小桥涵水力计算

第五章小桥涵水力计算2第五章小桥涵水力计算第一节小桥涵水力计算概要第二节小桥水力计算第三节涵洞水力计算第四节确定小桥涵孔径经验方法35-1小桥涵水力计算概要概念：1.孔径：指桥涵下过水净空的大小，它是桥涵设计的基本尺寸。2.通常桥梁孔径用孔数和单孔跨径表示：2—13m3.涵洞孔径用孔数、单孔跨径和涵台高度表示：2—250×200cm2（孔数—标准跨径×涵台高度）4.圆管涵则用涵管的孔数和内径表示：2—150cm4一、任务及内容1.任务小桥涵水力计算主要是解决小桥涵孔径尺寸问题，通过水力计算，确定桥涵孔径大小，以确保设计流量顺利安全地通过桥（涵）下，而不发生不利冲刷、水毁以及不利的壅水。孔径计算的任务是：在足以宣泄设计洪水流量并保证桥涵前雍水不致过高、桥涵下流速不致冲刷河床或结构物的条件下，通过水力计算确定合理经济的桥涵孔径尺寸。5一、任务及内容2.内容（1）确定桥涵的孔径尺寸大小；（2）确定河床（进出口）加固的类型和尺寸，上下游需设各种消能（力）设施的类型和尺寸；（3）计算并确定壅水高度，小桥桥面最低标高或小桥涵顶上的最低路堤标高；（4）确定桥（涵）跨布孔方案。6二、小桥涵水力计算的特点1.小桥孔径计算的特点（1）跨径与台高之间无一定比例关系，孔径计算主要是解决跨径长度问题；（2）桥身断面的过水阻力小（桥台宽度较小），沿程阻力忽略不计；（3）一般不加固河床，允许不冲刷流速是小桥孔径计算的重要控制条件；（4）要求有一定的净空高度，计算时按水力学的宽顶堰计算。7大中桥与小桥孔径计算有什么不同？大中桥孔径计算以冲刷系数作控制条件，容许桥下发生一定的冲刷，采用天然河槽断面平均流速作为桥孔设计流速，并按自由出流条件，由计算的过水面积推求桥孔长度；小桥孔径计算则以容许不冲刷流速作为控制条件，河床不容许发生冲刷，但容许有较大的桥前壅水高度，须考虑桥孔的出流状态，按此确定桥孔长度。8二、小桥涵水力计算的特点2.涵洞孔径计算的特点（1）跨径与台高之间有一定比例关系，其经济比例通常为1∶1～1∶1.5，孔径计算要解决跨径及台高两个关系；（2）考虑洞身过水阻力的影响，因为过水孔道长而小；（3）通常人工加固河床，提高允许流速；（4）洞身水流可充满洞身并可触及洞顶。9二、小桥涵水力计算的特点涵洞孔径计算与小桥孔径计算有什么不同？涵洞洞身随路基填土高度增加而增长，洞身断面尺寸对工程量影响较大。因此计算涵洞孔径时，还要求跨径与台高有一定的比例关系。通常采用加固河床提高容许流速的办法来减小涵洞孔径，由于河床加固后的容许流速都比较高，如计算孔径时仍按容许不冲刷流速控制，根据设计流量计算出涵洞孔径会很小，从而使得涵前水深增加，它将危及到涵洞与路堤的安全。因此，控制涵前水深、满足泄流要求与具有一定合适断面高宽比例，是涵洞孔径计算的基本要求。10三、小桥涵孔径计算的一般要求（1）小桥涵孔径必须保证设计洪水、流水和漂流物等的安全通过；必须满足交通、农田灌溉、排涝和排碱等的合理需要；同时要考虑桥涵前积水影响路堤的稳定和农田村舍的受淹影响，通过全面分析，从而选定孔径。（2）小桥涵孔径不应单凭流量计算资料来确定，其他如流域水文特征、沟槽形态、地质特点、冲淤情况、人类活动等对桥涵孔径大小都会产生影响，在确定孔径时，应充分给与考虑。（3）小桥涵孔径应采用标准孔径，并应大于规定的最小孔径要求。（4）小桥宜设计为非自由出流状态，涵洞应设计为无压力式。11三、小桥涵孔径计算的一般要求（5）有压涵洞水压力较大，沉陷缝处容易漏水，危及基础和路堤，所以涵洞应设计为无压的，仅在特殊情况下，有充分的技术经济比较依据时，方可采用有压涵洞。（6）涵洞可设计成单孔或双孔。由于多孔涵洞流量分配不均匀，使个别涵孔通过流量有可能超过设计标准，故不宜修建，只有个别情况在技术和经济上均属适宜时，方可采用多孔。（7）小桥涵孔径式样，在同一区段内应力求简化，以便于施工及养护维修。