iAAA第五章 桥涵孔径设计

第第 5 章章 桥涵孔径设计桥涵孔径设计 （Bridge Opening Design）5.1.1 桥涵分类及桥位选择桥涵分类及桥位选择 （Bridge&Culvert Classification and Bridge Site Selection）1、桥涵分类桥涵分类 大中桥和小桥涵设计洪水标准是不一样的，桥大中桥和小桥涵设计洪水标准是不一样的，桥孔长度计算方法也不一样。孔长度计算方法也不一样。5.1 桥孔长度桥孔长度 （The Length of Bridge Opening）桥涵分类桥涵分类 多孔跨径总长多孔跨径总长 L(m)单孔跨径单孔跨径 L0(m)特大桥特大桥 L 500 L0 100 大大 桥桥100 L 500 40 L0 100 中中 桥桥 30 L 100 20 L0 40 小小 桥桥 8 L 30 5 L0 20 涵涵 洞洞 L 8 L0 5桥梁涵洞分类桥梁涵洞分类2、桥位选择（桥位选择（Bridge Site Selection）桥位桥位（bridge site）也称为桥址，就是桥梁中线）也称为桥址，就是桥梁中线（桥轴线）的位置。（桥轴线）的位置。桥位河段桥位河段（bridge location reach）是指水流受桥梁影响的河段。桥位设计（）是指水流受桥梁影响的河段。桥位设计（桥桥位选择位选择）是将桥位河段上的桥梁、桥头引道、路堤和）是将桥位河段上的桥梁、桥头引道、路堤和调治构造物等各项建筑物作为一个整体进行总体布置调治构造物等各项建筑物作为一个整体进行总体布置和设计。和设计。桥位设计在铁路工程中又称为桥位设计在铁路工程中又称为桥渡设计桥渡设计（bridge crossing design）。）。桥位设计的一般要求：桥位设计的一般要求：应从国民经济发展和国防需要出发，在整体布应从国民经济发展和国防需要出发，在整体布置上应与铁路、水利、航运、城市建设等方面相互配置上应与铁路、水利、航运、城市建设等方面相互配合；注意保护文物、环境和军事设施；同时应少占农合；注意保护文物、环境和军事设施；同时应少占农田，少拆迁有价值的建筑物。田，少拆迁有价值的建筑物。桥位方案应从政治、经济、技术上进行多方面比桥位方案应从政治、经济、技术上进行多方面比较；对于影响面大的桥位方案，还应征求有关部门的较；对于影响面大的桥位方案，还应征求有关部门的意见，并应遵循意见，并应遵循水法水法、河流、海洋、环境法规的、河流、海洋、环境法规的有关规定。有关规定。具体技术要求：按具体技术要求：按公路工程水文勘测设计规范公路工程水文勘测设计规范JTG C30-2002。5.1.2 桥位河段水流图式和桥孔布置原则桥位河段水流图式和桥孔布置原则 大中桥孔径设计的任务是根据设计流量、设计水大中桥孔径设计的任务是根据设计流量、设计水位、设计流速，推算出桥孔的最小长度和桥面中心的位、设计流速，推算出桥孔的最小长度和桥面中心的最低高程，作为确定桥孔方案的依据。最低高程，作为确定桥孔方案的依据。建桥以后，河流受到桥头引道的压缩和墩台阻水建桥以后，河流受到桥头引道的压缩和墩台阻水的影响，改变了水流和泥沙运动的天然状态，引起河的影响，改变了水流和泥沙运动的天然状态，引起河床的冲淤变形，导致水流对桥梁墩台基础的冲刷，危床的冲淤变形，导致水流对桥梁墩台基础的冲刷，危及桥梁的安全。因此，孔径的计算和布置，应以建桥及桥梁的安全。因此，孔径的计算和布置，应以建桥前后桥位河段内水流和泥沙运动的客观规律为依据。前后桥位河段内水流和泥沙运动的客观规律为依据。1 1、桥位河段水流图式、桥位河段水流图式 （flow pattern of bridge location reach）建桥后桥位河段的水流和泥沙运动状态是桥孔建桥后桥位河段的水流和泥沙运动状态是桥孔水力计算的依据，但桥位河段水流和泥沙运动十分水力计算的依据，但桥位河段水流和泥沙运动十分复杂，且建桥时无法知道复杂，且建桥时无法知道建桥以后的变化情况建桥以后的变化情况，目，目前只能在某些假定和实验的基础上，对缓流河段前只能在某些假定和实验的基础上，对缓流河段（弗汝德数（弗汝德数Fr 1）提出简化的水流图式，该水流图）提出简化的水流图式，该水流图式适用于我国大多数桥梁孔径的计算式适用于我国大多数桥梁孔径的计算。LB.h0桥墩桥墩J Jkhy水流图式反映了建桥以后水流图式反映了建桥以后桥孔长度、桥孔长度、桥前壅水和桥下冲刷桥前壅水和桥下冲刷三者之间的关系，三者之间的关系，可以作为桥孔设计的依据。可以作为桥孔设计的依据。2 2、桥孔布置的原则桥孔布置的原则 桥位选定后，桥孔的位置和大小，应与天然断面桥位选定后，桥孔的位置和大小，应与天然断面的流量分配相适应，要满足泄洪排沙的要求。的流量分配相适应，要满足泄洪排沙的要求。各类河段桥孔布设应符合下列要求：各类河段桥孔布设应符合下列要求：（1）山区河流）山区河流 峡谷河段一般宜单孔跨越，桥台不得深入河槽，峡谷河段一般宜单孔跨越，桥台不得深入河槽，墩台基础可置于不同高程的基岩上。开阔河段容许桥墩台基础可置于不同高程的基岩上。开阔河段容许桥头路堤压缩河滩，但不能压缩河槽。头路堤压缩河滩，但不能压缩河槽。