涵洞水力、荷载、结构计算及挡土建筑物设计

1、第一节 涵洞的水力计算第二节 涵洞的荷载计算第三节 箱涵的结构计算第四节 涵洞进出口挡土建筑物设计第二章 涵 洞一、涵洞工程设计规范（p5-6）二、涵洞工程设计基本资料三、涵洞的总体布置四、涵洞的洞身结构布置五、涵洞的水力设计 1.涵洞类型的选择及孔径确定 2.涵洞布置 3.洞口形式选择 4.涵洞长度计算 第一节 涵洞的水力设计（输水、排水）一、涵洞工程设计规范 水利水电工程等级划分及洪水标准 灌溉与排水工程设计规范 水工建筑物荷载设计规范 公路工程设计标准（汽车荷载） 公路桥涵通用设计规范 水工钢筋混凝土设计规范 水闸设计规范（地基承载力计算、进出口连接段挡土 建筑物设计） 公路桥涵地基与基

2、础设计规范 第一节 涵洞的水力设计（输水、排水）二、涵洞工程设计基本资料 1.建筑物的级别。 2.输水涵洞的设计流量及加大流量、进出口水位及设计水头，渠道水力要素等。 3.排洪涵洞的控制流域面积、雨量资料、河道纵横断面、河床地质、水文资料等。 4.排涝涵洞的排涝面积、雨量资料、排涝时间、水位资料等。 5.地形资料 （排水1/5000 1/10000）。 6.地质资料 （地基岩性及物理力学指标等）。 7.建筑材料调查（砂料、石料及混凝土骨料的产地、储量、质量及开采运输条件，以及钢材、水泥、木料的供应情况）。三、涵洞的总体布置(渠涵、路涵、排洪涵) 1.洞线应尽量选在地质条件好、地基承载力较大的地

3、段，以免不均匀沉降引起洞身断裂。 2.洞轴线尽量与交叉的路（渠）轴线正交，排洪涵洞尽量与溪谷方向一致，缩短洞长，使水流顺畅。 3.洞底高程及纵坡 排洪涵：洞底高程等于或接近于溪谷底高程，纵坡等于 或稍陡于天然溪低的底坡，i=1%-3%。 渠涵：通过设计流量时进出口水头损失接近渠系规划给定的允许值，由水力计算定。 i=1/500-1/1500(通常设计为无压)四、涵洞洞身结构布置 1.进、出口段的形式与构造（平顺水流、减小水头损失、防止洞口冲刷破坏） （1）锥坡式（一字墙式、端墙式）（图p146） 结构简单、水流条件差，适用于宽浅溪谷或孔径收缩较大，一般用于小型涵洞。 （2）八字斜降墙式 翼墙扩

4、散角20 40，与端墙式相比，进流条件有所改善，上游壅水时易封住洞顶。 （3）扭曲面式 （4）跌水式洞口 （5）流线和渐变式 2.洞身段的形式与构造（图p147） （1）管涵（钢砼）：管径0.8m0.5m，壁厚为内径的1/1 01/15，具有较大的填土压力和内水压力，水力条件好。 （2）箱涵：适应地基不均匀沉降，经济高宽比1:11:1.5，壁厚为跨径的1/8 1/12 双孔顶板厚为跨径的1/9-1/10，侧墙厚为其高度的1/121/13(当跨径大于2m时做成双孔或多孔) （3）盖板涵：适用于铅直荷载较小或跨径不大的无压洞 （4）拱涵：适用于填土较高、泄流大的无压洞 混凝土拱厚20cm，砌石拱厚

5、30cm，侧墙重力式货轻型桥台式。 3.构造 （1）分缝（适应地基不均匀沉降及温度变形）内设止水 缝距10m （2-3洞高），构造同坝下涵管 （2）防渗设施（防止洞顶及两侧渗漏）渠涵洞外填筑0.5-1.0m粘土（洞身外涂沥青层）；排洪涵，根据排洪时间长短具体情况 （3）洞内净空 无压涵洞，管涵和拱涵净空高度1/4洞高；箱涵1/6洞高；净空面积1/4涵洞断面的10%-30% （4）洞顶填土（保证洞身较好的工作条件）填土厚度1m，当为渠下涵或渠道有衬砌时0.5m （5）基础 管涵采用砌石或混凝土刚性管座；拱涵、箱涵五、涵洞的水力设计任务：确定洞身断面尺寸、演算过流能力和洞前水面壅高。 1.涵洞的流