12四、小桥涵孔径与水毁1.公路桥涵水毁的成因分析2.小桥涵水毁的防治13公路桥涵水毁的成因分析从小桥涵水毁实况，可归纳其水毁主要成因：（1）较大孔径的小桥、涵洞，由于基础的埋置深度不够或未设必要的调治防护构造物，而致桥台及涵洞进出口被冲毁。（2）涵洞压缩水流过大，在墩台周围形成高速螺旋水流，剧烈地冲刷床面泥沙，墩台前形成一个漏斗形的冲刷坑而危及墩台。同时，冲起的泥砂随水流挟带运往下游，有时在墩台的两侧逐渐下沉，造成淤塞。（3）公路沿线的小桥、涵洞布置的数量少，排水系统不完善，或河沟上游有堆积物、漂浮物，导致小桥涵堵塞，引起洪水漫流路面，冲蚀路肩乃至毁坏路基或桥涵。14公路桥涵水毁的成因分析（4）小桥涵进水口紧接较陡的山坡，进水口处的路基及防护构造物由于洪水急流的顶冲而被摧毁，或因为淘刷基础造成了水毁。（5）受资金、材料的限制，公路标准低、质量差，缺少排水和防护构造物；平原地区的路基标高太低，填土高度较小；多年来农、林、水和公路建设欠协调，破坏了生态平衡，同时公路桥涵的抗灾能力降低，严重的则发生了水毁。15小桥涵水毁的防治（1）注意小桥涵设计的合理性。桥涵位置的选定、结构的形式、净孔的大小、进出口的布置等一系列因素，均不可忽视。（2）平原地区桥涵设计既要加大桥涵底纵坡，又要注意进出口水流的纵向顺畅衔接。进口宜扩大引纳水流，有条件时，涵洞进口可采用流线形（升高管节式）。（3）山区水流流速较大，当桥涵处地基为土质时，为了防止严重冲刷，应铺砌加固桥涵下的河沟底面。下游出口可采用挑坎（一、二、三级挑坎）或加设急流槽、消力池、消力槛等消能设施。16小桥涵水毁的防治（4）对上游蜿蜒曲折的河沟段，可裁弯取直，改善水流条件。有时还可以在桥涵前河沟的上游，加设消力池等消能设施，以达到降低流速，沉积泥沙的目的。由上述分析可见，孔径是影响小桥涵水毁的重要因素，正确进行小桥涵水力计算，合理确定小桥涵孔径是防止水毁的重要措施之一。17五、小桥涵水流状态1.水流类型水流的类型有临界流、缓流、急流三类。当计算基线通过河底时，位能：动能：能率：pEH22kvEg220222pkvQEEEHHgg18五、小桥涵水流状态当流量及流水断面形状为已知时，能率为水深的函数：0()EfH0EH位能线动能线能率线khCC点的能率最小，称为临界点。其对应水深为临界水深其相应流速称为临界流速khkv19五、小桥涵水流状态缓流：临界流：急流：0,,kkHhvvEH随的增大而增大0=,=,kkHhvvE为最小0,,kkHhvvEH随的增大而减小20五、小桥涵水流状态2.临界流及其水力参数临界流就是水深等于临界水深时的一种特殊的水流状态。主要参数有：（1）临界水深（2）临界流速（3）临界坡度21（1）临界水深临界水深时的能率最小，有2202312dEdQQdHdHdHggdH00dEdH对任何形状的断面，有，B为水面宽度。因此或dBdH2310QBgQBg22临界水深对于矩形断面kbh临界水深：231()kQbgbh临界水深计算公式：232kQhbg或：2kkvhg23（2）临界流速临界流速：1kkkkkkkkgQvgBB因此而（断面平均水深）hBkvgh对于矩形断面对于梯形断面kkvgh2kkkkbmhvghbmh24（3）临界坡度用谢才流速公式计算流经河槽的流量QCRI当水流为临界流时，,kkkkgQIIBkkkkkkgCRIB因此，临界坡度22kkkkkkkgghICRBCR25临界坡度当为矩形断面时，22kkkkvICR谢才系数C用满宁系数表达，161kkCRn因此，243kknghIR当为矩形断面时，243kkknvIR265-2小桥水力计算一、小桥水力计算图式通过桥下水流，由于受到桥头路堤和墩台的挤束，将使桥下流速增大。