（2）平原河流）平原河流顺直微弯和蜿蜒河段上顺直微弯和蜿蜒河段上，应预测河湾的发展和深泓线，应预测河湾的发展和深泓线的摆动，在深泓线的摆动范围内应布设桥孔；的摆动，在深泓线的摆动范围内应布设桥孔；分叉河段上分叉河段上，应在分叉道上分别架桥，对滩槽不稳定，应在分叉道上分别架桥，对滩槽不稳定的分叉河段，各叉桥孔应预估各叉分流比例的变化，的分叉河段，各叉桥孔应预估各叉分流比例的变化，各分叉过流能力之和应为上游分叉前的全河总流量的各分叉过流能力之和应为上游分叉前的全河总流量的1.21.8倍，越不稳定的分叉河段，取值越大；倍，越不稳定的分叉河段，取值越大；游荡型河段上游荡型河段上，桥孔不宜过多压缩河床，应结合治理，桥孔不宜过多压缩河床，应结合治理规划，辅以必要的整治工程，在深泓线可能摆动的范规划，辅以必要的整治工程，在深泓线可能摆动的范围内均应布设桥孔。围内均应布设桥孔。（3）山前区河流）山前区河流冲积漫流（山前扩散）河段上冲积漫流（山前扩散）河段上，桥位宜在河流上游狭，桥位宜在河流上游狭窄段或下游收缩处跨越。若桥位河床宽阔，水流具有窄段或下游收缩处跨越。若桥位河床宽阔，水流具有明显的分支时，可采用一河多桥的方案，并在各桥间明显的分支时，可采用一河多桥的方案，并在各桥间设置人字形封闭导流堤。桥下净空应考虑河床淤积的设置人字形封闭导流堤。桥下净空应考虑河床淤积的影响。影响。山前变迁河段上山前变迁河段上，允许压缩河滩，但需辅以适当的调，允许压缩河滩，但需辅以适当的调治建筑物。河滩路堤内不宜设置小桥或涵洞。如采用治建筑物。河滩路堤内不宜设置小桥或涵洞。如采用一河多桥的方案，临近主河槽的支叉需堵截。一河多桥的方案，临近主河槽的支叉需堵截。3 3、各类河段上桥孔布置的要求、各类河段上桥孔布置的要求 河流受很多因素的影响，既有共同的性质，又有河流受很多因素的影响，既有共同的性质，又有不同的特点。一条大河的各个河段也往往具有不同的不同的特点。一条大河的各个河段也往往具有不同的特征。桥位选择、桥孔设计、各项水文计算、墩台冲特征。桥位选择、桥孔设计、各项水文计算、墩台冲刷计算等，都需要了解桥位河段的具体特征，才能提刷计算等，都需要了解桥位河段的具体特征，才能提出切实可行的设计方案。为了满足桥涵设计的需要，出切实可行的设计方案。为了满足桥涵设计的需要，交通部门根据河段的稳定情况及河床的变形特征，对交通部门根据河段的稳定情况及河床的变形特征，对我国的河流进行分类。分类情况见表我国的河流进行分类。分类情况见表 2-6。具体应用时，在桥位上游不小于具体应用时，在桥位上游不小于34倍河宽，下倍河宽，下游不小于游不小于2倍河宽的范围内，进行观察分析（对于弯倍河宽的范围内，进行观察分析（对于弯曲河段，在桥位上游至少要包括一个河湾）。根据河曲河段，在桥位上游至少要包括一个河湾）。根据河段特性，对照表段特性，对照表 2-6 确定桥位河段的类型。河段稳定确定桥位河段的类型。河段稳定性及变形程度，可用性及变形程度，可用50年左右的演变过程，作为衡量年左右的演变过程，作为衡量标准。标准。不同类型的河段，桥孔布设的要求是不同的不同类型的河段，桥孔布设的要求是不同的，在实，在实际工作中，可参考设计手册、设计规范的规定，结际工作中，可参考设计手册、设计规范的规定，结合桥位河段的实际情况布设桥孔合桥位河段的实际情况布设桥孔。5.1.35.1.3 桥孔长度计算（大中桥）桥孔长度计算（大中桥）（The Length of Bridge Opening）桥孔长度（孔径）桥孔长度（孔径）：设计水位时两桥台前缘之间（埋：设计水位时两桥台前缘之间（埋入式桥台为两桥台护坡坡面之间）的水面宽度，以入式桥台为两桥台护坡坡面之间）的水面宽度，以L表示。表示。桥孔净长：桥孔净长：桥孔长度扣除全部桥墩宽度（顺桥方向）桥孔长度扣除全部桥墩宽度（顺桥方向）后称为桥孔净长，以后称为桥孔净长，以Lj 表示。表示。符号：符号：g：冲刷前桥下：冲刷前桥下 毛过水面积；毛过水面积；d：冲刷前桥墩所：冲刷前桥墩所 占过水面积；占过水面积；k：冲刷前墩台侧面涡流（：冲刷前墩台侧面涡流（vortex flow）所占过水面积）所占过水面积y：冲刷前桥下有效过水面积，：冲刷前桥下有效过水面积，y=g-k dj：冲刷前桥下净过水面积，：冲刷前桥下净过水面积，j=g d l ：单跨径（：单跨径（bridge span），），lj：单跨净跨径：单跨净跨径 lj=l-d1 1、冲刷系数法、冲刷系数法 桥台桥台（bridge abutment）桥台桥台（bridge abutment）桥墩（桥墩（bridge pier）LZSljldk 假定：假定：设计水位和设计流量不变设计水位和设计流量不变，刚建桥，桥下刚建桥，桥下未发生冲刷时，未发生冲刷时，按水力学的连续方程：按水力学的连续方程：PyPVQ 建桥后，桥孔压缩水流，桥下流速增大，达到一建桥后，桥孔压缩水流，桥下流速增大，达到一定数值时，桥下河槽就要开始冲刷（称为定数值时，桥下河槽就要开始冲刷（称为一般冲刷一般冲刷general scour）。随着冲刷的发展，断面不断扩大，）。随着冲刷的发展，断面不断扩大，水深逐渐加大水深逐渐加大。在水位和流量不变的情况下，断面。