6、态判别 （p148）流态判别、洞口出流淹没与否判别、短洞与长洞判别 2.涵洞的流量计算公式 3.涵洞的过水能力计算类型和计算方法及孔径计算算例 4.涵洞进口水深与水位流量关系计算 5.渠涵（暗渠）的水力计算 6.涵洞的消能防冲设计2.涵洞的流量计算公式水工手册 水工设计手册 水力计算手册 灌溉与排水工程设计手册 写出无压流涵洞、半压力流涵洞、压力流涵洞（淹没、非淹没）计算公式（p150）书上只列出了计算公式，没对设计中常用的算法进行说明。3.涵洞的过水能力（孔径）计算类型和计算方法（1）已知洞身断面尺寸、进口水深及出口水深，确定涵洞的过水流量。（可根据判别的流态直接按相应的流量公式计算）（2）

7、已知设计流量、进口水深及出口水深，确定洞身断面尺寸（设计中常见）。（3）已知设计流量、洞身断面尺寸及出口水深，确定进口水深（设计中常见）。（4）渠涵（暗渠）的水力计算。 无压流短洞孔径计算例题1 已知某矩形断面涵洞设计流量 ，洞身长度 ，纵坡 ，糙率 ，进口水深 m，出口水深h=3.5m，上游行近流速V=0.7m/s，试计算确定洞身断面尺寸。解：1.流态判别根据进口水深及出口水深高度，拟定洞身高度为D=4.0m据H/D=4.05/4=1.012,知H=1.012D1.2D；同时因下游水深低于洞顶，可判定其流态为无压流。水面以上净空高度为D-h=4-3.5=0.5（m）符合净空的要求。 无压涵洞

8、水面以上的净宽高度 单位：m洞身水面以上的净空面积为洞身横断面面积的0.5/4=0.125，满足不小于洞身横断面面积10%30%的要求。2.长、短洞的判别 无压流短洞的界线长度为因洞长L=30m30.750.750.5(1)淹没系数计算计算进口水深包括行近流速水头在内的进口水深为：比值 计算淹没系数：（2）采用流量系数m为0.36，侧收缩系数 为0.95，计算洞身宽度为： 无压流长洞孔径计算例题2 已知某矩形断面涵洞设计流量 Q=40m3/s，洞身长度L=100m，纵坡 i=0.002，糙率 n=0.014，进口水深H=4.05m，出口水深h1=3.5m，上游行近流速V=0.7m/s，试计算确

9、定洞身断面尺寸。 解：一、流态判别拟定洞身高度为D=4.0m。据H/D=4.05/4=1.012,知H=1.012D8H，故此洞应为无压流长洞。三、洞身宽度计算1.洞进口内水深hs计算（1）拟定洞宽为B=3.48m。（2）水面线类型判别。正常水深h0计算：特性流量：根据比值 ，查表得则：正常水深h0 =0.947 3.48=3.296（m） 矩形过水断面水深及底宽计算表H0/B.0.940.950.960.97.1.9101.9391.9681.998.2.2532.2232.1952.167.临界水深计算：因为h0hk,洞底为缓坡，同时因出口水深hh0,故知洞内水面线为 型壅水曲线，水深由出

10、口断面向上游沿程逐渐减小。（3）水面线计算。1）分段求和发的水面线计算公式本例将洞身分为4个分段：洞出口控制断面号为1，一次向上游的断面号为2、3、4、5.因出口水深h1大于正常水深h0，断面1的控制水深为h1=3.5m，个计算断面水深应向上游正常水深线N-N,沿程逐渐减小，依次向上游设断面2、3、4、5的水深分别为h2=3.49m 、h3=3.48m、 h4=3.47m、 h5=3.46m，其中断面5的水深要根据计算结果进行调整，如果4个分段计算长度之和大于洞长，则要加大断面5的水深重新计算第4分段的长度，直至个分段的计算长度之和等于洞长，所拟定的断面5的水深即为所求的洞进口内水深h2。2）

