涵洞水力荷载结构计算及挡土建筑物设计

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0.8m—0.5m，壁厚为内径的1/10—1/15，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1:1—1:1.5，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1/12—1/13(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≥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）计算类型型和计算方法（1）已知洞身断面尺尺寸、进口水深及及出口水深，确定定涵洞的过水流量量。（可根据判别别的流态直接按相相应的流量公式计计算）（2）已知设计流量、、进口水深及出口口水深，确定洞身身断面尺寸（设计计中常见）。（3）已知设计流量、、洞身断面尺寸及及出口水深，确定定进口水深（设计计中常见）。（4）渠涵（暗渠）的的水力计算。无压流短洞孔径计计算例题1已知某矩形断面涵涵洞设计流量，，洞身长度，，纵坡，，糙率率，，进口水水深m，出口水深h=3.5m，上游行近流速V=0.7m/s，试计算确定洞身身断面尺寸。解：1.流态判别根据进口水深及出出口水深高度，拟拟定洞身高度为D=4.0m据H/D=4.05/4=1.012,知H=1.012D<1.2D；同时因下游水深深低于洞顶，可判判定其流态为无压压流。水面以上净空高度度为D-h=4-3.5=0.5（m）符合净空的要求求。无压涵洞水面以上上的净宽高度单单位：m洞身水面以上的净净空面积为洞身横横断面面积的0.5/4=0.125，满足不小于洞身身横断面面积10%～30%的要求。2.长、短洞的判别无压流短洞的界线线长度为因洞长L=30m<8H，故此洞应为无压压流短洞。3.洞身宽度计算进口净高圆涵拱涵矩形涵洞≤≤3≥D/4≥D/4≥D/6>3≥0.75≥0.75≥0.5(1)淹没系数计算计算进口水深包括行近流速水头头在内的进口水深深为：比值计计算淹没系数：（2）采用流量系数m为0.36，侧收缩系数为为0.95，计算洞身宽度为为：无压流长洞孔径计计算例题2已知某矩形断面涵涵洞设计流量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，试计算确定洞身身断面尺寸。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=1.012D<1.2D；同时因下游水深深低于洞顶，可判判定其流态为无压压流。二、长、短洞判别别无压流短洞的界线线长度为因洞长L=100m>8H，故此洞应为无压压流长洞。三、洞身宽度计算算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=0.9473.48=3.296（m）矩形过水断面水深深及底宽计算表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h0>hk,洞底为缓坡，同时时因出口水深h>h0,故知洞内水面线为为α型壅水曲线，水深深由出口断面向上上游沿程逐渐减小小。（3）水面线计算。1）分段求和发的水水面线计算公式本例将洞身分为4个分段：洞出口控控制断面号为1，一次向上游的断断面号为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，个计算断面水深深应向上游正常水水深线N-N,沿程逐渐减小，依依次向上游设断面面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的水深要根据计算算结果进行调整，，如果4个分段计算长度之之和大于洞长，则则要加大断面5的水深重新计算第第4分段的长度，直至至个分段的计算长长度之和等于洞长长，所拟定的断面面5的水深即为所求的的洞进口内水深h2。