1、 9.7.5 9.7.5 小橋孔徑水力計算小橋孔徑水力計算 Small bridge and culvert opening calculation 5.3.1 小橋孔徑計算小橋孔徑計算 小橋和大中橋設計略有不同，小橋一般不設引橋，小橋和大中橋設計略有不同，小橋一般不設引橋，橋面高程服從線路，即橋面標高和路面相同。橋面高程服從線路，即橋面標高和路面相同。大中橋大中橋：假定設計流量、設計水位不變，設計流速等：假定設計流量、設計水位不變，設計流速等 于天然河槽平均流速，推求橋孔長度，確定于天然河槽平均流速，推求橋孔長度，確定 橋面標高，允許橋下發生沖刷。橋面標高，允許橋下發生沖刷。 如果設計流速小

2、于天然狀態的河底容許如果設計流速小于天然狀態的河底容許不不沖刷沖刷流速，則流速，則河床可以不加固，河床可以不加固，橋孔長度可取通過設計橋孔長度可取通過設計流量時的水面寬，無需計算孔徑，只需根據設計流流量時的水面寬，無需計算孔徑，只需根據設計流量推算橋前水深，確定出橋面標高即可。量推算橋前水深，確定出橋面標高即可。小橋涵小橋涵：設計流量不變，：設計流量不變，通過人工加固河床，提高通過人工加固河床，提高河河 底底容許不沖刷流速容許不沖刷流速（the permit velocity for no scour） ，推求橋孔長度、橋前水深（設，推求橋孔長度、橋前水深（設 計水位），不允許橋下發生沖刷。計

3、水位），不允許橋下發生沖刷。1、小橋水流圖式（、小橋水流圖式（the flow pattern of small bridge） 當橋孔壓縮河槽時，水流受到橋頭路堤和墩臺的當橋孔壓縮河槽時，水流受到橋頭路堤和墩臺的擠束，橋前水位抬升，產生壅水，橋下水面降低，出擠束，橋前水位抬升，產生壅水，橋下水面降低，出現收縮斷面，這些特性與寬頂堰類似。因此，現收縮斷面，這些特性與寬頂堰類似。因此，小橋孔小橋孔徑計算徑計算采用寬頂堰理論作為設計基礎。采用寬頂堰理論作為設計基礎。 小橋水流圖式，按下游水深的大小，可分為小橋水流圖式，按下游水深的大小，可分為自由自由式出流式出流和和淹沒式出流淹沒式出流。橋下游天然

4、水深橋下游天然水深 ht（相應于設計流量）（相應于設計流量）橋前水深橋前水深 H 橋下水深橋下水深 h臨界水深臨界水深 hk1）自由式出流（）自由式出流（free discharge）當：當：ht 1.3hk 橋下水流為急流，下橋下水流為急流，下游水深對橋下過流能力無游水深對橋下過流能力無影響。影響。橋下水深橋下水深 h 1.3hk 橋下水流為緩流，橋下水流為緩流，橋下過流能力受下游水橋下過流能力受下游水深頂托的影響。深頂托的影響。橋下水深橋下水深 h hk此時橋下水深為橋下游天然水深此時橋下水深為橋下游天然水深 h=ht 。圖圖 5-85-8（b b）小橋淹沒式出流圖式）小橋淹沒式出流圖式H

5、kkkhthth2、小橋孔徑計算小橋孔徑計算 小橋孔徑計算的任務是統一解決孔徑、橋下流速小橋孔徑計算的任務是統一解決孔徑、橋下流速和橋前水深三者之間關系的問題。計算的內容是根據和橋前水深三者之間關系的問題。計算的內容是根據設計流量，選定河床加固類型及所對應的最大容許不設計流量，選定河床加固類型及所對應的最大容許不沖刷流速，確定滿足過流能力和防沖條件的孔徑和橋沖刷流速，確定滿足過流能力和防沖條件的孔徑和橋前壅水高度等。前壅水高度等。設計原則設計原則：使設計流量以最佳的流態通過橋孔，即：使設計流量以最佳的流態通過橋孔，即按按 臨界水流狀態設計臨界水流狀態設計。設計思路：設計思路：選定河床加固類型（

6、斷面一般修整為規則斷面，如選定河床加固類型（斷面一般修整為規則斷面，如矩形、梯形），矩形、梯形），確定河床容許不沖刷流速確定河床容許不沖刷流速Vbc （按表（按表5-12d），（無加固方案，根據河床天然土質，按表），（無加固方案，根據河床天然土質，按表5-12a、 5-12b、5-12c確定確定）令令Vk=Vbc和和QP比較比較H與與H允允 HH允允, ,方案可行方案可行 HH允允, ,調整調整L方案，直至滿足方案，直至滿足 要求為止。要求為止。L、H（1）小橋下游河槽天然水深）小橋下游河槽天然水深ht )265(2132 JRnQ ht試算，試算，Q- -QP/QP 1.3hk 淹沒出流淹沒