11、第2分段计算。断面1水力要素：断面2水力要素：第1分段的水力要素：第1分段长度计算：3）其余各分段计算。按上述相同方法计算第2、3、4分段的长度，计算结果列于表。 洞内水面线计算成果表 表中断面5的水深h=3.463m，是经修正后的水深，4个分段的计算长度之和为99.711100（m），洞进口的水深即为hs=3.463m。断面h（m）（m）1225.378326.466427.68753.46320.2各分段长之和99.7112.淹没系数计算包括行近流速水头在内的进口水深为：计算淹没系数为：3.过水能力计算 采用流量系数m为0.36，侧收缩系数为0.95，计算相应于洞身宽度为3.48m的流量为

12、：4.计算成果分析 此计算流量值与设计流量相等，表明拟定的洞宽3.48m即为所求洞宽。在实际计算中，需多次改变拟定的洞宽重复计算，直至计算流量与给定的设计流量相等。作业题 1.已知某矩形断面涵洞设计流量 Q=40m3/s，洞身长度L=30m，纵坡 i=0.002，糙率 n=0.014，进口水深H=4.05m，出口水深h=1.0m，上游行近流速V=0.7m/s，试计算确定洞身断面尺寸。 （无淹没影响）2.已知某矩形断面涵洞设计流量 Q=46m3/s，洞身长度L=30m，纵坡 i=0.002，进口水深H=4.7m，出口水深h=2.8m，上游行近流速V=0.7m/s，涵洞进口连接段采用八字形直墙的布

13、置型式，试计算确定洞身断面尺寸。3.已知某矩形断面涵洞设计流量 Q=40m3/s，洞身长度L=30m，纵坡 i=0.002，糙率 n=0.014，进口水深H=4.9m，出口水深h=1.5m，上游行近流速V=0.7m/s，涵洞进出口连接段采用扭曲面墙的布置型式，试计算确定洞身断面尺寸。4.涵洞的消能防冲设计（1）涵洞消能设计的特点（2）深挖式消力池计算方法（3）消力池底板厚度计算（4）海漫长度计算（5）海漫末端沟槽冲刷深度及防冲槽深度计算（1）涵洞消能设计的特点 确定下游收缩水深及其共轭的跃后水深，比较跃后水深与下游尾水深的关系，判断是否需布置消能设施。无压流（长洞、短洞）有无淹没影响以下需布置

14、消能设施：半有压力流非淹没压力流淹没压力流涵洞上游总能头确定的原则五种情况: 无压流短洞的流态类似于宽顶堰及开敞式水闸，按洞进口前断面的水位及流速计算。 无压流长洞的上游总能头按洞出口端断面计算，当出口水深h大于临界水深时，出口端断面的水深为h；当出口水深h小于临界水深时hk，出口端断面的水深为hk。 半压力流涵洞的上游总能头按洞出口端断面计算，出口端断面的水深为1D。 非淹没压力流涵洞的上游总能头按洞出口端断面计算出口端断面的水深为0.851D。 淹没压力流涵洞的上游总能头按涵洞进口断面计算的总能头减去洞身进口局部水头损失及沿程水头损失。（2）深挖式消力池计算方法消力池深度及长度的计算公式d

15、为消力池深度， 为 水跃淹没系数例题 已知某涵洞设计流量 Q=40m3/s，洞身长度L=30m，洞身高D=4.0m，宽B=3.5m，纵坡 i=0.002，出口洞底至下游渠底的跌差P=2.0m，从进口洞底算起的进口水深H=4.05m，上游行近流速V=0.7m/s，下游渠道底宽4.0m，渠道水深hs=3.0m。设计消力池。解：（1）判别下游水流的衔接型式，确定是否需要设消力池1）上游总能头T0的计算。2）收缩水深hc的计算。利用excel表算 的收缩水深hc=1.226m。3）跃后水深 的计算4）判断是否需要设消力池（2）消力池深度计算 b1采用与洞宽相等，b1=B=3.5m， b2与下游渠底宽相