在水位和流量不变的情况下，断面的扩大必然会导致流速的降低，河槽的冲刷相应减的扩大必然会导致流速的降低，河槽的冲刷相应减缓，最终趋于停止。缓，最终趋于停止。每一个河段都有一个特定的流速，在一般冲刷的每一个河段都有一个特定的流速，在一般冲刷的过程中，当流速降到该流速时，桥下河槽的冲刷就停过程中，当流速降到该流速时，桥下河槽的冲刷就停止了。止了。如果能找到这个流速，以及冲刷停止时的过水如果能找到这个流速，以及冲刷停止时的过水断面面积，就可以设计桥孔长度了。断面面积，就可以设计桥孔长度了。别列柳伯斯基假定：别列柳伯斯基假定：在一般冲刷的过程中，在一般冲刷的过程中，桥下过水桥下过水面积不断扩大，水流流速逐渐降低，当过水面积不断扩大，水流流速逐渐降低，当过水面积扩大面积扩大到使桥下流速到使桥下流速降到降到等于天然河槽平均流速时，桥下冲等于天然河槽平均流速时，桥下冲刷即停止。他建议采用天然河槽平均流速作为河槽冲刷即停止。他建议采用天然河槽平均流速作为河槽冲刷停止时的平均流速。刷停止时的平均流速。计算桥孔长度时，计算桥孔长度时，取天然河槽平均流速作为设计取天然河槽平均流速作为设计流速（一般冲刷完成时的桥下平均流速）。流速（一般冲刷完成时的桥下平均流速）。过水面积：过水面积：引入冲刷系数引入冲刷系数P：冲前冲前冲后冲后 PP1，因此有，因此有 冲后冲后=P冲前冲前，y后后=Py前前。河河 流流 类类 型型 冲刷系数冲刷系数 备备 注注 山山 区区 峡谷段峡谷段 1.01.2无滩无滩 开阔段开阔段 1.11.4有滩有滩 山前区山前区半山区稳定段（包半山区稳定段（包括丘陵区）括丘陵区）变迁性河段变迁性河段 1.21.4 1.21.8在断面平均水深在断面平均水深11m时，才能使用时，才能使用接近接近1.8的较大值的较大值 平平 原原 区区 1.11.4表表5-2 冲刷系数冲刷系数P值表值表建桥后，桥下冲刷结束，河床稳定时：建桥后，桥下冲刷结束，河床稳定时：QP=y后后VS=PyVS 引入由于墩台侧面涡流阻水，引起桥下过水面积引入由于墩台侧面涡流阻水，引起桥下过水面积折减的系数：折减的系数：侧收缩系数（压缩系数）侧收缩系数（压缩系数）：)35(375.01 jSjylV 故有：故有：jy 代入代入 QP=PyVS，得：，得：)15(SPjPVQ 引入由于桥墩阻水引起桥下过水面积折减的系数引入由于桥墩阻水引起桥下过水面积折减的系数：gd 而而 ，代入（，代入（5-1）式，得：）式，得：gdgj )1()25()1(SPgPVQ 对宽浅形断面：对宽浅形断面：ld （5-1）（）（5-2）式为：）式为：为了保证设计洪水从桥下安全为了保证设计洪水从桥下安全通过，在设计桥梁时，理论上桥下必须预留的最小净通过，在设计桥梁时，理论上桥下必须预留的最小净过水面积或毛过水面积。过水面积或毛过水面积。)15(SPjPVQ )25()1(SPgPVQ 当桥位与水流斜交时，则为：当桥位与水流斜交时，则为：)35(cos)1(SPgPVQ为桥轴线的法线与水流方向的夹角。为桥轴线的法线与水流方向的夹角。具体应用时，采用在桥位断面图上布设桥孔方案，具体应用时，采用在桥位断面图上布设桥孔方案，量算桥下实有的毛过水面积（或净过水面积），若等量算桥下实有的毛过水面积（或净过水面积），若等于或略大于上述公式计算的面积，则布设的桥孔方案于或略大于上述公式计算的面积，则布设的桥孔方案即为所求。即为所求。具体步骤：具体步骤：1、布置桥孔方案布置桥孔方案Ll包括：桥孔长度、包括：桥孔长度、单跨径、孔数等单跨径、孔数等.确定单跨径时，需确定单跨径时，需要考虑流木、流冰要考虑流木、流冰和通航时对净跨径和通航时对净跨径2、量算桥下实有过水面积量算桥下实有过水面积gx的要求。可按表的要求。可按表5-4、表、表5-5确定。确定。主河槽一定主河槽一定要布置桥孔要布置桥孔4、确定桥孔长度确定桥孔长度比较比较gx 和和g 的大小：的大小：若若 gx g ，方案可行；，方案可行；若若 gx 1，浪程方向，浪程方向与路堤水边线夹角与路堤水边线夹角300，按修正后的波浪爬高：，按修正后的波浪爬高：)185(3sin21 eehh 横比降横比降（transverse slope）hw5、河湾超高河湾超高hw （height difference about transverse slope）通过河湾的水流受离心通过河湾的水流受离心力和重力的共同作用，力和重力的共同作用，表面水流从凸岸流向凹表面水流从凸岸流向凹岸，底层水流从凹岸流岸，底层水流从凹岸流向凸岸，形成一个环流，向凸岸，形成一个环流，称为称为螺旋流，螺旋流，水面会出水面会出现现横比降，横比降，使凹岸水面使凹岸水面升高。升高。凹岸冲刷形成深槽，凸岸发生淤积，形成浅滩，凹岸冲刷形成深槽，凸岸发生淤积，形成浅滩，凹岸水面高于凸岸，形成横比降。凹岸水面高于凸岸，形成横比降。凹岸水位与凸岸水位之差称为凹岸水位与凸岸水位之差称为河湾超高河湾超高：)195(2 gRBVhwhwVRB 确定桥面高程时，确定桥面高程时，h4=1/2hw。6、河床淤积（河床淤积（deposition）等）等 河床淤积、水拱（河床淤积、水拱（the rising of local water surface in spate）等超高，调查确定。）