第八章-小桥和涵洞孔径计算.pptx
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1、主要内容涵洞孔径计算涵洞孔径计算涵洞孔径计算涵洞孔径计算123小桥和涵洞的进出口处理小桥和涵洞的进出口处理小桥和涵洞的进出口处理小桥和涵洞的进出口处理4 小桥孔径计算小桥孔径计算小桥孔径计算小桥孔径计算小桥和涵洞勘测小桥和涵洞勘测小桥和涵洞勘测小桥和涵洞勘测山区小桥和涵洞进出口的水力计算山区小桥和涵洞进出口的水力计算山区小桥和涵洞进出口的水力计算山区小桥和涵洞进出口的水力计算5第八章第八章 小桥和涵洞孔径计算小桥和涵洞孔径计算v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。v一般在平原区每公里约13座,山区约35座。据已建公路统计,小桥涵的工程投资约占公路总投资
2、的15%20%,其投资总额为大、中桥的24倍左右。v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。v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。第八章第八章 小桥和涵洞孔径计算小桥和涵洞孔径计算小桥和涵洞按跨径分类表小桥和涵洞按跨径分类表多孔跨径总长多孔跨径总长L(m)单孔跨径单孔跨径L0(m)小桥小桥8 L 305 L0 20涵洞涵洞L0 5第一节第一节 小桥和涵洞勘测小桥和涵洞勘测一、小桥和涵洞勘测的主要任务一、小桥和涵洞勘测的主要任务v小桥和涵洞勘测包括外业勘测和内业设计两部分。v通过
3、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二、小桥和涵洞勘测的主要工作内容v1、勘测前的准备工作v2、小桥和涵洞位置的选择v3、小桥和涵洞测量v4、小桥和涵洞类型选择二、小桥和涵洞勘测的主要工作内容二、小桥和涵洞勘测的主要工作内容1 1、勘测前的准备工作、勘测前的准备工作v(1)地形资料:搜集公路沿线1:100001:50000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。v(2)地质资料:搜集区域地质特征资料、地形图及土质类别。v(3)水文资料:小桥涵所在地附近水文站历年实测
4、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。v(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。v(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。v(6)组织与配备完成该工程勘测任务的人员、仪器和工具等。第一节第一节 小桥和涵洞勘测小桥和涵洞勘测2 2、小桥和涵洞位置的选择、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。v(1 1)山
5、岭及丘陵区小桥涵位置的确定)山岭及丘陵区小桥涵位置的确定 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。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。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。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。第一节第一节 小桥和涵洞勘测小桥和涵洞勘测v(2 2)平原区小桥和涵洞位置的确定)平原区小桥和涵洞位置的确定 根据天然排洪
6、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。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。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。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。3 3、小桥和涵洞测量、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 4、小桥和涵洞类型选择、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。第一
7、节第一节 小桥和涵洞勘测小桥和涵洞勘测本节课到此结束!第一节第一节 小桥和涵洞勘测小桥和涵洞勘测第二节第二节 小桥孔径计算小桥孔径计算一、水流通过小桥的图式一、水流通过小桥的图式v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。v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。水流图式水流图式判别标准判别标准自由出流自由出流ht1.3hk淹没出流淹没出流ht1.3hkht 桥下游天然水深;hk 桥下临界水深。1、自由式出流v小桥下游天然水深ht1.3hk时,桥
8、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v小桥下游天然水深ht1.3hk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。第二节第二节 小桥孔径计算小桥孔径计算二、小桥孔径计算二、小桥孔径计算v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。v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。
9、v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:第二节第二节 小桥孔径计算小桥孔径计算判断桥判断桥下水力下水力图式图式确定小确定小桥孔径桥孔径长度长度确定桥确定桥前水深前水深确定路确定路基和桥基和桥面最低面最低标高标高1、判别桥下水流图式(1)确定河槽天然水深)确定河槽天然水深htv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。v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。v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
10、求为止。(8-2-1)第二节第二节 小桥孔径计算小桥孔径计算(2 2)确定桥下临界水深)确定桥下临界水深h hk k v 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);流速分布系数,小桥取=1.0。(8-2-2)第二节第二节 小桥孔径计算小桥孔径计算v因此任意形状断面的平均临界水深 为: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。v 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=,对于宽浅的梯形断面,
