桥梁工程之小桥和涵洞孔径计算

第九章桥桥梁工工程之小小桥和涵涵洞孔径径计算第9章小桥桥和涵洞洞孔径计计算公路在跨跨越河沟沟、溪谷谷和灌溉溉渠道时时，需修修建各种种排水构构造物，，其中以以小桥、、涵洞居居多。一般在平平原区每每公里约约1~3座，山区区约3~5座。据已已建公路路统计，，小桥涵涵的工程程投资约约占公路路总投资资的15%~20%，其投资资总额为为大、中中桥的2~4倍左右。。小桥涵孔孔径大小小应根据据设计流流量、河河床特性性及河床床进出口口加固类类型所允允许的平平均流速速等来确确定。小桥涵孔孔径计算算的目的的在于合合理确定定桥涵孔孔径大小小、河床床加固的的类型和和尺寸、、壅水高高度、桥桥涵处路路基和桥桥涵顶面面的最低低高程。。一、小桥桥和涵洞洞勘测的的主要任任务小桥和涵涵洞勘测测包括外业勘测测和内业设计计两部分。。通过对公公路沿线线的地形形、地质质、水文文、气象象及农田田水利设设施等情情况进行行勘测和和调查，，为桥涵涵设计以以及水力力计算提提供必要要的资料料和依据据。第一节节小小桥和和涵洞洞勘测测二、小小桥和和涵洞洞勘测测的主主要工工作内内容1、勘测测前的的准备备工作作（1）地形形资料料：搜搜集公公路沿沿线1:10000~1:50000的地形形图，，要求求能获获得必必要的的流域域面积积、主主河沟沟平均均纵坡坡度等等资料料。（2）地质质资料料：搜搜集区区域地地质特特征资资料、、地形形图及及土质质类别别。（3）水文文资料料：小小桥涵涵所在在地附附近水水文站站历年年实测测最大大流量量及其其相应应的洪洪水位位或历历史洪洪水位位痕迹迹、沿沿河沟沟上下下游河河床变变迁情情况、、水工工构造造物等等资料料。（4）气象象资料料：当当地气气象站站年、、月平平均降降雨量量，暴暴雨强强度和和所持持续时时间，，年内内最高高、最最低气气温，，主导导风向向和风风力等等。（5）其他他资料料：若若为改改建或或修复复工程程，需需向原原设计计、施施工和和养护护部门门搜集集有关关工程程的测测设、、施工工及竣竣工资资料，，了解解该工工程的的使用用、养养护、、水毁毁等情情况，，并征征询小小桥涵涵改建建的意意见。。（6）组织织与配配备完完成该该工程程勘测测任务务的人人员、、仪器器和工工具等等。2、小桥桥和涵涵洞位位置的的选择择小桥和和涵洞洞位置置的选选择应应以服从路路线走走向，，保证证排水水顺畅畅和路路基稳稳定，，降低低工程程造价价为原则则。（1）山岭岭及丘丘陵区区小桥桥涵位位置的的确定定①一般般为一一沟一一涵，，间距距不宜宜大于于300m。当汇汇水区区很小小时，，两河河沟相相距很很近，，可改改沟合合并。。但要要注意意开挖挖排水水沟或或加深深、加加宽边边沟；；做好好旧河河沟的的堵塞塞、截截水墙墙及路路基加加固工工程。。②涵位与与路基基排水水系统统密切切配合合，如如在截截水沟沟排水水出口口处设设置涵涵洞，，以免免水流流冲刷刷路面面和路路基。。③路线线的转转角较较大（（大于于90°°），平平曲线线半径径较小小，进进入弯弯道前前的纵纵坡大大于4%，在弯弯道起起（终终）点点附近近应设设置涵涵洞。。④路线线由陡陡坡段段过度度到缓缓坡段段，在在此200m内又无无其他他涵洞洞，在在变坡坡点附附近应应设置置涵洞洞。（2）平原原区小小桥和和涵洞洞位置置的确确定①根据据天然然排洪洪系统统，有有利于于农业业灌溉溉设置置小桥桥和涵涵洞，，并避避免桥桥涵出出口对对耕地地造成成冲蚀蚀。②路线线通过过较长长的低低洼及及泥沼沼地带带时，，在具具有天天然纵纵坡地地段，，可适适当多多设置置涵洞洞，以以防排排水不不畅及及长期期积水水。