等超高，调查确定。【例例5-15-1】某桥位断面图及地质资料如图某桥位断面图及地质资料如图5-75-7所示。桥所示。桥位河段属于平原次稳定河段，设计流量位河段属于平原次稳定河段，设计流量QP=6150m3/s，设计水位设计水位ZP=107.00m，河槽天然流速，河槽天然流速Vc=2.0m/s，河，河滩天然平均流速滩天然平均流速Vt=0.95m/s。水流与桥位正交，五级。水流与桥位正交，五级航道，通航设计水位航道，通航设计水位105.00m。求求（1）桥孔长度；（）桥孔长度；（2）桥面标高）桥面标高解解（1）基本数据计算）基本数据计算 将桥位断面划分为将桥位断面划分为7个单元，个单元，单元为河槽，单元为河槽，为河滩。为河滩。河床标高（m）距离（m）滩槽位置10710610510410310210110099981071041011001031041051074024034040050010001400主河槽主河槽河滩河滩设计水位107.00m主槽水位104.00m底水位103.00m103.00m98.00m粘土中砂砾石夹粗砂mmd50.0 mmd20 河槽过水面积：河槽过水面积：c=2290m2 河滩过水面积：河滩过水面积：t=1650m2 天然状态下河槽设计流量：天然状态下河槽设计流量：天然状态下河滩设计流量：天然状态下河滩设计流量：全断面平均流速：全断面平均流速：smVQccc/458000.222903 smVQttt/157095.016503 smQVtcP/56.11650229061500 水面宽度：水面宽度：B=1400m河槽宽度：河槽宽度：Bc=500m断面平均水深：断面平均水深：mBhtc81.2140039400 （2）桥孔长度计算）桥孔长度计算1）经验公式）经验公式 次稳定河段，用（次稳定河段，用（5-5）（）（5-6）式计算：）式计算：河槽平均单宽流量：河槽平均单宽流量：)/(16.950045803msmBQqccc 河槽平均水深：河槽平均水深：mBhccc58.45002290 为水流压缩系数：为水流压缩系数：22.1)58.4500(92.0)(92.006.006.0 cchB 32.1)15704580(19.1)(19.110.010.0 tcQQ 或：或：桥孔净长桥孔净长（5-5）：）：mqQLcPj55016.922.16150 或：或：mqQLcPj50916.932.16150 2）冲刷系数法）冲刷系数法方案拟定：上部结构采用预应力钢筋混凝土简支梁，方案拟定：上部结构采用预应力钢筋混凝土简支梁，桥位河段为五级航道，桥下净跨（桥位河段为五级航道，桥下净跨（net bridge span）不小于不小于38m，选用标准跨径，选用标准跨径l=40m，墩宽，墩宽d=1m，冲刷，冲刷系数系数P=1.25。98.014000.2375.01375.01375.01 dlVlVcjS 025.0401 ld 225750022510250198061501m.).(.PV)(QSPg 河槽宽度河槽宽度500m，桥下毛过水面积，桥下毛过水面积2290m2，另需，另需河滩过水面积至少河滩过水面积至少285m2。根据桥位断面图，一岸。根据桥位断面图，一岸桥台前缘置于桥台前缘置于0号桩处，另一桥台在河滩号桩处，另一桥台在河滩599号桩处，号桩处，桥孔长度桥孔长度599m，共，共15孔，桥孔净长孔，桥孔净长599-141=585m，桥下过水面积大于，桥下过水面积大于2575m2。由（由（5-2）式：）式：（3）桥面标高）桥面标高1）壅水高度）壅水高度 河滩路堤阻断过水面积和阻断流量：河滩路堤阻断过水面积和阻断流量：213652851650285mtZd smVQtZdZd/129795.013653%2161501297 PZdQQ查表查表5-6，得：，得：=0.07。河床表层泥沙为中沙和粘土，按表河床表层泥沙为中沙和粘土，按表5-7，取，取Vm=VS=2.0m/s，所以：，所以：mVVhqmy11.0)56.10.2(07.0)(2222 桥下壅水高度：桥下壅水高度：mhhy06.0211 2）波浪高度）波浪高度 浪程浪程D=1000m，风速，风速Vw=17m/s，沿浪程方向的平，沿浪程方向的平均水深均水深6m，算得，算得hL=0.58m，h2=2/3hL=0.39m.本河段其它水面升高因素忽略不计。本河段其它水面升高因素忽略不计。3）桥面标高）桥面标高 不通航时不通航时 桥下净空桥下净空高度高度（headroom under the bridge superstructure）查表查表5-3。hj=0.5m。桥梁上部结构高度桥梁上部结构高度hD=1.8m。m.).(.hhhZZDjSmin75109815039006000107 通航时通航时 桥下净空高度查表桥下净空高度查表5-5。hm=8m。桥梁上部结构高度桥梁上部结构高度hD=1.8m。m.hhZZDmmmin8011481800105 取高者：取高者：mZ80.114min 确定桥面标高时，桥下各确定桥面标高时，桥下各种壅水高度如何确定？种壅水高度如何确定？