小桥涵水力计算汇总课件.ppt

第五章 小桥涵水力计算,2,第五章 小桥涵水力计算,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,3,5-1 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：213m3.涵洞孔径用孔数、单孔跨径和涵台高度表示：2250200cm2（孔数标准跨径涵台高度）4.圆管涵则用涵管的孔数和内径表示：2150cm,4,一、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。,5,一、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。,6,二、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。,7,大中桥与小桥孔径计算有什么不同？,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。,8,二、小桥涵水力计算的特点,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1111.5，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。,9,二、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。,10,三、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。,11,三、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。,12,四、小桥涵孔径与水毁,公路桥涵水毁的成因分析小桥涵水毁的防治,13,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。（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。,14,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。,15,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。,16,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。,17,五、小桥涵水流状态,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：动能：能率：,18,五、小桥涵水流状态,当流量及流水断面形状为已知时，能率为水深的函数：,C点的能率最小，称为临界点。其对应水深 为临界水深其相应流速 称为临界流速,19,五、小桥涵水流状态,缓流：临界流：急流：,20,五、小桥涵水流状态,2.临界流及其水力参数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,21,（1）临界水深,临界水深时的能率最小，有,对任何形状的断面，有，B为水面宽度。因此或,22,临界水深,对于矩形断面,临界水深：,临界水深计算公式：,或：,23,（2）临界流速,临界流速：,因此,而（断面平均水深）,对于矩形断面对于梯形断面,24,（3）临界坡度,用谢才流速公式计算流经河槽的流量,当水流为临界流时，,因此，,临界坡度,25,临界坡度,当为矩形断面时，,谢才系数C用满宁系数表达，,因此，,当为矩形断面时，,26,5-2 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。,27,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。自由出流的水力条件：,28,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：,29,二、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L3.计算桥前水深H4.确定桥头路堤及桥面最低高程,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。,30,确定天然水深,水位,天然水深,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。,31,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，,其中：设计流量（m3/s）河床边坡系数 河床主河沟平均纵坡 河床糙率,32,确定天然水深,公式法步骤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：,由 即可求出相应流速,33,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：其中对于桥下临界流速，孔径计算时按桥下的允许不冲刷流速控制，查附表1-351-38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，对于狭和深的梯形桥孔断面，,34,判断桥下水力图式,（3）判断桥下水力图式自由出流：非自由出流：,35,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,36,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：,其中：桥下临界断面的水面宽度（m）设计流量（m3/s）临界流速（m/s），计算时按允许不冲刷流速控制 侧向挤压系数,37,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,其中：中墩个数 中墩在水面线上顺桥跨方向的宽度,38,自由出流时确定桥梁跨径长度L,当桥孔断面为矩形时，桥跨长度,其中：桥梁上部构造底面高出设计洪水位的高度 桥跨长度,当桥孔断面为梯形时，桥跨长度,39,确定桥梁跨径长度L,（2）非自由出流时此时桥下水深即为河槽的天然水深，则过水断面的平均宽度：,当桥孔断面为矩形时，桥跨长度,当桥孔断面为梯形时，桥跨长度,40,斜交桥,如斜交桥斜度为，所需桥跨长度,其中：桥台宽度（m）,41,3.