③路线线靠近近村庄庄时，，要注注意设设置涵涵洞，，以便便及时时排除除村内内的地地面积积水。。④小桥桥和涵涵洞的的位置置应选选择在在河床床地质质良好好、地地基承承载力力较大大的河河段。。3、小桥桥和涵涵洞测测量主要包包括河河沟横横断面面、河河沟纵纵断面面及河河沟比比降测测量并并测绘绘桥涵涵址平平面图图。4、小桥桥和涵涵洞类类型选选择主要根根据公公路等等级及及性质质，按按照安全、、适用用、经经济、、就地地取材材、便便于施施工和和养护护等条条件确定。。桥涵孔孔径是是根据据设计计流量量，通通过水水力计计算，，并根根据小小桥和和涵洞洞所在在河沟沟的断断面形形态来来确定定的。。一、水水流通通过小小桥的的图式式当桥孔孔压缩缩河槽槽时，，水流流受到到桥台台路堤堤和墩墩台的的挤压压，桥桥前水水位抬抬高，，产生生壅水水，桥桥下水水面降降低，，出现现收缩缩断面面。小桥桥桥下河河槽一一般都都进行行铺砌砌加固固，不不会冲冲刷。。通过过小桥桥桥下下的水水流图图式与与宽顶顶堰相相似，，按下下游天天然水水深的的大小小可分分为自自由式式出流流与淹淹没式式出流流两种种。第二节小小桥孔径计计算1、自由式出出流小桥下游天天然水深ht≤1.3hk时，桥下水水流图式如如图。桥下下水深为桥桥下河槽的的临界水深深hk。2、淹没式出出流小桥下游天天然水深ht＞1.3hk时，桥下的的临界水深深被下游天天然水深水水面所淹没没，桥下水水流图式如如图。桥下下天然水深深为ht。二、小桥孔孔径计算小桥涵一般般不允许河底底发生冲刷刷，可以根据据河床加固固铺砌的类类型，选择择适当的容容许流速作作为设计流流速。一般采用试算法确定小桥孔孔径。先根根据容许流流速与设计计流量，通通过计算确确定孔径大大小与壅水水高度，并并与允许的的壅水高度度进行比较较，从而判判断是否需需要调整孔孔径值，直直至达到允允许的壅水水高度。根据已知的的设计流量量和拟定的的河床容许许流速，计计算小桥孔孔径与桥前前壅水高度度的程序为为：1、判别桥下下水流图式式1）确定河槽槽天然水深深ht河槽天然水水深ht可根据已知知设计流量量及河槽特特征，用试试算法确定定。先假定一个个水深h，慎重选取取河道的粗粗糙系数，，从河槽横横断面图上上求得过水水面积A和水力半径径R，按公式计计算相应流流量。若计算的Q值与设计流流量相差一一般不超过过±5%时，则假定定的水深可可作为天然然水深。否否则，需要要重新假定定水深进行行计算，直直至符合要要求为止。。2）确定桥下下临界水深深hk桥下河槽的的临界水深深hk，可按临界界水深函数数求得：式中：Ak—桥下河槽临临界水深对对应的过水水断面面积积；Bk—临界断面Ak的水面宽度度；Qs—设计流量；；a—流速分布系系数，小桥桥取a=1.0因此任意形形状断面的的平均临界界水深为为：其中vk为临界流速速，计算时时可采用河河床的容许许（不冲刷刷）流速。。对于矩形断断面的桥孔孔，桥下临临界水深等等于平均临临界水深，，即hk=，对于宽浅浅的梯形断断面，可可可以取hk≈，对于窄而而深的梯形形断面，临临界水深hk可按过水面面积相等的的关系近似似求得。由图有：临界断面水水面宽度Bk为：3）水流图式式判别当ht≤1.3hk时，自由式式出流；当ht＞1.3hk时，淹没式式出流。2、确定小桥桥孔径长度度L1）自由式出出流考虑桥台和和桥墩侧向向挤压水流流对桥下过过水面积减减小的影响响，则计算算需要的桥桥下水面宽宽度B时，应引入入水流挤压压系数：：B—桥下需要水水面宽度，，—挤压系数；；见表9-2-2；N—桥墩个数；；d—桥墩宽度。。若桥孔断面面为矩形，，则桥孔长长度L=B；若桥孔断面面为梯形，，则桥孔长长度为：L—小桥的孔径径长度；m—桥台处锥坡坡的边坡系系数；△h—小桥上部结结构底面高高出水面的的高度。