作业：作业：P.171 习题：习题：5.3沿浪程方向平均水深沿浪程方向平均水深mh5.11 5.35.3 小桥涵孔径计算小桥涵孔径计算 Small bridge and culvert opening calculation 5.3.1 小桥孔径计算小桥孔径计算 小桥和大中桥设计略有不同，小桥一般不设引桥，小桥和大中桥设计略有不同，小桥一般不设引桥，桥面高程服从线路，即桥面标高和路面相同。桥面高程服从线路，即桥面标高和路面相同。大中桥大中桥：假定设计流量、设计水位不变，设计流速等：假定设计流量、设计水位不变，设计流速等 于天然河槽平均流速，推求桥孔长度，确定于天然河槽平均流速，推求桥孔长度，确定 桥面标高，允许桥下发生冲刷。桥面标高，允许桥下发生冲刷。如果设计流速小于天然状态的河底容许如果设计流速小于天然状态的河底容许不不冲刷冲刷流速，则流速，则河床可以不加固，河床可以不加固，桥孔长度可取通过设计桥孔长度可取通过设计流量时的水面宽，无需计算孔径，只需根据设计流流量时的水面宽，无需计算孔径，只需根据设计流量推算桥前水深，确定出桥面标高即可。量推算桥前水深，确定出桥面标高即可。小桥涵小桥涵：设计流量不变，：设计流量不变，通过人工加固河床，提高通过人工加固河床，提高河河 底底容许不冲刷流速容许不冲刷流速（the permit velocity for no scour），推求桥孔长度、桥前水深（设，推求桥孔长度、桥前水深（设 计水位），不允许桥下发生冲刷。计水位），不允许桥下发生冲刷。1、小桥水流图式（、小桥水流图式（the flow pattern of small bridge）当桥孔压缩河槽时，水流受到桥头路堤和墩台的当桥孔压缩河槽时，水流受到桥头路堤和墩台的挤束，桥前水位抬升，产生壅水，桥下水面降低，出挤束，桥前水位抬升，产生壅水，桥下水面降低，出现收缩断面，这些特性与宽顶堰类似。因此，现收缩断面，这些特性与宽顶堰类似。因此，小桥孔小桥孔径计算径计算采用宽顶堰理论作为设计基础。采用宽顶堰理论作为设计基础。小桥水流图式，按下游水深的大小，可分为小桥水流图式，按下游水深的大小，可分为自由自由式出流式出流和和淹没式出流淹没式出流。桥下游天然水深桥下游天然水深 ht（相应于设计流量）（相应于设计流量）桥前水深桥前水深 H 桥下水深桥下水深 h临界水深临界水深 hk1）自由式出流（）自由式出流（free discharge）当：当：ht 1.3hk 桥下水流为急流，下桥下水流为急流，下游水深对桥下过流能力无游水深对桥下过流能力无影响。影响。桥下水深桥下水深 h 1.3hk 桥下水流为缓流，桥下水流为缓流，桥下过流能力受下游水桥下过流能力受下游水深顶托的影响。深顶托的影响。桥下水深桥下水深 h hk此时桥下水深为桥下游天然水深此时桥下水深为桥下游天然水深 h=ht。图图 5-85-8（b b）小桥淹没式出流图式）小桥淹没式出流图式Hkkkhthth2、小桥孔径计算小桥孔径计算 小桥孔径计算的任务是统一解决孔径、桥下流速小桥孔径计算的任务是统一解决孔径、桥下流速和桥前水深三者之间关系的问题。计算的内容是根据和桥前水深三者之间关系的问题。计算的内容是根据设计流量，选定河床加固类型及所对应的最大容许不设计流量，选定河床加固类型及所对应的最大容许不冲刷流速，确定满足过流能力和防冲条件的孔径和桥冲刷流速，确定满足过流能力和防冲条件的孔径和桥前壅水高度等。前壅水高度等。设计原则设计原则：使设计流量以最佳的流态通过桥孔，即：使设计流量以最佳的流态通过桥孔，即按按 临界水流状态设计临界水流状态设计。设计思路：设计思路：选定河床加固类型（断面一般修整为规则断面，如选定河床加固类型（断面一般修整为规则断面，如矩形、梯形），矩形、梯形），确定河床容许不冲刷流速确定河床容许不冲刷流速Vbc（按表（按表5-12d），（无加固方案，根据河床天然土质，按表），（无加固方案，根据河床天然土质，按表5-12a、5-12b、5-12c确定确定）令令Vk=Vbc和和QP比较比较H与与H允允 HH允允,方案可行方案可行 HH允允,调整调整L方案，直至满足方案，直至满足 要求为止。要求为止。L、H（1）小桥下游河槽天然水深）小桥下游河槽天然水深ht )265(2132 JRnQ ht试算，试算，Q-QP/QP 1.3hk 淹没出流淹没出流（4）孔径计算）孔径计算 自由出流（自由出流（ht1.3hk）先计算临界水面宽，然后用临界水面宽确定桥先计算临界水面宽，然后用临界水面宽确定桥孔长度：孔长度：)275(311 kPkkPkkkVgQVhQhB 桥下通过设计洪水所需的水面宽：桥下通过设计洪水所需的水面宽：)285(3 NdVgQNdBBbcPk 桥孔长度：桥孔长度：矩形断面矩形断面：L=B梯形断面梯形断面：L=B+2mh (5-30)图图5-11 梯形断面桥孔（自由式出流）梯形断面桥孔（自由式出流）LBh khd1:m 淹没出流淹没出流（ht1.3hk）先计算先计算桥下桥下通过设计洪水所需的平均水面宽（通过设计洪水所需的平均水面宽（ht/2处）：处）：NdVhQBbctP 0矩形断面矩形断面：L=B0 梯形断面梯形断面：L=B0+2m(ht/2+h)(5-32)图图 5-12 梯形断面桥孔（淹没式出流）梯形断面桥孔（淹没式出流）L0Bh hd1:m2h（5）桥前水深）桥前水深H 自由出流自由出流)335(22222 gVgVhHHkk 淹没出流淹没出流)335(22222 gVgVhHHt 式中，式中，为流速系数，查表为流速系数，查表5-13。