2）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）其余各分段计算算。按上述相同方法计计算第2、3、4分段的长度，计算算结果列于表。洞内水面线计算成成果表表中断面5的水深h=3.463m，是经修正后的水水深，4个分段的计算长度度之和为99.711≈100（m），洞进口的水深深即为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头在内的进口水深深为：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，计算相应于洞身身宽度为3.48m的流量为：4.计算成果分析此计算流量值与设设计流量相等，表表明拟定的洞宽3.48m即为所求洞宽。在在实际计算中，需需多次改变拟定的的洞宽重复计算，，直至计算流量与与给定的设计流量量相等。作业题1.已知某矩形断面涵涵洞设计流量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，试计算确定洞身身断面尺寸。（（无淹没影响）2.已知某矩形断面涵涵洞设计流量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，涵洞进口连接段段采用八字形直墙墙的布置型式，试试计算确定洞身断断面尺寸。3.已知某矩形断面涵涵洞设计流量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，涵洞进出口连接接段采用扭曲面墙墙的布置型式，试试计算确定洞身断断面尺寸。4.涵洞的消能防冲设设计（1）涵洞消能设计的的特点（2）深挖式消力池计计算方法（3）消力池底板厚度度计算（4）海漫长度计算（5）海漫末端沟槽冲冲刷深度及防冲槽槽深度计算（1）涵洞消能设计的的特点确定下游收缩水深深及其共轭的跃后后水深，比较跃后后水深与下游尾水水深的关系，判断断是否需布置消能能设施。无压流（长洞、短短洞）有无淹没影影响以下需布置消能设设施：半有压力流非淹没压力流淹没压力流涵洞上游总能头确确定的原则五种情情况:①无压流短洞的流态态类似于宽顶堰及及开敞式水闸，按按洞进口前断面的水位位及流速计算。②无压流长洞的上游游总能头按洞出口口端断面计算，当当出口水深h大于临界水深时，，出口端断面的水水深为h；当出口水深h小于临界水深时hk，出口端断面的水水深为hk。③半压力流涵洞的上上游总能头按洞出出口端断面计算，，出口端断面的水深为为β1D。④非淹没压力流涵洞洞的上游总能头按按洞出口端断面计计算出口端断面的水深深为0.85β1D。⑤淹没压力流涵洞的的上游总能头按涵涵洞进口断面计算算的总能头减去洞身进进口局部水头损失失及沿程水头损失失。（2）深挖式消力池计计算方法消力池深度及长度度的计算公式d为消力池深度，σ为水跃淹没系数σσσ例题已知知某涵洞设计流量量Q=40m3/s，洞身长度L=30m，洞身高D=4.0m，宽B=3.5m，纵坡i=0.002，出口洞底至下游游渠底的跌差P=2.0m，从进口洞底算起起的进口水深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）判别下游水流的的衔接型式，确定定是否需要设消力力池1）上游总能头T0的计算。2）收缩水深hc的计算。利用excel表算的收缩水深深hc=1.226m。3）跃后水深的计算4）判断是否需要设设消力池（2）消力池深度计算算b1采用与洞宽相等，，b1=B=3.5m，b2与下游渠底宽相等等b2=4.0m。1）第一次池深计算算计算跃后水深：计算出池水位落差差，式中单宽流量量按消力池末端底底宽计算：计算消力池深，第第一次池深计算时时式中水跃淹没系系数采用=1.102）第2次池深计算设消力池后，上游游总能头应相应加加大，重新计算由由消力池底板顶面面算起的上游总能能头T0：T0=6.136+1.047=7.183（m）利用excel计算收缩水深hc，式中单宽流量按按洞宽计算，水流流动能校正系数采采用α=1.0，流速系数采用0.95，试算得hc=1.101m。