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公路涵洞设计细则 解 释 冯忠居 教授 长安大学 二零零七年九月 1.一般规定 七.涵洞水力计算 图a 涵洞水流状态示意图 lc=A(H-ho),A=1.52.5,随入口类型而变;ho0.9hk;l出(2.02.5)(ho-hN),(当hohN时); hN下游沟槽正常水深;ho形成匀流时洞内正常水深;Ic出口处形成水深ho时的坡度 七涵洞水力计算 图b 半有压涵洞水流状态示意图 七涵洞水力计算 图c 有压涵洞水流状态示意图 七涵洞水力计算 1) 涵洞水力计算是孔径设计的依据,必须保 证设计洪水、漂浮物等的安全通过,确保路 基及基底的稳定,满足排灌需要,避免对上、 下游农田、房舍的不利影响,并考虑工程造 价的经济合理。 2) 根据公路等级,求得涵洞规定设计洪水频 率的设计流量,并初拟涵洞的类型、洞口式 样和孔径后,应进行水力计算;验算涵内流 速、水深和涵前壅水位。 七涵洞水力计算 3) 涵洞水力计算图示应采用无压力式,并应 符 合4.3.7条规定;仅在特殊情况下,有充分的 技 术经济比较依据时,方可采用半压力式或压 力 式涵洞。 4) 涵洞孔径应采用标准跨径,当采用多孔时 应 注意流量分配的不均匀性。 5) 人工排灌渠道上的涵洞,应依据排灌流量 和 当地水利部门及有关单位意见确定其孔径。 不 宜压缩排灌渠道过水面积。 七涵洞水力计算 6) 山区涵洞的布设,应保证路基和涵洞的稳 定、免遭水毁,必须采取相应的工程措施防 止冲刷和消耗能量。其陡坡过水消能建筑物 一般布置型式见(图7.1.6)。 图7.1.6 陡坡过水建筑物组成图 七涵洞水力计算 2.涵洞孔径验算 1) 无压力式涵洞的孔径验算 水流类型有缓流、急流和临界流三种。在明渠 中,当流量为定值时,水流类型随沟底坡度而 变,若沟底坡度较缓,则流速较小,而水深较 大;若沟底坡度较陡,则流速较大,而水深较 小(如图a).当流量一定时,若hhk,则v0.06,未考虑掺气之前的水流 流速v=3.5m/s,R0.3m时,应考虑水流掺气 。 其计算式见有关参考书。 2) 倒虹吸涵洞的孔径计算。 倒虹吸管是一个中段低下的压力管道,主要 由进口段、水平段和出口段三部分组成,管 身断面通常为圆形或矩形。倒虹吸管的过水 原理,是借助水压将水由进口端压至出口端 渠道。 七涵洞水力计算 进、出口应做成与渠道连接的渐变段,作适 当长度的铺砌加固,其末端设置垂裙,以防 止或减少渗漏及冲刷。 倒虹吸管水力计算的目的,在于合理选择断 面尺寸与流速、计算各种水头损失、核算通 过流量并确定倒虹吸管进、出口高程等。 倒虹吸过水面积应按下列公式计算: (7.2.2-1) (7.2.2-2) 七涵洞水力计算 阻力系数一般包括:管径变化阻力系数,进 口阻力系数,转弯阻力系数,沿程阻力系数和 出口阻力系数等,各阻力系数应按以下规定确 定。 管径变化阻力系数1,按表7.2.2-1确定。 表7.2.2-1 管径变化阻力系数1 注:A1为较小的断面面积,A2为较大的断面面积。 七涵洞水力计算 进口阻力系数2,按表7.2.2-2确定。 表7.2.2-2 进口阻力系数2 七涵洞水力计算 转弯阻力系数3 转弯分为急弯和缓弯两种,转弯角15 时为缓弯,15时为急弯。急弯的阻 力系数3视角大小,按表7.2.2-3确 定。缓弯的阻力系数3,按下式计算。 (7.2.2-3 ) 七涵洞水力计算 表7.2.2-3 急弯阻力系数3 表7.2.2-4 缓弯矩形断面k值 七涵洞水力计算 表7.2.2-5 缓弯圆形断面的k值 沿程阻力系数4,按下式计算 (7.2.2-4) 七涵洞水力计算 出口阻力系数5,一般采用1.0。 3.过水消能建筑物的水力计算 1) 消力池的水力计算: 初估消力池下挖深度d ,可按下列公式计算 收 缩断面的水深和流速(图7.3.1)。 