2）淹没式出出流下游天然水水深ht＞1.3hk时，桥下河河槽被下游游水流淹没没，桥下过过水断面的的水深为ht,则桥下过水水断面平均均宽度为：：B0—桥下过水断断面的平均均宽度；Vbc—河床的容许许（不冲刷刷）流速。。若桥孔断面面为矩形，，则桥孔长长度L=B0；若桥孔断面面为梯形，，则桥孔长长度为：如果桥孔轴轴线与水流流方向斜交交，交角为为a，则斜交桥桥孔长度La为：根据计算得得到的桥孔孔长度L选用标准跨跨径，两者者相差应小小于或等于于10%，否则，需需根据确定定采用的桥桥孔长度反反求桥下流流速和临界界水深，复复核水流图图式。3、确定桥前前水深H1）桥下为自自由式出流流时，桥前前水深H按下式计算算：H—桥前水深；；—流速系数，，见表9-2-2；vH—水深为H的桥前断面面的行进流流速。2）桥下为淹淹没式出流流是，桥前前水深H按下式计算算：V—由采用的桥桥孔长度计计算的桥下下流速。4、确定路基基和桥面最最低高程按图9-2-6可得：桥头路基最最低高程=河床最低点点高程+H+△按图9-2-7可得：桥面最低高高程=河床最低点点高程+H+J+D涵洞和小桥桥相比，特特点是孔径径小、孔道道长，河底底往往具有有较大的纵纵坡，涵前前水深可以以高于涵洞洞高度。一、水流通通过涵洞的的水力图式式根据涵洞出出水口是否否被下游水水面淹没，，可分为自自由式出流流与淹没式式出流两类类。按涵洞进水水口建筑形形式不同与与涵前水头头高低，水水流通过涵涵洞可分为为无压力式式、半压力力式、压力力式三种水水力计算图图式。第三节涵涵洞孔径计计算1、无压力式式当涵洞的进进水口建筑筑为普通型型，而涵前前水深H≤1.2hT时，或者进进水口建筑筑为流线型型，而涵前前水深H≤1.4hT时，水流在在进水口处处受到侧向向束窄，水水面急剧下下降，在洞洞口不远处处形成一个个收缩断面面，水流流流经全涵洞洞均保持自自由水面，，称为无压压力式水流流状态。2、半压力式当涵洞的进进水口建筑筑为普通型型，且水流流充满进口口，涵前水水深H＞1.2hT时，但收缩缩断面以后后在整个涵涵洞内都具具有自由水水面，称为为半压力式式水流状态态。3.压力式当涵洞的进进水口建筑筑为流线型型，而涵前前水深H＞14hT,且涵底纵坡坡i＜iw，或者下游游洞口被掩掩埋时，则则整个涵洞洞的断面都都充满水流流，称为压压力式水流流状态。二、涵洞孔孔径计算1、无压力式式涵洞进行涵洞计计算时，根根据涵洞的的实际工作作情况，作作了下列规规定和假设设：（1）无压力式式涵洞进水水口处，涵涵内的最高高水面与涵涵洞顶之间间要保持一一个最小净净空高度△△。对于盖板涵涵、箱涵：：进水口净高高h＜2.0m时，△=0.10m；h≥2.0m时，△=0.25m。对于砖、石石、混凝土土拱涵：涵洞净高hT≤1.0m时，△=0.10m；hT=1.0~2.0m时，△=0.15m；hT＞2m时，△=0.25m。（2）从涵前水水深H到进口水深深H’的降落系数数取0.87，则：（3）收缩断面面的水深hc=0.9hk，涵前的行行进流速v0≈0，即H0≈H。（4）涵洞出口口处或收缩缩断面处的的最大允许许流速vmax规定为：净跨L0=0.5~1.5m的拱涵、盖盖板涵，vmax=4.5m/s，净跨L0=2.0~4.0m的拱涵、盖盖板涵、圆圆管涵，vmax=6.0m/s无压力式涵涵洞基本公公式为：2、半压力式式涵洞半压力式涵涵洞的水力力计算，常常以涵前断断面和进口口收缩断面面作为计算算断面，根根据能量方方程来推算算流量和涵涵前水深。。其基本公公式为：3、压力式涵涵洞为充分利用用断面，达达到缩小孔孔径的目的的，压力式式涵洞一般般采用进水水口升高式式的洞口建建筑，使涵涵顶与水流流线形基本本一致。