VH为桥前水深为为桥前水深为H时的行近流速；时的行近流速；V为采用的桥为采用的桥孔长度对应的桥下流速。孔长度对应的桥下流速。（5-33）式须试算）式须试算,当当VH 1m/s 时，流速水头可时，流速水头可忽略不计。忽略不计。gVH22 为桥前水深为为桥前水深为H时的流速水头。时的流速水头。（6）确定路堤和桥面标高）确定路堤和桥面标高桥头路堤最低标高：桥头路堤最低标高：Z路路=Zmin+H+（5-34）桥面最低标高：桥面最低标高：Z桥桥=Zmin+H+hj+D （5-35）H桥头路基最低标高河床最低点标高Hjh D河床最低点标高桥面最低标高【例例5-25-2】某公路通过一小沟，需要建一座小桥，选某公路通过一小沟，需要建一座小桥，选定的桥位与水流正交。定的桥位与水流正交。J=9，n=0.045，设计流量，设计流量QP=22.0m3/s，河底最低点标高，河底最低点标高100m，路堤允许标高，路堤允许标高Z允允=103.0m。拟采用矩形断面单孔小桥，八字翼墙式。拟采用矩形断面单孔小桥，八字翼墙式桥台。试确定小桥孔径和桥头路堤标高。桥台。试确定小桥孔径和桥头路堤标高。Bm00.100th 求桥梁下游天然水深求桥梁下游天然水深ht 根据断面图及根据断面图及J=9，n=0.045，假设，假设ht=1.20m，按谢才，按谢才-曼宁公式，得：曼宁公式，得：Q=22.7m3/s。解：解：%10%18.30.220.227.22 PPQQQ 确定临界水深确定临界水深 选定桥下河床加固型式：碎石垫层上选定桥下河床加固型式：碎石垫层上20cm大小大小的片石单层铺砌。查表的片石单层铺砌。查表5-12d，得容许不冲刷流速，得容许不冲刷流速Vbc=3.5m/s，Vk=Vbc=3.5m/s。临界水深：。临界水深：mgVgVhbckk25.180.95.3222 判别流态判别流态 ht=1.20m 1.2hT（出口不被淹没）（出口不被淹没）进口全被淹没，全涵段水流具有自由水面进口全被淹没，全涵段水流具有自由水面进水口被淹，进水口断进水口被淹，进水口断面以后，流线收缩而出面以后，流线收缩而出现收缩断面。收缩断面现收缩断面。收缩断面之前，水流与闸孔出流之前，水流与闸孔出流相似，收缩断面以后，相似，收缩断面以后，水流属明渠水流。水流属明渠水流。HchkhThh图图 5-14 半压力式涵洞水流图式半压力式涵洞水流图式 工程中当采用半压式涵洞时，一般涵洞底坡工程中当采用半压式涵洞时，一般涵洞底坡J应应大于临界坡度大于临界坡度Jk，使涵洞内水流不致产生水跃。反，使涵洞内水流不致产生水跃。反之，水面有可能与洞顶接触出现真空，导致洞内水之，水面有可能与洞顶接触出现真空，导致洞内水流不稳定。流不稳定。HchkhThh图图 5-14 半压力式涵洞水流图式半压力式涵洞水流图式3）压力式出流（）压力式出流（pressure flow）进口流线型进口流线型 H 1.4hT 且涵洞底坡且涵洞底坡J小于摩阻坡度小于摩阻坡度J。出口被淹没出口被淹没 全涵段水流充满整个断面。全涵段水流充满整个断面。HThh 图图 5-15 压力式涵洞水流图式压力式涵洞水流图式（a）自由式出流）自由式出流 （b）淹没式出流）淹没式出流HThh)(a)(b摩阻坡度（摩擦坡度摩阻坡度（摩擦坡度 friction slope）：）：)365(222 RCQJ 水流水流恰好克服摩擦力所需的底坡称为恰好克服摩擦力所需的底坡称为摩阻坡度摩阻坡度。当当J J时，水流由于重力获得能量大于克服摩擦力时，水流由于重力获得能量大于克服摩擦力所消耗的能量，使流速沿程不断增大，水深不断减所消耗的能量，使流速沿程不断增大，水深不断减小，水流不能充满整个断面。小，水流不能充满整个断面。有压式出流全涵洞内水流充满整个断面，流态有压式出流全涵洞内水流充满整个断面，流态与短管出流相似。与短管出流相似。2 2、涵洞孔径计算涵洞孔径计算（1）无压力式涵洞）无压力式涵洞 涵洞孔径计算按临界水流状态设计。取进口附近涵洞孔径计算按临界水流状态设计。取进口附近临界断面作为水力计算的依据。临界断面作为水力计算的依据。无压力式涵洞计算公式：无压力式涵洞计算公式：)375()(20 kkhHgQ)385(2222200 gVhgVHHkk)225(2 gVhkk又由：又由：代入代入（5-38）)385()221(220 khH由式（由式（5-20），有：），有：)395(3 kkBQgV或：或：kkQV gVHH2200 式中，式中，Q为过涵流量；为过涵流量；hk、Vk、k 为涵洞进口附近临界断面的水深、为涵洞进口附近临界断面的水深、流速和过水断面面积；流速和过水断面面积；H0、H、V0为涵前总水头、涵前水深和涵前行近为涵前总水头、涵前水深和涵前行近流速；流速；为流速系数，箱涵、盖板涵，为流速系数，箱涵、盖板涵，=0.95，拱涵、，拱涵、圆管涵圆管涵=0.85；为侧收缩系数可取为侧收缩系数可取 =1.0。