若桥下水流压缩很小，则孔径偏大很不经济；若压缩过大，虽然孔径可以减小，可节省工程数量，但会造成上游水淹没农田，且桥下流速过大需要很坚固的河床加固，并且水流出桥后会冲刷河床及冲毁下游农田，直接影响路基和桥梁使用安全。因此，在一般情况下，权衡利弊，选择适当的压缩程度以使桥孔设计较为经济合理。桥孔压缩改变天然水流状态后，桥下的水流状态还受桥下游沟槽天然水深的影响。按宽顶堰流理论，小桥下的水流可有自由出流及非自由出流(又叫淹没出流)两种水力图式。27小桥水力计算图式1．自由出流根据试验分析，当下游水深小于或等于临界水深的1.3倍时，桥下为临界水流状态，则为自由出流。这时桥下游天然水深不影响桥下水出流，桥下的过水量仅与桥下临界水深有关，此种图式类似于流水通过不淹没式宽顶堰情况。自由出流的水力条件：1.3tLjhh28小桥水力计算图式2.非自由出流当桥下游水深大于临界水深的1.3倍时，由于下游水位的顶托作用，桥下临界水深被淹没，桥下水深即为天然水深，形成非自由出流。此时桥下游水深直接影响桥下水流出流，使桥下流速降低，过水流量比自由出流有所减少。非自由出流的水力条件：1.3tLjhh29二、方法步骤1.判定桥下水力图式（1）确定天然水深ht试算法公式法（2）确定桥下临界水深hk（3）判断桥下水力图式2.确定桥梁跨径长度L3.计算桥前水深H4.确定桥头路堤及桥面最低高程a.试算法先假定不同水位下的天然水深ht，即可从实测河床断面上求出过水面积w及湿周x，按表计算出相应的流速、流量。30确定天然水深水位天然水深16CmR2132vmRiQvthxRxi如求得流量与已知的设计流量相差不超过10%，则所假定的ht及vt可作为以后孔径计算的依据，否则应另行假定ht，重新计算。31确定天然水深b.公式法如将河床断面规则化，用三角形代替，31288335888(1)1.1892stQahmia其中：——设计流量（m3/s）——河床边坡系数——河床主河沟平均纵坡——河床糙率sQaim32确定天然水深公式法步骤①先按照等面积原理及原河床断面接近的原则，将河床断面规则化，使之用三角形代替2Bah边坡系数：②由即可求出③相应流速saQmi、、、th2ssttQQvah33判断桥下水力图式（2）确定桥下临界水深220.102LjLjLjvhvg桥下平均临界水深：其中对于桥下临界流速，孔径计算时按桥下的允许不冲刷流速控制，查附表1-35～1-38临界水深按断面形状分别计算对于矩形及宽的梯形桥孔断面，对于狭和深的梯形桥孔断面，LjvLjLjhh242LjLjLjLjLjBBmBhhm34判断桥下水力图式（3）判断桥下水力图式自由出流：非自由出流：1.3tLjhh1.3tLjhh35方法步骤2.确定桥梁跨径长度L（1）自由出流时由流量基本公式，当通过设计流量时，桥下临界断面处sLjQv而LjLjhB因此3LjsLjvQBg36自由出流时确定桥梁跨径长度L考虑水流流入桥孔时受侧向收缩的影响，自由出流时临界断面水宽度公式：3sLjLjgQBv其中：——桥下临界断面的水面宽度（m）——设计流量（m3/s）——临界流速（m/s），计算时按允许不冲刷流速控制——侧向挤压系数sQLjvLjB37自由出流时确定桥梁跨径长度L当为多孔桥时，应考虑桥墩的阻水宽度3sLjLjgQBNdv其中：——中墩个数——中墩在水面线上顺桥跨方向的宽度dN38自由出流时确定桥梁跨径长度L当桥孔断面为矩形时，桥跨长度LjLB其中：——桥梁上部构造底面高出设计洪水位的高度——桥跨长度Lh当桥孔断面为梯形时，桥跨长度2LjLBmh39确定桥梁跨径长度L（2）非自由出流时此时桥下水深即为河槽的天然水深，则过水断面的平均宽度：sptyQBNdhv当桥孔断面为矩形时，桥跨长度pLB当桥孔断面为梯形时，桥跨长度2pLBmh40斜交桥如斜交桥斜度为，所需桥跨长度1sincosLbL其中：——桥台宽度（m）1b413.计算桥前水深（1）自由出流时根据桥前断面与桥下临界断面的伯努里方程可推