基基本公式为为：涵洞处的路路基最低高高程应高出出涵前水深深以上至少少50cm。为避免涵洞洞进口路基基浸水和进进出口流速速计冲刷过过大，一般不采用用压力式涵涵洞。一、小桥和和涵洞类型型的选择公路小桥和和涵洞的类类型的选择择应根据路路线等级，，结合当地地的地形、、水文、材材料、施工工等条件，，按照安全全、适用、、经济、就就地取材、、便于施工工与养护的的原则来选选用。第四节小小桥和涵洞洞的进出口口处理1、小桥和涵涵洞的选择择小桥和涵洞洞的选用，，主要根据据设计流量量、路堤高高度、河床床纵坡以及及建筑材料料等确定。。当跨越常年年有水但流流量较少，，或季节性性水流且漂漂浮物和上上游泥沙运运动较少，，路堤高度度能够满足足壅水高度度和宣泄设设计流量的的要求时，，宜采用涵洞；当设计流量量大，或河河道漂浮物物和泥沙运运动较多，，或河沟地地处陡峭深深谷并填土土过高时，，都应采用用小桥。2、涵洞类型型的选择涵洞由洞身、洞口口、基础三个部分组组成。洞身主要承受涵涵洞上填土土的垂直与与侧向的土土压力以及及活载压力力。洞口用以连接洞洞身与上下下游水道，，使水流能能顺畅地通通过洞身，，并保证洞洞口周围的的路基边坡坡免遭冲刷刷。基础把涵洞所受受的荷载均均匀地分布布和传递到到土基上，，并使地基基免受水流流的直接冲冲刷。根据据涵涵洞洞洞洞身身的的构构造造形形式式不不同同，，涵涵洞洞可可分分为为圆管管涵涵、、拱拱涵涵、、盖盖板板涵涵和和箱箱涵涵等等。。1）圆圆管管涵涵圆管管涵涵孔孔径径一一般般为为0.5~2.0m，最最小小填填土土厚厚度度50cm，受受力力情情况况良良好好，，圬圬工工数数量量少少，，造造价价较较低低。。多多孔孔时时不不宜宜超超过过三三孔孔。。2）盖盖板板涵涵由于于盖盖板板涵涵建建筑筑高高度度较较低低，，适适于于低低路路基基地地段段使使用用，，一一般般用用作作明明涵涵。。在在盛盛产产条条石石的的地地方方，，采采用用石石盖盖板板涵涵较较经经济济，，一一般般只只适适用用于于小小跨跨径径的的明明涵涵或或暗暗涵涵。。当当跨跨径径要要求求较较大大时时，，可可采采用用钢钢筋筋混混凝凝土土盖盖板板涵涵。。3）拱拱涵涵一般般超超载载潜潜力力较较大大，，砌砌筑筑技技术术易易掌掌握握，，养养护护费费用用低低，，便便于于就就地地取取材材。。4）箱箱涵涵适用用于于软软土土地地基基，，但但施施工工困困难难，，造造价价较较高高，，一一般般不不常常采采用用。。高高速速公公路路的的通通道道多多采采用用箱箱涵涵。。5）倒倒虹虹吸吸管管在路路基基填填土土不不高高，，路路线线两两侧侧水水深深高高于于路路基基高高度度，，或或在在浅浅路路堑堑处处，，可可采采用用倒倒虹虹吸吸管管。。施工工中中的的圆圆管管涵涵圆管管涵涵盖板板涵涵预制制的的排排水水拱拱涵涵箱涵涵3、涵涵洞洞洞洞口口形形式式的的选选择择涵洞洞洞洞口口建建筑筑形形式式必必须须根根据据涵涵洞洞类类型型、、河河床床及及洞洞口口附附近近的的地地形形和和地地质质条条件件、、水水流流特特征征等等合合理理选选择择。。常见见的的建建筑筑形形式式：：八字字翼翼墙墙式式、、锥锥形形护护坡坡式式、、一一字字墙墙护护坡坡、、跌跌水水井井式式及及流流线线型型洞洞口口等。。1）八八字字翼翼墙墙式式或或锥锥形形护护坡坡式式洞洞口口适用用于于平坦坦顺顺直直、、河河沟沟较较宽宽、、纵纵断断面面高高差差变变化化不不大大的的河河沟沟和和孔孔径径有有一一定定压压缩缩的的情情况况。。具具有有水水力力条条件件较较好好、、工工程程量量小小、、施施工工简简单单、、经经济济等等优点点。