11、也可以取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。(8-2-3)第二节第二节 小桥孔径计算小桥孔径计算v由图可得:v则桥下临界水深为(8-2-4)式中:m梯形断面边坡系数。(8-2-5)图8-2-3 梯形断面临界水深的计算图式v临界断面水宽Bk为第二节第二节 小桥孔径计算小桥孔径计算v(3 3)水流图式判别)水流图式判别当当ht1.3hk时,自由式出流;时,自由式出流;当当ht1.3hk时,淹没式出流。时,淹没式出流。2.确定小桥孔径长度(1 1)自由式出流)自由式出流v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
12、流挤压系数:式中:B桥下需要水面宽度(m);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。(8-2-6)第二节第二节 小桥孔径计算小桥孔径计算挤压系数挤压系数与流速系数值与流速系数值 表表8-2-2桥台形状桥台形状单孔桥锥坡填土单孔桥锥坡填土0.900.90单孔桥有八字翼墙单孔桥有八字翼墙0.850.90多孔桥或无锥坡或桥多孔桥或无锥坡或桥台伸出锥坡以外台伸出锥坡以外0.800.85拱脚淹没的拱桥拱脚淹没的拱桥0.750.85第二节第二节 小桥孔径计算小桥孔径计算v 若桥孔断面为矩形,则桥孔长度L=B;v 若桥孔断面为梯形,则桥孔长度为:(8-2-7)式中:L小桥
13、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。第二节第二节 小桥孔径计算小桥孔径计算(2 2)淹没式出流)淹没式出流v下游天然水深ht1.3hk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: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。(8-2-8)第二节第二节 小桥孔径计算小桥孔径计算v 若桥孔断面为矩形,则桥孔长度L=B0;v 若桥孔断面为梯形,则桥孔长度为:v 如果桥孔轴线与水流方向斜交,交角为,则斜交桥孔长度L为:(8-2-10)(8-2-9)v
14、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。第二节第二节 小桥孔径计算小桥孔径计算3、确定桥前水深、确定桥前水深(1 1)桥下为自由式出流)桥下为自由式出流v 桥前水深H计算公式:式中:H桥前水深(m);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。(8-2-11)第二节第二节 小桥孔径计算小桥孔径计算(2 2)桥下为淹没式出流)桥下为淹没式出流 桥前水深H计算公式: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。(8-2-12)4 4、确定路
15、基和桥面最低高程、确定路基和桥面最低高程v按图8-2-6可得:桥头路基最低高程=河床最低点高程+H+v按图8-2-7可得:桥面最低高程=河床最低点高程+H+J+D 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)。(8-2-13)(8-2-14)第二节第二节 小桥孔径计算小桥孔径计算8-2-68-2-7本节课到此结束!第二节第二节 小桥孔径计算小桥孔径计算第三节第三节 涵洞孔径计算涵洞孔径计算涵洞孔径计算特点涵洞孔径计算特点 v1.洞身断面的尺寸对工程数量影响较大;v2.涵洞孔径小、孔道长,水流过涵阻力较大;v3.通常采取人工加固措施来
16、提高过涵流速;v4.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一、水流通过涵洞的水力图式v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。v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。1 1、无压力式、无压力式v 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H1.2hT时,或者进水口建筑为流线型(喇叭形、抬高式),而涵前水深H1.4hT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2、半压力式、半压力式
17、v 当涵洞的进水口建筑为普通型,且水流充满进口,涵前水深H1.2hT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。第三节第三节 涵洞孔径计算涵洞孔径计算3.3.压力式压力式v当涵洞的进水口建筑为流线型,而涵前水深H1.4hT,且涵底纵坡iiw,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。v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);A涵身断面全面积(m2);C谢才系数(m1/2/s);R涵身断面的水力半径(m)。第三节第三节 涵洞孔径计算涵洞孔径计算(8-3-1)图8-3-4
18、压力式涵洞自由式出流图8-3-5 压力式涵洞淹没式出流二、涵洞孔径计算二、涵洞孔径计算1 1、无压力式涵洞、无压力式涵洞 计算规定和假设:(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。v a)对于盖板涵、箱涵:进水口净高h2m时,=0.25m。第三节第三节 涵洞孔径计算涵洞孔径计算v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),对对值的规定:值的规定:涵洞净空高度涵洞净空高度 涵洞进口 净高(或内径)h(m)圆涵拱涵矩形涵330.750.750.5第三节第三节 涵洞孔径计算涵洞孔径计算(2)从涵前水深H到进口水深H的降落系数取0.
19、87,则:(3)收缩断面的水深hc=0.9hk,涵前的行进流速v00,即H0H。(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=0.51.5m的拱涵、盖板涵,vmax=4.5m/s 净跨L0=2.04.0m的拱涵、盖板涵、圆管涵,vmax=6.0m/s(8-3-2)第三节第三节 涵洞孔径计算涵洞孔径计算v无压力式涵洞基本公式:(8-3-3)(8-3-4)(8-3-5)(8-3-6)第三节第三节 涵洞孔径计算涵洞孔径计算式中:Q过涵流量(m3/s);hk、vk、Ak涵洞进口附近临界断面的水深 (m)、临界流速(m/s)和过水面积(m2);H涵前水深(m);v0涵前行进流速(m
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