16、等b2=4.0m。1）第一次池深计算计算跃后水深：计算出池水位落差，式中单宽流量按消力池末端底宽计算：计算消力池深，第一次池深计算时式中水跃淹没系数采用 = 1.102）第2次池深计算 设消力池后，上游总能头应相应加大，重新计算由消力池底板顶面算起的上游总能头T0： T0=6.136+1.047=7.183（m） 利用excel计算收缩水深hc，式中单宽流量按洞宽计算，水流动能校正系数采用=1.0，流速系数采用0.95，试算得hc=1.101m。计算跃后水深：计算出池水位落差，单宽流量按消力池末端底宽计算 计算消力池深，第二次池深计算时式中水跃淹没系数采用1.05：3）第3次池深计算 按池深d

17、=1.121m重新计算由消力池底板算起的上游总能头T0: T0 =6.136+1.121=7.257(m) 按上述方法同理计算得d=1.138m。第三次计算的消力池深与第二次的计算深度已接近，一般计算23次即可满足精度要求，根据上述计算成果，可采用消力池深度d=1.2m。（3）消力池长度计算 斜坡段坡度采用1：3，其水平投影长度为： 采用水跃长度校正系数 ，消力池长度为： （3）消力池底板厚度计算 按水闸设计规范，涵洞消力池底板厚度可根据抗冲和抗浮要求确定，并取其较大值。 抗冲要求： 抗浮要求：消力池末端厚度采用t/2，但不宜小于0.5m。 消力池底板一般设有排水孔，作用在消力池底板底面的渗透

18、压力很小，故设计中先计算厚度t，然后演算底板安全系数k2，演算公式为：例题 已知某涵洞设计流量Q=40m3/s，洞身高D=3.2m，宽B=2.6m，长L=30m，洞底纵坡i=0.002，出口洞底至下游渠底的跌差P=1.0m，从进口洞底起算的进口水深H=4.9m，上游行近流速v1=0.7m/s，下游渠道底宽3.0m，渠道水深hs=2.5m。计算消力池底板厚度，底板设有排水孔。 解：（1）按抗冲要求计算 消力池进口处的单宽流量为： 上游总能头为： T0=6.234（m） 消力池底板计算系数采用0.15，计算消力池底板始端厚度为： （2）按抗浮要求演算 按抗冲要求计算，取消力池底板为等厚t=0.95

19、m【】 消力池中的水流为淹没式水跃，水平段的水深近似为跃后水深4.504m，作用在消力池底板顶面的水重近似为 跃前收缩断面水深为hc=1.721m，相应为作用在消力池底板上的脉动压力为： 因消力池底板设有排水孔，可不考虑渗透压力，作用在消力池底板底面的扬压力主要为浮力： 底板采用混凝土材料，重度为24kN/m3,验算底板安全系数为： 消力池底板采用等厚0.95m，可满足抗冲及抗浮要求。（4）海漫长度计算 按照水闸设计规范的规定，当 ，且消能扩散良好时，海漫长度可按下式计算：（5）海漫末端沟槽冲刷深度及防冲槽深度计算 按水闸设计规范海漫末端沟槽冲刷深度按下式计算： 当沟槽冲刷深度计算值较大时，一

20、般防冲槽深度为1.0-2.0m,底宽为1-2倍槽身，防冲槽的上下游鞭炮1：2-1:4,两侧边坡坡度可与两岸坡相同。例题 已知某涵洞设计流量Q=40m3/s，洞身高D=3.2m，宽B=2.6m，长L=30m，洞底纵坡i=0.002，出口洞底至下游渠底的跌差P=1.0m，从进口洞底起算的进口水深H=4.9m，上游行近流速v1=0.7m/s，下游渠道底宽3.0m，渠道水深hs=2.5m。计算海漫及防冲槽，海漫宽度由2.6m扩散为6.0m，末端水深为hm=3.5m，渠槽土质为黏土。 解：（1）海漫长度计算 消力池末端单宽流量为： 上游总能头为： T0=6.234（m） 查表海漫长度计算系数为：Ks=7