当当涵涵洞洞高高度度在在5m以下下时时，，八八字字翼翼墙墙式式较较锥锥形形护护坡坡式式更更为为经经济济。。2）一一字字墙墙护护坡坡洞洞口口构造造简简单单，，工工程程量量小小。。适用用于于边坡坡规规则则的的人人工工渠渠道道或或在在窄窄而而深深、、河河床床纵纵断断面面变变化化不不大大的的天天然然河河沟沟上上采采用用。。3）跌跌水水井井式式洞洞口口在排排出出傍傍山山较较长长距距离离内内的的边边沟沟及及截截水水沟沟的的水水时时，，由由于于进进水水口口涵涵底底低低于于边边沟沟底底，，就就需需设设边边沟沟跌跌水水井井洞洞口口。。具具有有效效能能和和沉沉淀淀泥泥沙沙的的作作用用。。4）流流线线型型洞洞口口当涵涵洞洞进进水水口口端端节节升升高高，，立立面面上上形形成成流流线线型型。。当当用用于于压压力力式式涵涵洞洞时时，，可可使使涵涵内内充充满满水水；；当当用用于于无无压压力力式式涵涵洞洞时时，，可可有有效效地地提提高高涵涵洞洞的的泄泄水水能能力力。。5）斜斜交交涵涵洞洞洞洞口口当涵涵洞洞与与路路线线斜斜交交时时，，洞洞口口布布置置常常见见的的有有两两种种方方法法：：斜交交正正做做洞口口和和斜交交斜斜做做洞口口。。二、、涵涵洞洞进进出出口口沟沟床床的的处处理理涵洞洞进进出出口口沟沟床床的的处处理理与与涵涵洞洞本本身身设设置置的的坡坡度度和和涵涵洞洞上上下下游游河河沟沟的的纵纵坡坡有有关关，，加加固固防防护护类类型型应应根根据据土土质质和和流流速速而而定定。。1、进进水水洞洞口口沟沟床床加加固固处处理理1）缓缓坡坡涵涵洞洞进进水水口口沟沟床床加加固固①在在纵纵坡坡小小于于10%的顺顺直直河河沟沟上上，，涵涵洞洞常常顺顺河河沟沟纵纵坡坡设设置置，，进进水水洞洞口口一一般般在在翼翼墙墙间间采用用干干砌砌片片石石铺铺砌砌加加固固。对对流流速速较较小小、、孔孔径径较较大大的的多多孔孔涵涵洞洞，，可可采采用用U形铺铺砌砌式式。。②当涵涵前前天天然然河河沟沟纵纵坡坡为为10%~40%时，，进进口口处处开开挖挖沟沟槽槽的的纵纵坡坡可可取取1:4~1:10。除除岩岩石石地地质质外外，，新新开开挖挖的的沟沟底底、、河河槽槽侧侧向向边边坡坡以以及及路路基基边边坡坡均需需铺铺砌砌加加固固。由由于于涵涵前前沟沟底底纵纵坡坡较较大大，，水水流流在在进进口口处处产产生生水水跃跃，，应应在在进进口口前前设设置置一一段段缓缓坡坡，，其其长长度度约约为为1~2倍的的涵涵洞洞孔孔径径。。当当水水流流携携带带泥泥沙沙较较多多时时，，可可在在进进口口处处设设约约0.5m的沉沉沙沙池池，，既既能能沉沉淀淀泥泥沙沙，，又又可可以以起起到到消消能能的的作作用用。。缓坡坡涵涵洞洞进进水水口口沟沟底底及及沟沟槽槽边边坡坡加加固固a)缓坡坡涵涵前前设设置置较较陡陡纵纵坡坡b)缓坡坡涵涵前前设设沉沉沙沙池池2）陡陡坡坡涵涵洞洞进进水水口口沟沟床床加加固固①当当涵涵前前河河沟沟纵纵坡坡大大于于50%，且且水水流流流流速速很很大大时时，，涵涵洞洞进进口口处处需设设置置急急流流槽槽或或跌跌水水等等消消能能设设施施。上上游游沟沟槽槽为为非非岩岩石石土土基基时时，，开开挖挖纵纵坡坡一一般般可可取取1:1~1:2，以以确确保保沟沟床床稳稳定定。。当当上上游游沟沟槽槽做做成成梯梯形形断断面面时时，，应应对对沟沟壁壁进进行行铺铺砌砌加加固固，，如如图图9-4-6a所示。当上游游沟槽做成矩矩形断面的急急流槽时，两两侧边墙厚度度一般采用40cm，槽宽等于涵涵洞孔径,如图9-4-6b所示。为保证证急流槽的稳稳定，槽底宜宜每隔150~200cm设置防滑墙一一道。②当涵洞及涵前前均应位于良良