種狀態(tài)也稱為臨界狀態(tài)。（2）非自由出流狀態(tài)：橋下游水深大于1.3倍的橋下臨界水深

，即

?「

>

?廠

。自由出流狀態(tài)非自由出流狀態(tài)8.1.2

橋梁孔徑計算 2．判別出流狀態(tài)1）橋下游水深?「和流速??「的確定2）橋下臨界水深計算3）判別出流狀態(tài)在確定了橋下臨界水深?廠后，即可判別出流狀態(tài)。當?「

≤

?廠時，橋下水流為自由出流狀態(tài)。當?「

>

?廠時，橋下水流為非自由出流狀態(tài)，一般橋下過流最好不出現(xiàn)非自由出流狀態(tài)。3．橋孔徑??的計算1）自由出流狀態(tài)（1）橋孔為矩形斷面：單孔多孔??——橋孔凈寬（m）；??——橋孔總寬（m）；??——設計流量（m3/s）；??——擠壓系數(shù)；??——中墩個數(shù)；??——中墩寬度（m）。8.1.2

橋梁孔徑計算 （2）橋孔為梯形斷面：單孔多孔2）非自由出流狀態(tài)（1）橋孔為矩形斷面：單孔多孔（2）橋孔為梯形斷面：單孔多孔n——梯形斷面的邊坡系數(shù)。??「——橋下水深為?「時的流速（m/s）。8.1.2

橋梁孔徑計算 4．橋前壅水高度H計算1）自由出流狀態(tài)2）非自由出流狀態(tài)5．橋孔凈高??n——橋前行進流速（m/s）；??——流速系數(shù)????——橋下凈空值（m）8.2

涵洞及涵閘8.2.1

涵洞布置和構造要求 1．進口段（1）涵洞進口段主要起導流作用，為使水流從渠道中平順通常地流進洞身，一般設置導流翼墻，導流翼墻有喇叭口性狀（扭曲面或直立面）或八字墻形狀，以便水流逐漸縮窄，平順而均勻地流入洞身，并起到保護渠岸不受水流沖刷。（2）為防止洞口前產(chǎn)生沖刷，除在進口段進行護底外，還要根據(jù)水流速度的大小，向上游護砌一段距離。（3）若流速較大時，在導流翼墻起點設置一道垂直渠道斷面的防沖齒墻，其最小埋深為0.5

m。（4）導流翼墻的擴散角β（導流翼墻與涵洞軸線夾角），一般為15°～20°。涵洞布置8.2.1

涵洞布置和構造要求 （6）為擋住洞口頂部土壤，在洞身進口處設置胸墻，與洞口相連的迎水面做成圓弧形。進口胸墻（5）導流翼墻長度不宜小于洞高的3倍。進口翼墻擴散角8.2.1

涵洞布置和構造要求 2．洞

身（1）洞身中軸線要與上下游排洪渠道中軸線在一條直線上，以避免產(chǎn)生偏流，造成洞口處沖刷、淤積和壅水等現(xiàn)象。（2）在排洪渠道穿越公路、鐵路和堤防等構筑物時，為了便于涵洞的平面布置和縮短長度盡量選擇正交。如果上游流速較大，或水流含砂量很大時，宜順原渠道水流方向設置涵洞，不宜強求正交。（3）為防止洞內(nèi)產(chǎn)生淤積，洞身的縱向坡度一般均比排洪渠道稍陡。在地形較平坦處，洞底縱坡不應小于0.4%；但在地形較陡的山坡上涵洞洞底縱坡應根據(jù)地形確定。（4）若洞身縱坡大于5%時，洞底基礎可作成齒坎形狀，以增加抗滑力。（5）山坡很陡時，應在出口處設置支撐墩，以防涵洞下滑。（6）無壓涵洞內(nèi)頂面至設計洪水位凈空值。（7）當涵洞長度為15～30

m時，其內(nèi)徑（或凈高）不宜小于1.0

m；當大于30

m時，其內(nèi)徑不宜小于1.25

m。（8）洞身與進出口導流翼墻和閘室連接處應設變形縫。設在軟土地基上的涵洞，洞身較長時，應考慮縱向變形的影響。（9）建在季節(jié)凍土地區(qū)的涵洞，進出口和洞身兩端基底的埋深，應考慮地基凍脹的影響。8.2.1

