第八章 小桥和涵洞孔径计算

第一节
小桥和涵洞勘测
二、小桥和涵洞勘测的主要工作内容
1、勘测前的准备工作
(1)地形资料：搜集公路沿线1:10000~1:50000的地形图，要求能获得 必要的流域面积、主河沟平均纵坡度等资料。 (2)地质资料：搜集区域地质特征资料、地形图及土质类别。 (3)水文资料：小桥涵所在地附近水文站历年实测最大流量及其相应的 洪水位或历史洪水位痕迹、沿河沟上下游河床变迁情况、水工构造物等 资料。 (4)气象资料：当地气象站年、月平均降雨量，暴雨强度和所持续时间 ，年内最高、最低气温，主导风向和风力等。 (5)其他资料：若为改建或修复工程，需向原设计、施工和养护部门搜 集有关工程的测设、施工及竣工资料，了解该工程的使用、养护、水毁 等情况，并征询小桥涵改建的意见。 (6)组织与配备完成该工程勘测任务的人员、仪器和工具等。
小桥涵一般不允许河底发生冲刷，可以根据河床加固铺砌的类型，选择 适当的容许流速作为设计流速。 一般采用试算法确定小桥孔径。先根据河床的实际情况，拟定河床加固 类型，确定桥下河床的容许流速（见课本的表8-2-1）；再根据容许流速 与设计流量，通过计算确定孔径大小与壅水高度，并与允许的壅水高度 进行比较，从而判断是否需要调整孔径值，直至达到允许的壅水高度。 根据已知的设计流量和拟定的河床容许流速，计算小桥孔径与桥前壅水 高度的程序为：
Ak3 Qs2 k g B
（8-2-2）
第二节 小桥孔径计算
因此任意形状断面的平均临界水深 hk为：
2 Ak Qs vk hk 2 Bk g Ak g 2
（8-2-3）
式中：vk——临界流速(m/s)，计算时可采用河床的容许(不冲刷)流速； 其他符号意义同前。
对于矩形断面的桥孔，桥下临界水深等于平均临界水深，即hk= hk ，对 于宽浅的梯形断面，也可以取hk≈ hk，对于窄而深的梯形断面，临界水深 hk可按过水面积相等的关系近似求得。
（8-2-5）
第二节 小桥孔径计算
（3）水流图式判别 当ht≤1.3hk时，自由式出流； 当ht＞1.3hk时，淹没式出流。
2.确定小桥孔径长度
（1）自由式出流 考虑桥台和桥墩侧向挤压水流对桥下过水面积减小的影响，则计算需要 的桥下水面宽度B时，应引入水流挤压系数ε：
Qs g B 3 Nd v k
第一节
小桥和涵洞勘测
本节课到此结束！
第二节 小桥孔径计算 一、水流通过小桥的图式
当桥孔压缩河槽时，水流受到桥台路堤和墩台的挤压，桥前水位抬高 ，产生壅水，桥下水面降低，出现收缩断面。 小桥桥下河槽一般都进行铺砌加固，不会冲刷。通过小桥桥下的水流 图式与宽顶堰相似，按下游天然水深的大小可分为自由式出流与淹没 式出流两种。 水流图式 自由出流 淹没出流 ht ——桥下游天然水深； hk ——桥下临界水深。 判别标准 ht≤1.3hk ht>1.3hk
第一节
小桥和涵洞勘测
一、小桥和涵洞勘测的主要任务
小桥和涵洞勘测包括外业勘测和内业设计两部分。 通过对公路沿线的地形、地质、水文、气象及农田水利设施等情况进 行勘测和调查，为桥涵设计以及水力计算提供必要的资料和依据。
二、小桥和涵洞勘测的主要工作内容
1、勘测前的准备工作 2、小桥和涵洞位臵的选择 3、小桥和涵洞测量 4、小桥和涵洞类型选择
第一节
小桥和涵洞勘测
ห้องสมุดไป่ตู้
（2）平原区小桥和涵洞位置的确定 ①根据天然排洪系统，有利于农业灌溉设臵小桥和涵洞，并避免桥涵出口 对耕地造成冲蚀。 ②路线通过较长的低洼及泥沼地带时，在具有天然纵坡地段，可适当多设 臵涵洞，以防排水不畅及长期积水。 ③路线靠近村庄时，要注意设臵涵洞，以便及时排除村内的地面积水。 ④小桥和涵洞的位臵应选择在河床地质良好、地基承载力较大的河段。 3、小桥和涵洞测量 主要包括河沟横断面、河沟纵断面及河沟比降测量并测绘桥涵址平面图。 4、小桥和涵洞类型选择 主要根据公路等级及性质，按照安全、适用、经济、就地取材、便于施工 和养护等条件确定。 桥涵孔径是根据设计流量，通过水力计算，并根据小桥和涵洞所在河沟的 断面形态来确定的。
