第五章--涵洞设计

第五章涵洞设计5.1概述5.1.1涵洞分类按建筑材料，涵洞分为石涵、混凝土涵、钢筋混凝土涵、钢波纹管涵等按构造形式，涵洞分为管涵、盖板涵、拱涵、箱涵等按填土高度，涵洞分为明涵、暗涵。当涵洞洞顶填土高度小于0.5m时称明涵，当涵洞洞顶填土高度大于或等于0.5m时称为暗涵。按水力性质，涵洞分为无压力式、半压力式、压力式三种。5.1.2涵洞选用原则涵洞应根据所在公路的使用任务、性质和将来的发展需要，按照实用、经济、安全和美观的原则进行设计。同时，公路涵洞设计应适当考虑农田排灌的需要。适当考虑各方面的综合利用。涵洞主要是为了排泄地面水流而设置的横穿路基的小型排水构造物，其布置应结合地形、地物、地质等条件沿路合理布置，用来排水的涵洞应尽量与水流方向一致，与路线方向垂直，避免布置不当引起的壅水、涡流、下游冲刷过大等现象。5.2涵洞拟定与设计5.2.1圆管涵设计圆管涵的标准跨径通常取50、75、100、125、150（cm）。本设计为山区丘陵地按一沟一涵设计涵洞，下面以排水总体规划图中K0+380处的涵洞计算为例，参考资料为《公路排水设计手册》，以下系数及表均由此书中摘取。采用的方法为径流形成法，此法是以暴雨资料为主推算小流域洪水流量的一种方法，是公路部门目前普遍使用的一种计算方法，该公式只适用于汇水面积F≤30km2的小流域。①设计流量：βγδ)-(ψ5423FzhQp＝(5.1)式中：QP——规定频率为P时的雨洪设计流量（m3/s）F——汇水面积（km2），根据详细设计平面图计算得：F=0.064km2h——暴雨径流厚度（mm）由表3.2-5查得本地区为暴雨分区的第三区由表3.2-7查得汇水区土的吸水类属第Ⅳ类由表3.2-6取汇流时间为t＝30min根据公路类型，本地区设计洪水频率为1/50根据以上四个因素值查表得h＝37mmZ——被植物或坑挖滞流的径流厚度由表3.2-8根据地面特征查表得Z＝5mmΨ——地貌系数，根据地型、汇水面积F、主河沟平均坡度Iz决定汇水面积F（km2）F＜10km2由表3.2-9查得Ψ=0.1β——洪峰传播的流量折减系数，由汇水面积重心至桥涵的距离（L0＝1Km）及汇水区的类型（丘陵汇水区）综合查3.2-10表得，本设计取β=1；γ——汇水区降雨不均匀的折减系数，查表3.2-11，由于汇水区得长度宽度均小于5Km，故不予考虑，取γ=1；δ——考虑湖泊或小水库调节作用对洪峰流量影响的折减系数，本地区有一个小池塘面积为3854m2，所以3854/64000=6%，查表3.2-12可得δ取0.99.将各值带入公式5-1计算得99.199.011064.0)5-37(1.05423＝＝×××××pQm3/s确定涵洞孔径d：初选临界水深hk时的充满度为hk/d=0.7。查3.3-3表，k=0.221。则管径为：52kgQdp×=(5.2)m35.1221.081.999.152=×=取管径d=1.5m。以d=1.5m代入计算时，可得053.081.95.199.152=×=k查表得到相应的475.0=dhk。故临界水深mhk7125.05.1475.0=×=临界流速和临界坡度的确定：查表可得，当475.0=dhk时，368.01=k，9975.02=k，2415.03=k。则：临界流速kv：21kgdkvk=(5.3)33.29975.05.181.9368.0=××=m/s临界坡度ki为：23/23222))(1(dknvRCvikkkkk==(5.4)15.4))2415.05.1(014.01(33.223/22=×=‰涵前水深：圆管涵洞门采用八字翼墙式，则流速系数取=Φ0.89，假设涵前流速Hv=0，则：gvgvhHHkk2-Φ22221+=(5.5)5.1≤02.189.081.9233.27125.02=××+=所以如果涵前流速0≥Hv，则涵前水深一定小于1.02，因此涵前水深满足规定。涵洞进水口处最小净空高度375.04δ≥613.0)15.1/02.1(-5.1)15.1/(-δ1=====dHd涵内正常水深H0和流速V0涵洞坡度为临界坡度即：ki=4.15‰，断面流量特征值5.00/iQK=(5.6)89.3000415.0/99.1/5.05.00===iQK满流时的断面流量特征值72.655.126.223/8=×=dK由47.072.65/89.30/0==dKK查表可得充满度482.0/0=dh，由此723.05.1482.00=×=h查表可得断面的流速特征值相对值98.0/0=dWW满流时的断面流速特征值为2.375.135.283/2=×=dW流速特征值46.362.3798.02.370=×=×=dWW涵内流速5.000iWv=(5.7)35.200415.046.365.05.000=×==iWv小于混凝土的圆管流速。采用临界坡度时，涵内正常水深h0和流速v0均与临界水深hk和临界流速vk相同。涵洞底坡等于临界坡度，涵前水深小于允许水深，涵洞进水口处得净空高度大于要求得最小净空高度，涵洞出口处水深（涵内水深）大于下游正常水深，涵洞水流状态为无压自由流。最大纵坡的确定：假设涵洞内正常流速采用允许流速（smv/0.60=），则涵洞纵坡可增大。由流量公式，涵内过水断面面积为20332.00.6/99.1mvQA===。则15.05.1332.0221===dAk，查表3.3-3的充满度25.00=dh。由此，正常水深375.05.125.00=×=hm。查表知断面的流速特征相对值702.0/0=dWW,其中2.37=dW由此：11.262.37702.00=×=W。则8.5211.260.6222020===Wvi‰。可见涵洞纵坡I可在ik=4.15‰～52.8‰范围内选择。确定涵洞长度mmihHmBL6.602.05.115.2-7.35.10.51-0＝）（）（＝上上上×+×+=++mmihHmBL78.702.05.1-12-7.35.10.5-1-0＝）（）（＝下下下××+=+式中：B——路基宽度，为10米B上,B下——由路基中心至上，下游路基边缘的宽度，当路基无加宽时均为0.5B，即为5.0米；H——路基填土总高度，即由路基中心至路基边缘高度，此涵洞处为3.7米h上，h下——涵洞上下游洞口建筑高度，h上取2.5米，h下取2米m——路基边坡坡度（按1：m），m=1：1.5i0——涵底坡度（以小数表示）i0=2%L上，L下——涵洞上，下游长度涵洞全长：L=L上+L下=6.6+7.78=14.38m