21、 计算海漫长度为：（2）海漫末端渠槽冲刷深度及防冲槽深度计算。 海漫末端单宽流量为： 查表采用渠槽允许不冲流速1.0 海漫末端冲槽深度为： 根据计算结果，采用防冲深度为2.0m，因计算冲刷深度较深，适当加大防冲槽断面，采用底宽2.0m，上游边坡1：4，下游边坡1:2. 一、洞顶垂直土压力计算二、侧向水平土压力计算三、水压力计算四、汽车车辆荷载计算五、自重力计算六、荷载的作用分项系数第二节 荷载计算一、洞顶垂直土压力计算1.上埋式涵洞垂直土压力计算上埋式涵洞土压力系数Ks值表地基种类Hd/B10123456岩基1.01.371.411.421.411.391.35密实砂类土、坚硬或硬塑粘土1.0

22、1.201.251.261.251.241.22中密砂类土、可塑粘性土1.01.071.081.091.081.071.06松散砂类土、流塑或软塑粘性土1.01.01.01.01.01.01.02.沟埋式涵洞垂直土压力计算（暗渠）当填土夯实较差，B-B12m时其中，B为沟槽宽度，Kg垂直土压力系数。二、侧向水平土压力计算沟埋式B0-B12m时水平土压力强度标准值同上埋式B0-B1 2m时，乘上系数Kn三、水压力计算1.内水压力计算作用于底板顶面的均布内水压力（水重）强度标准值为：有压涵洞:作用于底板顶面的均布内水压力（水重及水头压力）强度标准值为：作用于顶板底面的均布内水压力强度标准值为：2.

23、外水压力计算当地下水位平顶板底面：作用于底板底面的均布外水压力（浮托力）强度标准值为：当地下水位超过洞顶时：作用于侧墙的外水压力：作用于底板底面的均布外水压力（浮托力）强度标准值：作用于顶板顶面的均布外水压力强度标准值为：四、汽车车辆荷载计算 各级公路桥涵设计的汽车荷载等级按规范，按公路工程技术规范确定。 按公路桥涵设计通用规范计算涵洞顶上车辆荷载引起的竖向土压力时，车轮按其着地面积的边缘向下作30角分布。洞顶承受的汽车荷载为后轴重力通过车轮按30扩散角传至洞顶的均布荷载为：五、自重力计算 作用于顶板的自重力为顶板的自重： 作用于底板底面的自重力为顶板自重与侧墙及中隔墙自重部分:六、荷载的作用

24、分项系数（按水工建筑物荷载设计规范确定）(1)埋管上垂直土压力、侧向土压力的作用分项系数，当其作用效应对管体不利时应采用1.1，有利时采用0.9。(2)静水压力（包括外水压力）的作用分项系数应采用1.1(3)混凝土结构自重的作用分项系数，当其作用效应对结构不利时应采用1.05，有利时采用0.95。(4)汽车荷载的作用分项系数，按JTG D60-2004公路桥涵设计规范的规定为1.4。一、弯矩分配法计算单孔及双孔箱涵弯矩二、单孔箱涵的结构计算三、双孔箱涵的结构计算第三节 箱涵的结构设计箱涵的结构设计主要为内力计算及钢筋混凝土结构计算。内力计算：弯矩、轴力、剪力（可用Excel进行内力计算）弯矩计算方法：查表法：适用于顶板与底板等厚及侧墙与中隔墙等厚弯矩分配法：对称结构箱涵（单孔、双孔箱涵）迭代法：三孔箱涵一、弯矩分配法计算单孔及双孔箱涵弯矩 1.计算简图及符号说明单孔箱涵计算简图双孔箱涵计算简图2.计算方法及计算公式1）单孔的固端弯矩、分配系数及传递系数杆端弯矩的传递系数：远端（k端）为固定端时的传递系数为1/2；远端（k端）为可移动但不可转动支承时的传递系数为-1。即杆件AB向B端的传递系数及杆件BA向A端的传递系数为1/2，杆件AC向C端的传递系数及杆件BD向D端的传递系数均为-1。【例题】某单孔钢筋混凝