Bridge and Culvert Hydrology
第八章 小桥和涵洞
孔径计算
第八章 主要内容 小桥和涵洞孔径计算
小桥和涵洞勘测 小桥孔径计算 涵洞孔径计算 小桥和涵洞的进出口处理
山区小桥和涵洞进出口的水力计算
1 2 3 4 5
第八章
小桥和涵洞孔径计算
公路在跨越河沟、溪谷和灌溉渠道时，需修建各种排水构造物，其中以小 桥、涵洞居多。 一般在平原区每公里约1~3座，山区约3~5座。据已建公路统计，小桥涵的 工程投资约占公路总投资的15%~20%，其投资总额为大、中桥的2~4倍左 右。 小桥涵孔径大小应根据设计流量、河床特性及河床进出口加固类型所允许 的平均流速等来确定。 小桥涵孔径计算的目的在于合理确定桥涵孔径大小、河床加固的类型和尺 寸、壅水高度、桥涵处路基和桥涵顶面的最低高程。 小桥和涵洞按跨径分类表 多孔跨径总长L（m） 小桥 涵洞 8≤ L ≤30 —— 单孔跨径L0（m） 5≤ L0 ≤20 L0 ≤5
第一节
小桥和涵洞勘测
2、小桥和涵洞位置的选择
小桥和涵洞位臵的选择应以服从路线走向，保证排水顺畅和路基稳 定，降低工程造价为原则。 （1）山岭及丘陵区小桥涵位置的确定 ①一般为一沟一涵，间距不宜大于300m。当汇水区很小时，两河沟相 距很近，可改沟合并。但要注意开挖排水沟或加深、加宽边沟；做好旧河 沟的堵塞、截水墙及路基加固工程。 ②涵位与路基排水系统密切配合，如在截水沟排水出口处设臵涵洞，以 免水流冲刷路面和路基。 ③路线的转角较大(大于90°)，平曲线半径较小，进入弯道前的纵坡大 于4%，在弯道起(终)点附近应设臵涵洞。 ④路线由陡坡段过度到缓坡段，在此200m内又无其他涵洞，在变坡点 附近应设臵涵洞。
2、半压力式
当涵洞的进水口建筑为普通型，且水流充满进口，涵前水深H＞1.2hT时， 但收缩断面以后在整个涵洞内都具有自由水面，称为半压力式水流状态。
H
H'
hT
H
h0
i
h0或hk
i
hc
h
h0或hk
hT
h
第三节 涵洞孔径计算
3. 压力式
当涵洞的进水口建筑为流线型，而涵前水深H>1.4hT，且涵底纵坡i<iw， 或下游洞口被掩埋时，整个涵洞的断面都充满水流，称压力式水流状态。 涵洞的摩阻坡度iw为恰好使水流重力克服水流摩阻力所需要的坡度，可按 下式计算： 式中：iw——摩阻坡度； Q——过涵流量(m3/s)； Q2 iw 2 2 A——涵身断面全面积(m2)； （8-3-1） AC R C——谢才系数(m1/2/s)； R——涵身断面的水力半径(m)。
（8-2-6）
式中：B—桥下需要水面宽度(m)； ε—挤压系数；见表8-2-2； N—桥墩个数； d —桥墩宽度(m)； 其他符号意义同前。
第二节 小桥孔径计算
挤压系数ε与流速系数值φ
桥台形状 单孔桥锥坡填土 单孔桥有八字翼墙 多孔桥或无锥坡或桥 台伸出锥坡以外 拱脚淹没的拱桥 ε 0.90 0.85 0.80 0.75
1 L B0 2m( ht h) 2
（8-2-9）
第二节 小桥孔径计算
3、确定桥前水深
（1）桥下为自由式出流 桥前水深H计算公式：
2 2 vk vH H hk 2 2g 2 g
（8-2-11）
式中： H—桥前水深(m)； φ—流速系数，见表8-2-2； vH—水深为H的桥前断面的行进流速(m/s)；其他符号意义同前。 （2）桥下为淹没式出流 桥前水深H计算公式：
判断 桥下 水力 图式
确定 小桥 孔径 长度
确定 桥前 水深
确定 路基 和桥 面最 低标 高
第二节 小桥孔径计算
1、判别桥下水流图式
（1）确定河槽天然水深ht 河槽天然水深ht ，可根据已知设计流量及河槽特征，用试算法确定。 假定一个水深h，慎重选取河道的粗糙系数，从河槽横断面图上求得过水 面积A和水力半径R，按公式计算相应流量Q。
