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1、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
2、，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
3、，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
4、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 （
5、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
6、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，
7、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
8、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
9、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
10、,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
11、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
12、。 （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
13、、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