为了减少工程造价，一般采用：为了减少工程造价，一般采用：JJk。另外，。另外，为了避免对涵洞出口下游造成激烈冲刷，应根据出为了避免对涵洞出口下游造成激烈冲刷，应根据出口断面允许的最大流速口断面允许的最大流速Vmax确定出口流速达到确定出口流速达到Vmax时时的最大底坡的最大底坡Jmax，设计时采用：，设计时采用：Jk J Jmax2maxmax)(32RnVJ 最大底最大底坡：坡：实用中，常将涵洞水力计算制成标准图表，供设实用中，常将涵洞水力计算制成标准图表，供设计时查用。在作标准图时作了一些规定或假定：计时查用。在作标准图时作了一些规定或假定：（1）涵洞顶的净空高度涵洞顶的净空高度 盖板涵、箱涵：盖板涵、箱涵：进水口净高进水口净高 Hj 2.0m =0.25m（2）涵前水深涵前水深H至进水口水深至进水口水深Hj的降落系数取的降落系数取0.87，即：即：)405(87.0 HhHHTj 或：或：87.087.0 TjhHH（3）收缩断面水深收缩断面水深 hc=0.9hk （4 4）涵前行近流速）涵前行近流速 V0 0，H0 H HjHchkhThh图图 5-13 无压力式涵洞水流图式无压力式涵洞水流图式（5）按临界流设计的涵洞，当底坡接近临界坡度时，按临界流设计的涵洞，当底坡接近临界坡度时，涵洞出口断面的流速可采用：涵洞出口断面的流速可采用：9.0kVV 出出（6）出口或收缩断面最大流速出口或收缩断面最大流速Vmax 拱涵、盖板涵：拱涵、盖板涵：L0=0.51.5m，Vmax=4.5m/s 拱涵、盖板涵、圆管涵：拱涵、盖板涵、圆管涵：L0=2.04.0m，Vmax=6.0m/s 无压式涵洞水力计算的步骤：无压式涵洞水力计算的步骤：选定涵洞型式；选定涵洞型式；根据设计流量和涵前限制水深，计算临界水深和根据设计流量和涵前限制水深，计算临界水深和 相应的过水断面面积；相应的过水断面面积；计算临界底坡；计算临界底坡；计算涵洞进口处水深，确定涵洞净高；计算涵洞进口处水深，确定涵洞净高；复核涵洞的水力要素：是否符合无压涵洞条件、复核涵洞的水力要素：是否符合无压涵洞条件、收缩断面或出口断面处的流速是否超过最大容许收缩断面或出口断面处的流速是否超过最大容许 流速等。流速等。【例例5-4】某公路经过的一小沟上设一无压钢筋混凝某公路经过的一小沟上设一无压钢筋混凝土盖板涵，设计流量土盖板涵，设计流量8.5m3/s，根据设计路面高程，确根据设计路面高程，确定涵前限制水深为定涵前限制水深为2.5m，试确定涵洞洞径。，试确定涵洞洞径。解：拟定涵洞断面为矩形，跨径解：拟定涵洞断面为矩形，跨径L0=2.0m。（1）临界水深临界水深hk 盖板涵流速系数盖板涵流速系数=0.95，侧收缩系数，侧收缩系数=1.0。矩。矩形断面的临界水深按（形断面的临界水深按（5-39）式计算：）式计算：smBQgVk/47.30.20.18.95.833 mgVhkk23.18.947.322 （2）确定涵前水深、涵洞洞身净高和临界底坡确定涵前水深、涵洞洞身净高和临界底坡mhHk91.1)95.0295.021(23.1)221(2222 进水口处水深：进水口处水深：Hj=0.87H=0.871.91=1.66m取净空高度取净空高度=0.20m，涵洞洞身净高：，涵洞洞身净高：hT=Hj+=1.66+0.20=1.86m涵前水深小于涵前限制水深涵前水深小于涵前限制水深2.5m，满足要求。，满足要求。（3）收缩断面和出口断面流速收缩断面和出口断面流速收缩断面水深：收缩断面水深：hc=0.9hk=0.91.23=1.11m收缩断面流速和涵洞出口断面流速为：收缩断面流速和涵洞出口断面流速为：smVVVkC/86.39.047.39.0 出出取糙率取糙率n=0.016,由谢才由谢才-曼宁公式计算临界底坡：曼宁公式计算临界底坡：7)0.223.120.223.1(47.3016.0)(223232 RnVJkk小于盖板涵最大容许流速小于盖板涵最大容许流速Vmax=6.0m/s，满足要求。，满足要求。涵前水深：涵前水深：mhHT23.286.12.12.191.1 符合无压涵洞条件。符合无压涵洞条件。所以涵洞跨径所以涵洞跨径2.0m，净高，净高1.86m，涵前水深，涵前水深1.91m。套标准图，查表套标准图，查表5-145-14。【例例5-5】某公路经过的一小沟上设无升高管节的石盖某公路经过的一小沟上设无升高管节的石盖板涵，选定净跨板涵，选定净跨L0=1.5m，净高，净高hT=2.0m，糙率，糙率n=0.016，出口处最大允许流速出口处最大允许流速Vmax=4.5m/s。试确定涵管的涵前水深试确定涵管的涵前水深H，过涵流量，过涵流量Q，以及，以及hk、Vk、Jk、hc、Vc及相应于及相应于Vmax时的底坡时的底坡Jmax。