涵洞布置和構造要求 齒狀基礎涵洞有支撐墩涵洞進口凈高或內(nèi)徑/m圓管涵拱

涵箱

涵h(huán)≤3＞h/4＞h/4≥h/6h＞3＞0.75≥0.75≥0.5無壓涵洞凈空值（單位：m）8.2.2

涵洞水力計算 1．涵洞水流狀態(tài)的判別判別水流通過涵洞的狀態(tài)，可以起到正確選用各種水流狀態(tài)的計算公式的作用，但由于涵洞水流狀態(tài)的因素比較復雜，要做到精確地確定各種水流狀態(tài)之間的界限是比較困難的。一般是根據(jù)實驗按近似的經(jīng)驗數(shù)值來判別。水流狀態(tài)的判別，可根據(jù)涵洞進口水頭H和洞身凈高?「的比值來確定，其判別條件如下：1）具有各式翼墻的進口（1）洞身為矩形或接近矩形斷面時：2）無翼墻進口（2）洞身為圓形或接近圓形斷面時：8.2.2

涵洞水力計算 3．自由出流時的排洪能力計算1）無壓涵洞的排洪能力計算排洪流量公式為??——涵洞排洪流量（m3/s）；??廠——收縮水深斷面處的過水面積（m2）；??——流速系數(shù)；??n——洞前行進流速（m/s）；??n——洞前總水頭（m）；?廠——收縮斷面水深（m），?廠

=

0.9?廠；??廠——收縮斷面處流速（m/s）。8.2.2

涵洞水力計算 （3）出口流速計算：①

當涵洞底坡大于臨界坡度時，出口水深等于該坡度下的正常水深

，此時 ，用等速流公式計算。②

當涵洞底坡等于或小于臨界坡度，出口處的水深形成臨界水深或接近臨界水深。流速大約等于臨界流速。（4）最小路堤高度計算：無壓涵洞處的路堤最小高度Hmin

，按下式計算，并取其中一個較大值作為路堤高度。??「7廠——最小路堤高度，即從涵洞進口處洞底到路肩的高度（m）；?「——涵洞凈高（m）；??——洞身頂板厚度（m）；??廠——涵洞洞身頂板外皮至路肩高度（m）；??——涵洞前水深（m）；??——安全超高，一般為在涵洞前水位以上加0.2～0.5

m。8.2.2

涵洞水力計算 3）半有壓流涵洞的排泄流量計算（1）排洪流量公式。①

箱形涵洞：②

圓形涵洞：??——涵洞排洪流量（m3/s）；??n——涵洞前總水頭（m）；?「——涵洞凈高（m）；??——圓形涵洞內(nèi)直徑（m）；??廠——收縮斷面面積（m2）；?廠——收縮水深（m）；??n——涵洞前水流行進流速（m/s）；??——擠壓系數(shù)；??——流速系數(shù)。8.2.2

涵洞水力計算 （2）水力特征計算：箱形涵洞。①

先假定涵洞寬度B和凈高ht

，則②

求涵前水深H：③

判別水流狀態(tài)：根據(jù)進口翼墻形式，洞身斷面形狀及值，用上式判別是否屬于半有壓流涵洞。④

臨界流速和臨界坡度計算方法與無壓涵洞相同。圓形涵洞計算與箱形涵洞相同，只是將箱形涵洞凈高

換成圓形涵洞直徑

。（3）出口流速v

：當??

≤

??廠時，??=

??廠；當??

>

??廠時，??=

??n。8.2.2

涵洞水力計算 4）有壓流涵洞的排洪能力計算（1）排洪流量公式。①

箱形涵洞：②

圓形涵洞：將矩形涵凈高hT換成圓形涵洞內(nèi)徑d。（2）水力特征計算。①

涵洞出口流速：②

涵洞坡度不應大于摩阻力坡度

：??——涵洞的排洪流量（m3/s）；??——流速系數(shù)，??

=0.95；??——涵洞的面面積（m2）；?「——涵洞凈高（m）；??n——涵洞前總水頭（m）；8.2.2

涵洞水力計算 4．淹沒出流排洪能力計算涵洞出流為淹沒狀態(tài)，其排洪流量為??——涵洞底坡。??——涵洞水平長度（m）。?「——出口下游水深（m）。??——流速系數(shù)。??——水力半徑（m）。??n——涵洞前總水頭（m）。??——流速系數(shù)。??廠——入口損失系數(shù)，??廠

=

0.5；??廠——沿程損失系數(shù)，??廠「7廠=

廠丿7；??n——出口損失系數(shù)，??n

=

1.0；8.2.3涵

閘 涵閘：排洪渠道穿越堤防時，為防止河水倒灌，在涵洞出口設置閘門。1．涵閘布置和構造要求1）直升式平板閘門涵閘（1）直升式平板閘門：應用極為廣泛。閘門啟閉設備多采用手動或電動固定式啟閉機，閘門多為鋼木混合結(jié)構，也有采用鋼結(jié)構或鋼筋混凝土結(jié)構。（2）閘室：閘室設置在涵洞末端，與涵洞相連接處，一般設置變形縫，以防止由于地基不均勻沉降或溫度產(chǎn)生裂縫。閘室包括底板、閘墩及閘墻三部分。底板基礎埋深，一般要比涵洞基礎深。底板通常采用鋼筋混凝土或混凝土結(jié)構。閘墩：用來分隔閘孔，安裝閘門和支承工作橋，墩頭一般做成半圓型或流線型。閘墻：位于閘室兩側(cè)，其作用是構成流水范圍的水槽，并支撐墻后土壤不坍塌，因此閘墻可按擋土墻的要求布置，為減少墻后水壓力，可在墻上設置排水孔，排水孔處設置反濾層。8.2.3涵