计算桥前水深,（1）自由出流时根据桥前断面与桥下临界断面的伯努里方程可推导出桥前水深的计算公式,其中：流速系数，视桥台类型查附表1-32 水深为H时的桥前流速,42,3.计算桥前水深,为简化计算，,矩形断面时：,43,3.计算桥前水深,（2）非自由出流时,其中：根据最后选定的孔径计算的桥下流速（m/s）,简化计算表达式：,44,4.确定桥头路堤及桥面最低高程,考虑建桥压缩河床后引起桥前壅水对路堤和桥面高度的影响，需要对桥头路堤及桥面最低高程进行验算：路堤最低高程=河床最低高程+H+桥面最低高程=河床最低高程+H+1+K,其中：桥前水深（m）安全值，一般取=0.5m 桥前水面至上部构造底面的净空高度，查表1-7 桥梁上部构造的建筑高度,45,三、表解法求算孔径,将小桥孔径计算编制成图表，与公式计算略有出入，但能满足实用的精度。（1）根据河床土的性质或加固类型，按附表1-351-38确定允许不冲刷流速。（2）先按自由出流计算，由 查附表2-1得孔径系数、桥下临界水深 和桥前水深H。（3）用公式或试算法求桥下游天然水深ht，并判断水力图式。如为非自由出流，则应重新按非自由出流查表求解，如为自由出流，以上计算有效。（4）计算桥跨长度：L孔径系数Qs（5）验算桥头路堤及桥面最低标高。,46,5-3 涵洞水力计算,一、涵洞水力图式1.无压力式水流通过涵洞时在其洞身长度内都有与洞顶不接触的自由水面。此时下游河槽水流不影响洞内水流的出流。计算方法与自由出流的小桥相同。无压力式涵洞洞身多为混凝土或砌石构成，具有较大的抗流速能力，一般采用较高的出口流速，但不超过56m/s。出口流速与涵洞长度及涵底纵坡有关。,47,水力图式,对于普通进水口（包括端墙式、八字式、平头式等）对于流线型进水口（包括喇叭形等）,其中：涵前水深（m）涵洞洞内净高（m）,涵前水深可按下式估算：,48,5-3 涵洞水力计算,a）八字式b）端墙式c）锥坡式d）直墙式 e）扭坡式f）平头式g）走廊式h）流线型式,49,无压力式,50,2.半压力式,涵洞进水口被淹没，但整个洞身仍具有自由水面。,对于普通进水口对于流线型进水口，一般不出现半压力式水力图式,51,3.压力式,压力式涵洞进口完全被水淹没，且整个洞身被水流充满，无自由表面，整个洞身呈有压力状态，其水力图式与水力学中的短管出流的水力状态相似。,52,3.压力式,对于流线型进水口，且,其中：涵底纵坡 洞内摩阻坡度,53,3.压力式,对于普通进水口涵洞，一般不出现有压力式水流状态。因为，尽管，且，洞内可能局部充满水流，但由于进水口断面突变，水流在挤入洞内时吸进了空气，致使充满的管流不断被空气破坏，实际只能符合不稳定的半压力式水流状态。压力式涵洞除满足 条件外，还应满足。若，水流沿流程因重力而获得的功将大于摩阻力所消耗的能，洞内离进口不远处的流速即增大到使水流脱离洞顶面而形成自由水面，使泄水能力降低。,54,二、孔径计算,1.无压力式涵洞孔径计算,55,各类涵洞孔径计算简化公式,（1）盖板涵及箱涵,其中：涵前水深，根据水面降落曲线近似计算,其中：洞口处水流深度 进水口和壅水降落系数，通常采用0.87,56,各类涵洞孔径计算简化公式,（3）圆管涵,（2）石拱桥,57,2.半压力式涵洞孔径计算,其中：涵洞进口附近收缩断面面积、水深及流速，流速系数，普通型洞口取0.85,58,3.压力式涵洞孔径计算,其中：从假想的摩擦坡度线起算的涵前水头总高度,59,三、倒虹吸涵洞孔径计算,基本计算公式公路上常用的是竖井式倒虹吸涵洞，孔径计算的基本公式：,其中：上下游水面的水位差，即总水头损失，等于沿程水头损失与局部水头损失之和。水头损失综合系数,60,倒虹吸涵洞孔径计算,断面为圆形时：断面为正方形时：,水头损失综合系数的确定水流通过倒虹吸涵洞的水头损失，由沿程水头损失与局部水头损失两部分组成。局部水头损失包括：涵身断面变化、进口、转变、出口等各项阻力引起的水头损失同时考虑 上各项水头损失，水头损失综合系数：,61,倒虹吸涵洞孔径计算,（1）沿程阻力系数,62,各项阻力系数,其中：涵洞沿程长度，包括两竖井沿程长度 涵身断面水力半径 粗糙系数。涵洞材料为混凝土时，采用0.0130.014；为浆砌石块时，为0.0160.017,（2）涵身断面变化的阻力系数 查附表2-3（3）进口阻力系数 查附表2-4（4）转弯阻力系数 急弯，查附表2-5 缓弯，其中：系数，对于正方形断面查附表2-6，对于圆形断面查附表2-7,63,各项阻力系数,（5）出口阻力系数涵洞水流出口断面增大，流速骤减，一般取出口阻力系数为1倒虹吸管的渠道一般最大与最小流量相差甚大。孔径设计时注意使倒虹吸管通过最大流量时水头损失不致过大，不致恶化管后渠道水流状态，并使管内流速通过最小流量时，管内流速不小于通常采用的不淤流速1.5m/s，并最好使入口水流满孔，以免产生脉动压力水跃对倒虹吸管不利。当单孔不能满足上述条件时，可采用双孔。,64,各项阻力系数,65,5-4.确定小桥涵孔径的经验方法,一、估算法（1）对于有明显河槽、河岸稳定、无冲刷现象并可调查到洪水位的河沟，可按以下三种情况估定孔径：洪水不溢槽，水深小于0.5m的，以水面宽度一半来估定；洪水不溢槽，水深超过0.5m的，以水面宽度与沟底宽度之和的一半来估算确定。洪水溢槽的，采用沟顶的宽度，再考虑溢槽水深和泛滥宽度，酌情加大孔径。,66,5-4.确定小桥涵孔径的经验方法,（2）对于冲刷痕迹显著的河床，最好在上下游选择比较稳定的河段，参照以上方法估算确定孔径。如无上述条件，可用沟顶宽度来估定。（3）对于河槽明显、河岸稳定，但调查不到洪水位时，可用河沟顶宽和底宽之和的一半来估算确定。（4）无明显河槽时，应估计过水面积，估算流量，拟定孔径。（5）如能调查到历史洪水位，则可根据拟定采用洪水位的水面宽度和水深参照附表估定。,67,5-4.确定小桥涵孔径的经验方法,二、不考虑水文条件的情况（1）地区地形复杂工程艰巨地段，为避免高填深挖而设置的旱桥（涵），以及山区狭窄的干谷和瀑布型的深沟，可直接根据地形结合路线要求、基础条件以及经济原则确定孔径。（2）人工排灌渠道上的桥涵，应根据灌溉流量和当地水利部门及有关单位意见确定其孔径。一般以不压缩渠道过水面积为宜。（3）桥涵下兼作其他通道时，应按相应的净空要求确定孔径。（4）考虑养护方便按最小孔径设涵。一般汇水面积很小，经常无水的干沟、小型农田灌溉渠、路基边沟排水涵多按最小孔径设涵。,68,补充：堰流,堰流：流经过水建筑物顶部下泄，溢流上表面不受约束的开敞水流。,69,补充：堰流,70,补充：堰流,工程上通常按照堰壁厚度与堰上水头H的比值大小及水流的特征将堰流分作：1薄壁堰：2实用堰：3宽顶堰流：,人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。,