图7.3.1消力池计算图式 七涵洞水力计算 (7.3.1-1) (7.3.1-2) 计算hc的水跃共轭水深hc (7.3.1-3) 验算假定的池深 为了使消力池产生淹没式水跃,可按下式验算: (7.3.1-4) 七涵洞水力计算 假定的池深d经试算至等式成立(相差不大于5%) 为止,d即为确定池深。 水流的射流长度L1,可按下式计算 (7.3.1-5) 水跃长度L2 消力池内的水跃是一种强迫形成的水跃,它的长度 比 自由水跃长度为短,可按下式计算. L2=5(hc-hc) (7.3.1-6) 七涵洞水力计算 消力池的池长L,可按下式计算。 LL1+L2 (7.3.1-7) 水跃静定缓和所需的铺砌长度L0 由于水流发生水跃后仍存在剩余动能,需有一个 静定缓和的过程,故池后加设一段铺砌长度L0, 可按下式计算。 L0(2.53.0)L2 (7.3.1-8 ) 2) 消力槛的水力计算 消力槛类似消力池,即决定槛高及消力池的长度 。 其中消力池长度可按公式(7.3.1-7)算。 七涵洞水力计算 槛高P1可按下式计算(图7.3.2)。 图7.3.2消力槛计算图式 (7.3.2-1 ) 七涵洞水力计算 槛上水深H1和槛上总水头H10的确定 (7.3.2-2) (7.3.2-3) 消力槛淹没系数s的确定。 (7.3.2-4) 计算中可按表7.3.2选用s的数值。表中 当hs/H100.45时,s 1,为自由出流; 当hs/H100.45时,s 1,为淹没出流。 七涵洞水力计算 表7.3.2消力槛的淹没系数s值 消力槛高P1的确定 根据公式(7.3.2-1)(7.3.2-3)、表7.3.2, 先假定s 1求得消力槛淹没系数s,判断出槛 水流情况。当为自由出流时,则P1值即为所求得 的值;当为淹没出流时,可重新假定P1值, 七涵洞水力计算 试算s值。试算中以公式(7.3.2-1)的变形式 计算 每次试算s值后,可按下式计算单宽流量 。 (7.3.2-5 ) 若计算的q与设计的单宽流量( )大致相 等 时,则所设的P0即为确定值。若不相等, 继 续假设P1试算,直至q与qs基本一致为止。 七涵洞水力计算 3) 跌水的水力计算: 单级跌水的计算只是收缩断面水深计算及消 力池、消力槛计算(图7.3.1、图7.3.2)。按本 细则第7.3.1条和第7.3.2条规定计算。 七涵洞水力计算 多级跌水就是一系列相连的消力(图7.3.3) 。 这种跌水的水力计算与单级跌水的计算相似。其 计算内容为:确定各级消力槛高和消力池长及最 后一级消力池池深及池长。多级跌水的级高宜取 相同数值。 图7.3.3多级跌水布置图式 七涵洞水力计算 4) 急流槽的水力计算 急流槽是由进口、陡坡槽身、消能设施和出口 等 四部分组成,如图7.3.4所示 图7.3.4急流槽 七涵洞水力计算 急流槽的宽度一般与涵洞孔径大致相同,或 根据需要通过的设计流量计算确定。 急流槽中水流在整个槽身长度内处于急流状 态,起点断面水深为临界水深hk,随后各断面水 深小于临界水深hk,即出现降水曲线。 按均匀流公式试算槽中正常水深h0、流速V0 , 最后验算流量并检验与设计流量差不大于5。 降水曲线范围内可按分段求和法计算完整的 降水曲线长度l。 l=l (7.3.4-1) 七涵洞水力计算 (7.3.4-2 ) (7.3.4-3 ) 计算出完整的降水曲线长度l与陡槽的实际布 置 长度L比较: 当lL时,为长急流槽。过l后至L之间为陡 坡 均匀流的长槽末端水深hzh0。 七涵洞水力计算 当lL时,为短急流槽。此时槽身内为一不完整 的降水曲线。槽末端水深hz可以直线内插求得, 公式为: (7.3.4-4) 槽末断面的流速,式中A2为槽末断面的面积。 急流槽末端设置消力池或消力槛的尺寸,除 L1=0外,其余均与消力池、消力槛的水力计算相 同。 七涵洞水力计算 表4.3.7无压力式涵洞净空高度hd(m) 图7.3.1消力池计算图式 图7.3.2消力槛计算图式
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