閘 2．閘門設計1）閘門板厚度計算閘門板按受彎構件計算，其厚度公式為：??——閘板厚度（m）。[??]——木板抗彎容許應力，一般采用松木，[??]

=

7

×

10廠~8

×

10廠

kN/m廠。??——閘門板高度（m），一般取1m進行計算。??——閘門板承受的最大彎矩。??n——閘門計算跨度，??n

=

1.05??；??——閘門凈寬度（m）；??——作用在閘門計算高度??的水壓力。??——閘板兩側(cè)最大水位差（m）。8.2.3涵

閘 材料名稱摩擦系數(shù)（f

）材料名稱摩擦系數(shù)（f

）木與鋼（水中）0.3～0.65鋼與鋼（水中）0.15～0.5橡膠與鋼（水中）0.65摩擦系數(shù)值2）啟門拉力和閉門壓力計算（1）啟門拉力

：??廠——啟門拉力（10

kN）；??——水重力密度（10kN/m3）；??——閘門與閘槽的摩擦系數(shù)，可參照表選用；??——閘門寬度（m）；?廠——閘門前水深（m）；?廠——閘門后水深（m）；??——閘門自重，濕松木可采用8

000

kN/m3；??——水對閘門的浮力（10kN）；??——安全系數(shù)??

=1.2~1.5。8.2.3涵

閘 （2）閉門壓力

：（3）閘門螺桿計算：在啟閉閘門時，螺桿受到拉、壓力及扭力，要分別算出，再假定螺桿直徑，并核算其容許應力。①

螺桿扭力矩：??——扭力矩（10kN·mm）。??廠——啟門拉力（10kN）。??——螺桿平均半徑（mm）。??——螺桿旋面的摩擦角，一般采用5～7，????????

=

0.087~0.122。??——螺桿螺旋的斜角，一般采用3～5。??——螺距（mm）。8.2.3涵

閘 ②

螺桿扭應力：③

閘門螺桿安全壓力：??「——扭應力（10kN/mm2）；??——螺桿凈直徑（mm）。??廠——螺桿臨界荷載（10kN）。??——鋼的彈性模量，??

=

2

000

kN/mm廠。??——螺桿慣性矩，??

=

廠

????7（mm4）。廠7??n——螺桿的計算長度（mm），??n

=

0.7??。??——螺桿的實際長度（mm）。??——螺桿凈直徑（mm）。8.2.3涵

閘 ④

啟門時扭應力與拉應力聯(lián)合作用：??「——拉應力，??「

=

7門7（MPa）；廠n7??廠——扭應力（MPa）。3．啟閉設備1）平輪式啟閉機平輪式啟閉機結(jié)構較為簡單，閘門螺桿的下端固定于閘門時，上端有螺絲穿過平輪，平輪放于座架上。閘門螺桿螺距為6～12.5

mm，多采用矩形螺紋。閘門啟閉力為:??——閘門啟閉力（10kN）；??——閘門重加上門在槽內(nèi)的摩擦力（10kN）；??——閘門螺桿的螺距（mm）；??——平輪半徑（mm）；??——螺絲對螺桿傳力的效率，矩形螺紋為15%～35%。8.2.3涵

閘 2）蝸輪蝸桿式啟閉機這種啟閉機由蝸輪和蝸桿組成，蝸輪和蝸桿的關系與上述平輪式啟閉機一樣，搖柄上的力由蝸桿傳到蝸輪，再傳到螺桿。（1）閘門開啟力為（2）機械效益為??——閘門啟閉力（10kN）；??——閘門重加上門在槽內(nèi)的摩擦力（10kN）；??——螺桿的螺距（mm）；??廠——蝸桿的螺距（mm）；??——搖柄的長度（mm）；??廠——蝸輪的半徑（mm）；??廠——蝸桿與蝸輪之間的效率約40%；??廠——蝸輪與螺桿之間效率，矩形螺紋為15%～35%。8.2.3涵

閘 3）八字輪式啟閉機這種啟閉機啟門速度較蝸輪蝸桿式快，啟門力較平輪式大，故廣泛應用于小型涵閘上，其構造由一組互相垂直的八字輪構成