计算跃后水深：计算出池水位落差差，单宽流量按消消力池末端底宽计计算计算消力池深，第第二次池深计算时时式中水跃淹没系系数采用1.05：3）第3次池深计算按池深d=1.121m重新计算由消力池池底板算起的上游游总能头T0:T0=6.136+1.121=7.257(m)按上述方法同理计计算得d=1.138m。第三次计算的消消力池深与第二次次的计算深度已接接近，一般计算2～3次即可满足精度要要求，根据上述计计算成果，可采用用消力池深度d=1.2m。（3）消力池长度计算算斜坡段坡度采用1：3，其水平投影长度度为：采用水跃长度校正正系数，，消力池池长度为：（3）消力池底板厚度度计算按《水闸设计规范》，涵洞消力池底板板厚度可根据抗冲和抗浮要求确定定，并取其较大值值。抗冲要求：抗浮要求：消力池末端厚度采采用t/2，但不宜小于0.5m。消力池底板一般设设有排水孔，作用用在消力池底板底底面的渗透压力很小，故故设计中先计算厚厚度t，然后演算底板安安全系数k2，演算公式为：例题已知某某涵洞设计流量Q=40m3/s，洞身高D=3.2m，宽B=2.6m，长L=30m，洞底纵坡i=0.002，出口洞底至下游游渠底的跌差P=1.0m，从进口洞底起算算的进口水深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度，底板设有排水水孔。解：（1）按抗冲要求计算算消力池进口处的单单宽流量为：上游总能头为：T0=6.234（m）消力池底板计算系系数采用0.15，计算消力池底板板始端厚度为：（2）按抗浮要求演算算按抗冲要求计算，，取消力池底板为为等厚t=0.95m【】消力池中的水流为为淹没式水跃，水水平段的水深近似似为跃后水深4.504m，作用在消力池底底板顶面的水重近近似为跃前收缩断面水深深为hc=1.721m，相应为作用在消消力池底板上的脉动压力力为：因消力池底板设有有排水孔，可不考考虑渗透压力，作作用在消力池底板底面的的扬压力主要为浮浮力：底板采用混凝土材材料，重度为24kN/m3,验算底板安全系数为：消力池底板采用等等厚0.95m，可满足抗冲及抗抗浮要求。（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，，海漫长度可按下下式计算：（5）海漫末端沟槽冲冲刷深度及防冲槽槽深度计算按《水闸设计规范》海漫末端沟槽冲刷刷深度按下式计算算：当沟槽冲刷深度计计算值较大时，一一般防冲槽深度为为1.0-2.0m,底宽为1-2倍槽身，防冲槽的的上下游鞭炮1：2-1:4,两侧边坡坡度可与两岸岸坡相同。例题已知某涵洞洞设计流量Q=40m3/s，洞身高D=3.2m，宽B=2.6m，长L=30m，洞底纵坡i=0.002，出口洞底至下游游渠底的跌差P=1.0m，从进口洞底起算算的进口水深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，渠槽土质为黏土土。解：（1）海漫长度计算消力池末端单宽流流量为：上游总能头为：T0=6.234（m）查表海漫长度计算算系数为：Ks=7计算海漫长度为：：（2）海漫末端渠槽冲冲刷深度及防冲槽槽深度计算。海漫末端单宽流量量为：查表采用渠槽允许许不冲流速1.0海漫末端冲槽深度度为：根据计算结果，采采用防冲深度为2.0m，因计算冲刷深度度较深，适当加大防防冲槽断面，采用用底宽2.0m，上游边坡1：4，下游边坡1:2.一、洞顶垂直土压压力计算二、侧向水平土压压力计算三、水压力计算四、汽车车辆荷载载计算五、自重力计算六、荷载的作用分分项系数第二节荷载计计算一、洞顶垂直土压压力计算1.上埋式涵洞垂直土土压力计算上埋式涵洞土压力力系数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1.01.201.251.261.251.241.22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.