解：解：涵前水深涵前水深H 按定型设计：按定型设计：=0.1m，由（，由（5-40）式，）式，mhHHTj18.287.01.00.287.087.0 计算计算 hk、hc、QmHhk40.1)95.02195.02(18.2)212(22220 式中，式中，=0.95，H0Hmhhkc26.19.0 smhHgQkk/41.7)4.118.2(8.924.15.195.095.0)(230 L0=1.5mhT=2.0mhk=1.40m式中，式中，=0.95，H0H 计算计算 Vk、VcsmQVkk/71.34.15.195.041.7 smQVcc/13.426.15.195.041.7 计算计算 J Jk、Jmax式中，式中，4884.04.125.14.15.1 kkkR 16.9)4884.071.3016.0()(223232 kkkRnVJ出口处水深：出口处水深：mVLQh10.15.45.141.7max0 出出4459.01.125.11.15.120000 hLhLR出出2.15)4459.05.4016.0()(22maxmax3232 出出RnVJ套标准图，查表套标准图，查表5-14。（2）半压式涵洞孔径半压式涵洞孔径)425()(2 TchHgV )435()(2 ThHgQ 式中，式中，Vc为收缩断面流速；为收缩断面流速；为收缩系数；一般取为收缩系数；一般取0.60；为流速系数，流线型洞口为流速系数，流线型洞口0.95，八字形，八字形0.85,端墙式端墙式0.80；为涵洞横断面全部面积；为涵洞横断面全部面积；H为涵前水深，为涵前水深，hT为涵洞净高。为涵洞净高。【例例5-6】某公路拟建一半压式钢筋混凝土圆管涵，已某公路拟建一半压式钢筋混凝土圆管涵，已知设计流量知设计流量QP=2.0m3/s，涵前最大允许水深，涵前最大允许水深H允允=2.0m，底坡底坡J=0.015。试确定管径。试确定管径d和涵内收缩断面流速和涵内收缩断面流速Vc。解：选用管径解：选用管径d=1.0m，hT=d。采用八字式洞口，。采用八字式洞口，=0.60，=0.85。222785.0114.34141md 由式（由式（5-43），得：），得：mhgQHT87.116.08.921)85.0785.06.00.2(21)(22 H Jk，所以涵洞为半压式，收缩断，所以涵洞为半压式，收缩断面以后整个涵洞为自由水面。面以后整个涵洞为自由水面。收缩断面流速：收缩断面流速：smhHgVTc/24.4)0.16.087.1(8.9285.0)(2 本例可直接套标准图表，查表本例可直接套标准图表，查表5-14。（3）压力式涵洞孔径压力式涵洞孔径)445()(2 ThJJlHgV )455()(2 ThJJlHgQ 流线型洞口取流线型洞口取0.95。【例例5-6】某公路拟设计一压力式钢筋混凝土圆管涵，某公路拟设计一压力式钢筋混凝土圆管涵，流线型进口，设计流量流线型进口，设计流量Q=2.2m3/s，n=0.013。设计时。设计时涵洞实际底坡取等于摩擦坡度。求涵前水深涵洞实际底坡取等于摩擦坡度。求涵前水深H，洞径，洞径d，洞内流速，洞内流速V，摩阻坡度，摩阻坡度J。解：由于解：由于J=J，所以：，所以：)(2ThHgQ 求涵前水深求涵前水深H。由上式得：由上式得：ThgQH 21)(2试算：设试算：设d=1.0m，hT=d=1.0m，2244md mH44.10.18.92195.042.22 H 1.4hT，进水口被淹，为压力式。故，进水口被淹，为压力式。故 d=1.0m为所为所求。求。摩阻坡度：摩阻坡度：mdddR25.041442 mRnC05.6125.0013.0116161 24.825.005.61)4(2.2222222 RCQJ洞内流速：洞内流速：smQV/80.242.2 （4）倒虹吸管孔径（）倒虹吸管孔径（inverted siphon culvert）倒虹吸管水倒虹吸管水力计算采用压力力计算采用压力短管公式计算，短管公式计算，由能量方程：由能量方程：whgVZgVZ 2222222111 gVgV22222211 Zd12V1V2V路面路面1Z2Z gVdlhw2)(2 Zhw ZgZgdlVc 221 )465(2 ZgVQc Zd12V1V2V1Z2Z)475(1 dlc 流量系数：流量系数：式中，式中，为局部水头损失系数的总和，按水力学方为局部水头损失系数的总和，按水力学方法确定；法确定；为管道的阻力损失系数，混凝土和钢筋为管道的阻力损失系数，混凝土和钢筋混凝土管，混凝土管，=1/45，砌石盖板方形管，砌石盖板方形管，=1/26，木，木质质方形管，方形管，=1/52。【例例5-7】某道路修一圆形钢筋混凝土倒虹吸管，设某道路修一圆形钢筋混凝土倒虹吸管，设计通过计通过流量流量Q=1.0m3/s，管长，管长l=30m，进出口处水位，进出口处水位差差Z=1.0m，试确定倒虹吸管的管径。，试确定倒虹吸管的管径。解：采用斜管式，解：采用斜管式，=2.0，=1/45。由式（由式（5-46）：）：0.10.18.92422 dZgQcc 得：得：cd2=0.29Zd1Z2ZV1V2V又由式又由式（5-47）：dddlc667.00.21304510.211 联立上两式，得：联立上两式，得：dd667.00.229.02 试算，得试算，得 d=0.7m涵洞处路基最低标高，至少应高出涵前水深涵洞处路基最低标高，至少应高出涵前水深0.5m。如何判别小桥和涵如何判别小桥和涵洞的水流图式？洞的水流图式？