桥涵水文 第9章小桥和涵洞孔径计算

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，桥下水流图式如图。 桥下天然水深为ht。
二、小桥孔径计算 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。
因此任意形状断面的平均临界水深 hk 为：
Ak Qs v hk 2 Bk Ak g g
2
2 k
其中vk为临界流速，计算时可采用河床的容许 （不冲刷）流速。
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，可 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。
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
B0—桥下过水断面的平均宽度； Vbc—河床的容许（不冲刷）流速。
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：
涵洞处的路基最低高程应高出 涵前水深以上至少50cm。 为避免涵洞进口路基浸水和进 出口流速计冲刷过大，一般不 采用压力式涵洞。
第四节 小桥和涵洞的进出口处理
一、小桥和涵洞类型的选择 公路小桥和涵洞的类型的选择应根据路线 等级，结合当地的地形、水文、材料、施 工等条件，按照安全、适用、经济、就地 取材、便于施工与养护的原则来选用。
无压力式涵洞基本公式为：
Q Ak 2 g ( H 0 hk )
Q vk Ak
2 vk H 0 hk 2 g 2
2 v0 H H0 2g
2、半压力式涵洞 半压力式涵洞的水力计算，常以涵前断面和进口 收缩断面作为计算断面，根据能量方程来推算流 量和涵前水深。其基本公式为：
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。
由图有：
hk
Bk B 4mBk hk
2 k
2m
临界断面水面宽度Bk为：
Ak3 g Qs g Bk 2 3 Qs vk
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L 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 ：
按图9-2-7可得： 桥面最低高程=河床最低点高程+H+J+D
第三节 涵洞孔径计算
涵洞和小桥相比，特点是孔径小、孔道长，河底 往往具有较大的纵坡，涵前水深可以高于涵洞高 度。 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。
3. 压力式 当涵洞的进水口建筑为流线型，而涵前水深H＞ 14hT,且涵底纵坡i＜iw，或者下游洞口被掩埋时， 则整个涵洞的断面都充满水流，称为压力式水流 状态。
二、涵洞孔径计算 1、无压力式涵洞 进行涵洞计算时，根据涵洞的实际工作情况，作 了下列规定和假设： （1）无压力式涵洞进水口处，涵内的最高水面与 涵洞顶之间要保持一个最小净空高度△。 对于盖板涵、箱涵： 进水口净高h＜2.0m时，△=0.10m； h≥2.0m时，△=0.25m。
1 2 3 12 QA R i n
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。
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：
A Q g B
3 k k
2 s
式中：Ak—桥下河槽临界水深对应的过水断面面 积； Bk—临界断面Ak的水面宽度； Qs—设计流量； a —流速分布系数，小桥取a=1.0
vc 2g H hT
Q A 2g H hT
3、压力式涵洞 为充分利用断面，达到缩小孔径的目的，压力式 涵洞一般采用进水口升高式的洞口建筑，使涵顶 与水流线形基本一致。基本公式为：
v Leabharlann Baidu 2 gH Liw i hT
Q A 2 g H Liw i hT
2、涵洞类型的选择 涵洞由洞身、洞口、基础三个部分组成。
洞身主要承受涵洞上填土的垂直与侧向的土压力 以及活载压力。 洞口用以连接洞身与上下游水道，使水流能顺畅 地通过洞身，并保证洞口周围的路基边坡免遭冲 刷。 基础把涵洞所受的荷载均匀地分布和传递到土基 上，并使地基免受水流的直接冲刷。 根据涵洞洞身的构造形式不同，涵洞可分为圆管 涵、拱涵、盖板涵和箱涵等。
1 L B0 2m( ht h) 2
如果桥孔轴线与水流方向斜交，交角为a，则斜 交桥孔长度La为：
L L cos
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。

3、确定桥前水深H 1）桥下为自由式出流时，桥前水深H按下式计算：
（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。
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。

Qs g B 3 Nd vk
B—桥下需要水面宽度， —挤压系数；见表9-2-2； N—桥墩个数； d —桥墩宽度。
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
L—小桥的孔径长度； 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。
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： 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。 先假定一个水深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。
2 2 vk vH H hk 2 2g 2 g
H—桥前水深； —流速系数，见表9-2-2； vH—水深为H的桥前断面的行进流速。
2）桥下为淹没式出流是，桥前水深H按下式 计算：
v v H ht 2 2g 2 g
V—由采用的桥孔长度计算的桥下流速。
2
2 H
4、确定路基和桥面最低高程 按图9-2-6可得： 桥头路基最低高程=河床最低点高程+H+△
1、小桥和涵洞的选择 小桥和涵洞的选用，主要根据设计流量、路堤高 度、河床纵坡以及建筑材料等确定。 当跨越常年有水但流量较少，或季节性水流且漂 浮物和上游泥沙运动较少，路堤高度能够满足壅 水高度和宣泄设计流量的要求时，宜采用涵洞； 当设计流量大，或河道漂浮物和泥沙运动较多， 或河沟地处陡峭深谷并填土过高时，都应采用小 桥。
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。
2、小桥和涵洞位置的选择
小桥和涵洞位置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。
1、无压力式 当涵洞的进水口建筑为普通型，而涵前水深 H≤1.2hT时，或者进水口建筑为流线型，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，称为无压力式 水流状态。
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。
②涵位与路基排水系统密切配合，如在截水沟排 水出口处设置涵洞，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） 点附近应设置涵洞。 ④路线由陡坡段过度到缓坡段，在此200m内又 无其他涵洞，在变坡点附近应设置涵洞。
（2）平原区小桥和涵洞位置的确定 ①根据天然排洪系统，有利于农业灌溉设置小桥 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，可适当多设置涵洞，以防排水不畅 及长期积水。 ③路线靠近村庄时，要注意设置涵洞，以便及时 排除村内的地面积水。 ④小桥和涵洞的位置应选择在河床地质良好、地 基承载力较大的河段。
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。
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。
第九章 小桥和涵洞孔径 计算
第9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。
对于砖、石、混凝土拱涵： 涵洞净高hT≤1.0m时，△=0.10m； hT=1.0~2.0m时，△=0.15m； hT＞2m时，△=0.25m。 （2）从涵前水深H到进口水深H’的降落系数取 0.87，则：
hT H' H 0.87 0.87
（3）收缩断面的水深hc=0.9hk，涵前的行进流 速v0≈0，即H0≈H。 （4）涵洞出口处或收缩断面处的最大允许流速 vmax规定为： 净跨L0=0.5~1.5m的拱涵、盖板涵，vmax=4.5m/s， 净跨L0=2.0~4.0m的拱涵、盖板涵、圆管涵， vmax=6.0m/s