小桥涵水力计算及确定孔径经验方法

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： E p H
动能：
Ek
v2 2g
能率： E0EpEkH2 vg 2 H2Q g 22
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五、小桥涵水流状态
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
当流量及流水断面形状为已知时，能率为水深的函数：
E0 f (H)
E0
C点的能率最小，称为临界点。
其对应水深 h k 为临界水深 其相应流速 v k 称为临界流速
小桥涵水力计算及确定孔径经 验方法
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
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5-1 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—13m
3. 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
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
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（1）临界水深
临界水深时的能率最小，有 d E 0 0 dH
d dE H 0dd HH2Q g 221gQ 23d dH
对任何形状的断面，有 dBdH，B为水面宽度。
因此
1
Q2
g 3
速控制
——侧向挤压系数
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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
BLj
gQs
vL3j
Nd
其中： N ——中墩个数 d ——中墩在水面线上顺桥跨方向的宽度
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。
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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。
33 5
m8i8a8
其中： Q s ——设计流量（m3/s） a ——河床边坡系数 i ——河床主河沟平均纵坡 m ——河床糙率
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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
边坡系数： a B 2h
② 由 a、Qs、m、i 即可求出 h t
Ck
1 n
1
R
6 k
因此，
Ik
n2gh
4
当为矩形断面时，
R
3 k
Ik
n
v
2 k
4
R
3 k
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5-2 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。
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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。
能率线 位能线
C
动能线
hk
H
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五、小桥涵水流状态 缓流： H h k ,v v k ,E 0 随 H 的 增 大 而 增 大 临界流： H =hk,v=vk,E 0为 最 小
急流： H h k ,v v k ,E 0 随 H 的 增 大 而 减 小
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五、小桥涵水流状态
2.临界流及其水力参数
B
0
或
Q
Bg
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临界水深
对于矩形断面 bhk
Q 2b 临界水深计算公式： g ( b h k ) 3 1
临界水深：
hk
3
Q2 b2g
或：
hk
v
2 k
g
22
（2）临界流速
临界流速：
vk Qk 1kk
k
Bk
g kg
Bk
而 h （断面平均水深） B
因此 vk gh
对于矩形断面 vk ghk
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。
7
二、小桥涵水力计算的特点
9
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。
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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。
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五、小桥涵水流状态
高度） 4. 圆管涵则用涵管的孔数和内径表示：
2—150cm
3
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。
hLj BLj
Qs
B Lj
v
3 L
j
g
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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：
B Lj
gQs
v
3 L
j
其中：B L j ——桥下临界断面的水面宽度（m）
Q s ——设计流量（m3/s）
v L j ——临界流速（m/s），计算时按允许不冲刷流
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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。
自由出流的水力条件： ht 1.3hLj
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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： ht 1.3hLj
4
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。
5
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。
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大中桥与小桥孔径计算有什么不同？
对于狭和深的梯形桥孔断面，
hLj BLj
BL2j 4mBLjhLj 2m
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判断桥下水力图式
（3）判断桥下水力图式
自由出流： ht 1.3hLj 非自由出流： ht 1.3hLj
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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
而 因此
Qs vLj
对于梯形断面
vk
b mhk b 2mhk
ghk
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（3）临界坡度
用谢才流速公式计算流经河槽的流量 Q C RI
当水流为临界流时，
Qk
k g ,
Bk
I Ik
因此， k
k g
Bk
kC
RkIk
临界坡度
Ik
kg
Ck2RkBk
gh Ck2Rk
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临界坡度
当为矩形断面时，
Ik
v
2 k
C
2 k
R
k
谢才系数C用满宁系数表达，
（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。
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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。
③ 相应流速
vt
Qs
Qs aht2
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判断桥下水力图式
（2）确定桥下临界水深
桥下平均临界水深h：Lj
vL2j g
0.102vL2j
其中对于桥下临界流速 v L j ，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h，Lj hLj
水位
天然水深 h t
x
R
x
i
1
C mR6
21
v mR 3i2
Q v
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。
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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，
3
1
ht
1.1892
Qs8
(a2 1)8
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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。
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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L 3. 计算桥前水深H 4. 确定桥头路堤及桥面最低高程
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确定天然水深
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。
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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
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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。