公路涵洞设计细则 解解 释释 冯忠居冯忠居 教授教授 长安大学长安大学 二零零七年九月二零零七年九月1.1.一般规定一般规定 七七.涵洞水力计算涵洞水力计算图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2.2.涵洞孔径验算涵洞孔径验算 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vvk, 能率E（即断面单位能量）随水深h增加而增大， 势能大而动能小，水深流缓，水流处于缓流状 态，称为缓流；若h vk, 能率E随水深 增大而减小，势能小而动能大，水浅流急，七涵洞水力计算 水流处于急流状态，称为急流；h=hk,v=vk,能率E达到最小值，即缓流与急流的分界处水流处于临界状态，称为临界流。 水流类型图 七涵洞水力计算 根据河沟断面形态初拟孔径后，应按下列公式 验算涵内流速、水深和涵前壅水位。 临界流状态 （7.2.1-1） （7.2.1-2）七涵洞水力计算 （7.2.1-3） （7.2.1-4） （7.2.1-5） （7.2.1-6）七涵洞水力计算 当HsHcd1.3hkId（LhLc）时，应改 按淹没流状态验算。 当涵洞内铺砌面允许流速VyVqs（涵内收 缩断面处流速）时，应改变铺砌类型，使 VyVqs。 当Hy （涵前壅水位）超过涵前允许淹没水 位时，应增大孔径。七涵洞水力计算 淹没流状态（缓流） （7.2.1-7） （7.2.1-8） （7.2.1-9） （7.2.1-10） （7.2.1-11） 七涵洞水力计算 （7.2.1-12） （7.2.1-13） 当VsVy时，应改变铺砌类型，使VyVs，或 增大孔径使VsVy。 当Hy （涵前壅水位）超过涵前允许淹没水位 时，应增大孔径；当Hy低于涵前允许淹没水位 过多时，可考虑缩减孔径。七涵洞水力计算 急流（补充） 当铁路跨越坡度陡峻地区的河沟时，为了适 应地形，顺畅宣泄水流，节省建设投资，往 往要修建陡坡涵洞。陡坡涵洞由于纵坡陡峻， 水流通过涵洞时，呈现急流状态，采用下式 进行洞内水力计算： 按等截面均匀流计算，即：七涵洞水力计算 陡坡涵洞的水力特征是洞内水深小于临界水 深hk,洞内坡度大于临界坡度ik，洞内流速大 于vk,为确定其水力条件和判别其水流状态， 一般先计算临界水深hk和临界坡度ik,hk和ik 的计算见有关参考书。 掺气水流计算 在流速很大的水流中，流体掺进了空气，成 为掺气水流，空气体积与水和空气总体积之 比，称为掺气系数。 七涵洞水力计算 当洞底坡度i0.06，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。3.3.过水消能建筑物的水力计算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