沟埋式涵涵洞垂直直土压力力计算（（暗渠））当填土夯夯实较差差，B-B1<2m时地基种类Hd/B10123456岩基1.00.820.70.600.530.450.40密实砂类土、坚硬或硬塑粘土1.00.850.730.640.550.480.44中密砂类土、可塑粘性土1.00.870.760.670.580.520.47松散砂类土、流塑或软塑粘性土1.00.890.780.700.620.550.50沟埋式涵涵洞土压压力系数数Kg值当填土夯夯实良好好，B-B1>2m时其中，B为沟槽宽宽度，Kg垂直土压压力系数。二、侧向向水平土土压力计计算沟埋式B0-B1>2m时水平土土压力强强度标准准值同上上埋式B0-B1≤2m时，乘上上系数Kn三、水压压力计算算1.内水压力力计算作用于底底板顶面面的均布布内水压压力（水水重）强强度标准准值为：：有压涵洞洞:作用于底底板顶面面的均布布内水压压力（水水重及水水头压力力）强度度标准值为：作用于顶顶板底面面的均布布内水压压力强度度标准值值为：2.外水压力力计算当地下水水位平顶顶板底面面：作用于底底板底面面的均布布外水压压力（浮浮托力））强度标标准值为为：当地下水水位超过过洞顶时时：作用于侧侧墙的外外水压力力：作用于底底板底面面的均布布外水压压力（浮浮托力））强度标标准值：：作用于顶顶板顶面面的均布布外水压压力强度度标准值值为：四、汽车车车辆荷荷载计算算各级公路路桥涵设设计的汽汽车荷载载等级按按规范，，按《公路工程技术规规范》确定。按《公路桥涵涵设计通通用规范范》计算涵洞洞顶上车车辆荷载载引起的竖向向土压力力时，车车轮按其其着地面面积的边边缘向下下作30°角分布。洞洞顶承受受的汽车车荷载为为后轴重重力通过过车轮按按30°扩散角传至洞洞顶的均均布荷载载为：五、自重重力计算算作用于顶顶板的自自重力为为顶板的的自重：：作用于底底板底面面的自重重力为顶顶板自重重与侧墙墙及中隔隔墙自重重部分:六、荷载载的作用用分项系系数（按《水工建筑筑物荷载载设计规规范》确定）(1)埋管上垂垂直土压压力、侧侧向土压压力的作作用分项项系数，，当其作作用效应应对管体体不利时时应采用用1.1，有利时时采用0.9。(2)静水压力力（包括括外水压压力）的的作用分分项系数数应采用用1.1(3)混凝土结结构自重重的作用用分项系系数，当当其作用用效应对对结构不不利时应应采用1.05，有利时时采用0.95。(4)汽车荷载载的作用用分项系系数，按按JTGD60-2004《《公路桥涵涵设计规规范》的规定为为1.4。一、弯矩矩分配法法计算单单孔及双双孔箱涵涵弯矩二、单孔孔箱涵的的结构计计算三、双孔孔箱涵的的结构计计算第三节箱箱涵涵的结构构设计箱涵的结结构设计计主要为为内力计计算及钢钢筋混凝凝土结构构计算。。内力计算算：弯矩矩、轴力力、剪力力（可用用Excel进行内力力计算））弯矩计算算方法：：查表法：：适用于于顶板与与底板等等厚及侧侧墙与中中隔墙等等厚弯矩分配配法：对对称结构构箱涵（（单孔、、双孔箱箱涵）迭代法：：三孔箱箱涵一、弯矩矩分配法法计算单单孔及双双孔箱涵涵弯矩1.计算简图图及符号号说明单孔箱涵涵计算简简图双孔箱涵涵计算简简图2.计算方法法及计算算公式1）单孔的的固端弯弯矩、分分配系数数及传递递系数杆端弯矩矩的传递递系数：：远端（（k端）为固固定端时时的传递递系数为1/2；远端（（k端）为可可移动但但不可转转动支承承时的传传递系数数为-1。即杆件件AB向B端的传递递系数及及杆件BA向A端的传递递系数为1/2，杆件AC向C端的传递递系数及及杆件BD向D端的传递递系数均为-1。【例题】某单孔钢钢筋混凝凝土穿堤堤箱型涵涵洞，堤堤顶至顶顶板顶面面的堤身填填土高度度为Hd=3.2m，填土内内摩擦角角φ=30。。洞身净净宽B=3.5m，净高H=3.0m。底板厚厚d1=0.3m,加腋尺寸寸0.25m*0.25m。地基为为密实砂砂类土，，地下水水位低于于洞底。。堤顶不不通汽车。洞进进口水深深2.8m，出口水水深2.2m，洞身纵纵剖面布布置示意意图、洞身身横剖面面结构尺尺寸如图图。本涵涵洞的过过水流量量大于20m3/s，按GB50228-99《灌溉与排排水工程程设计