2 vH v2 H ht 2 2g 2 g
（8-2-12）
式中：v—由采用的桥孔长度计算的桥下流速(m/s)；其他符号意义同前。
第二节 小桥孔径计算
4、确定路基和桥面最低高程
按图8-2-6可得：桥头路基最低高程=河床最低点高程+H+△ （8-2-13） 按图8-2-7可得：桥面最低高程=河床最低点高程+H+J+D （8-2-14） 式中：H—桥前水深(m)； △—安全高度(m)； J—桥下净空安全值(m)；与大中桥相同； D—桥梁上部结构建筑高度(m)。
hk hk
第二节 小桥孔径计算
由图可得：
Bk hk Bk 2mhk hk mhk2
则桥下临界水深为
hk
Bk Bk2 4mB k hk 2m
（8-2-4）图8-2-3 梯形断面临界水深的计算图式
式中：m——梯形断面边坡系数。
临界断面水宽Bk为
Ak3 g Qs g Bk 2 3 Qs vk
表8-2-2
φ 0.90 0.90 0.85 0.85
第二节 小桥孔径计算
若桥孔断面为矩形，则桥孔长度L=B； 若桥孔断面为梯形，则桥孔长度为：
L B 2mh
（8-2-7）
式中：L——小桥的孔径长度(m)； m——桥台处锥坡的边坡系数； △h——小桥上部结构底面高出水面的高度(m)； 其他符号意义同前。
第二节 小桥孔径计算
1、自由式出流
小桥下游天然水深ht≤1.3hk时，桥下水流图式如下图。桥下水深为 桥下河槽的临界水深hk。
2、淹没式出流
小桥下游天然水深ht＞1.3hk时，桥下的临界水深被下游天然水深水 面所淹没，桥下水流图式如下图。桥下天然水深为ht。
第二节 小桥孔径计算 二、小桥孔径计算
8-2-6
8-2-7
第二节 小桥孔径计算
本节课到此结束！
第三节 涵洞孔径计算 涵洞孔径计算特点
1.洞身断面的尺寸对工程数量影响较大; 2.涵洞孔径小、孔道长，水流过涵阻力较大; 3.通常采取人工加固措施来提高过涵流速; 4.孔径计算需考虑水流充满洞身的情况。
一、水流通过涵洞的水力图式
根据涵洞出水口是否被下游水面淹没，可分为自由式出流与淹没式出 流两类。 按涵洞进水口建筑形式不同与涵前水头高低，水流通过涵洞可分为无 压力式、半压力式、压力式三种水力计算图式。
第三节 涵洞孔径计算
1、无压力式
当涵洞的进水口建筑为普通型(端墙式、八字式、平头式)，而涵前水深 H≤1.2hT时，或者进水口建筑为流线型(喇叭形、抬高式)，而涵前水深 H≤1.4hT时，水流在进水口处受到侧向束窄，水面急剧下降，在洞口不远处 形成一个收缩断面，水流流经全涵洞均保持自由水面，称无压力式水流状态
第二节 小桥孔径计算
（2）淹没式出流 下游天然水深ht＞1.3hk时，桥下河槽被下游水流淹没，桥下过水断 面的水深为ht,则桥下过水断面平均宽度为：
Qs B0 Nd ht vbc
（8-2-8）
B0—桥下过水断面的平均宽度(m)； vbc—河床的容许(不冲刷)流速(m/s)，可按表8-2-1采用。
第二节 小桥孔径计算
若桥孔断面为矩形，则桥孔长度L=B0； 若桥孔断面为梯形，则桥孔长度为：
如果桥孔轴线与水流方向斜交，交角为α，则斜交桥孔长度Lα为： L L cos （8-2-10）
根据计算得到的桥孔长度L选 用标准跨径，两者相差应小于或 等于10%，否则，需根据确定采 用的桥孔长度反求桥下流速和临 界水深，复核水流图式。
1 2 3 12 QA R i n
（8-2-1）
若计算的Q值与设计流量相差一般不超过〒5%时，则假定的水深可作为 天然水深。否则，需要重新假定水深进行计算，直至符合要求为止。
第二节 小桥孔径计算
（2）确定桥下临界水深hk 桥下河槽的临界水深hk，可按临界水深函数求得：
式中： Ak——桥下河槽临界水深对应的过水断面面积(m2)； Bk——临界断面Ak的水面宽度(m)； Qs——设计流量(m3/s)； g ——重力加速度(m/s2)； α——流速分布系数，小桥取α=1.0。