7、出流（4）孔徑計算）孔徑計算 自由出流（自由出流（ht1.3hk） 先計算臨界水面寬，然后用臨界水面寬確定橋先計算臨界水面寬，然后用臨界水面寬確定橋孔長度：孔長度：)275(311 kPkkPkkkVgQVhQhB 橋下通過設計洪水所需的水面寬：橋下通過設計洪水所需的水面寬：)285(3 NdVgQNdBBbcPk 橋孔長度：橋孔長度：矩形斷面矩形斷面： L = B梯形斷面梯形斷面： L = B+2mh (5-30)圖圖5-11 梯形斷面橋孔（自由式出流）梯形斷面橋孔（自由式出流）LBh khd1:m 淹沒出流淹沒出流（ht1.3hk） 先計算先計算橋下橋下通過設計洪水所需的平均水面寬（通過設

8、計洪水所需的平均水面寬（ht/2處）：處）：NdVhQBbctP 0矩形斷面矩形斷面： L = B0 梯形斷面梯形斷面： L = B0+2m(ht/2+h) (5-32)圖圖 5-12 梯形斷面橋孔（淹沒式出流）梯形斷面橋孔（淹沒式出流）L0Bh hd1:m2h（5）橋前水深）橋前水深H 自由出流自由出流)335(22222 gVgVhHHkk 淹沒出流淹沒出流)335(22222 gVgVhHHt 式中，式中，為流速系數，查表為流速系數，查表5-13。 VH為橋前水深為為橋前水深為H時的行近流速；時的行近流速；V為采用的橋為采用的橋孔長度對應的橋下流速?？组L度對應的橋下流速。 （5-33）式

9、須試算）式須試算,當當VH 1m/s 時，流速水頭可時，流速水頭可忽略不計。忽略不計。gVH22 為橋前水深為為橋前水深為H時的流速水頭。時的流速水頭。（6）確定路堤和橋面標高）確定路堤和橋面標高橋頭路堤最低標高：橋頭路堤最低標高： Z路路 = Zmin+ H + （5-34）橋面最低標高：橋面最低標高： Z橋橋= Zmin+ H +hj+ D （5-35） H橋頭路基最低標高河床最低點標高Hjh D河床最低點標高橋面最低標高【例例5-25-2】某公路通過一小溝，需要建一座小橋，選某公路通過一小溝，需要建一座小橋，選定的橋位與水流正交。定的橋位與水流正交。J=9，n=0.045，設計流量，設計

10、流量QP=22.0m3/s，河底最低點標高，河底最低點標高100m，路堤允許標高，路堤允許標高Z允允=103.0m。擬采用矩形斷面單孔小橋，八字翼墻式。擬采用矩形斷面單孔小橋，八字翼墻式橋臺。試確定小橋孔徑和橋頭路堤標高。橋臺。試確定小橋孔徑和橋頭路堤標高。 Bm00.100th 求橋梁下游天然水深求橋梁下游天然水深ht 根據斷面圖及根據斷面圖及J=9，n=0.045 ，假設，假設ht = 1.20m，按謝才，按謝才-曼寧公式，得：曼寧公式，得：Q=22.7m3/s。解：解：%10%18. 30 .220 .227 .22 PPQQQ 確定臨界水深確定臨界水深 選定橋下河床加固型式：碎石墊層上

11、選定橋下河床加固型式：碎石墊層上20cm大小大小的片石單層鋪砌。查表的片石單層鋪砌。查表5-12d，得容許不沖刷流速，得容許不沖刷流速Vbc=3.5m/s，Vk= Vbc=3.5m/s。臨界水深：。臨界水深：mgVgVhbckk25. 180. 95 . 3222 判別流態判別流態 ht= 1.20m 1.3hk= 1.625m橋下水流為自由出流。橋下水流為自由出流。 計算橋孔長度計算橋孔長度L 采用單孔、八字翼墻式橋臺，查表采用單孔、八字翼墻式橋臺，查表5-13，得側收縮，得側收縮系數系數=0.85，由（，由（5-28）式：）式：mVgQVgQBbcPkP92. 55 . 385. 080.

12、 90 .22333 矩形斷面：矩形斷面： L = B 參照技術標準，選用單孔參照技術標準，選用單孔6m的鋼筋混凝土板式橋，的鋼筋混凝土板式橋，凈跨徑凈跨徑5.40m。與計算的橋孔長度相差不超過。與計算的橋孔長度相差不超過10%，可以不必校核水流流態?？梢圆槐匦：怂髁鲬B。 計算橋前水深計算橋前水深H由由（5-20）式：式：smBgQVPk/61. 340. 585. 080. 90 .2233 mgVhkk33. 180. 961. 322 采用單跨采用單跨6m鋼筋混凝土板式橋，單孔、八字翼鋼筋混凝土板式橋，單孔、八字翼墻式橋臺，查表墻式橋臺，查表5-13，得流速系數，得流速系數=0.90。

13、按（。按（5-33）式試算橋前水深）式試算橋前水深H：)335(22222 gVgVhHHkk )335(22222 gVgVhHHkk 設設VH=0mH07. 290. 080. 9261. 333. 12 由斷面圖，當由斷面圖，當H=2.07m時，時，= =42.84m2 smQVPH/51. 084.420 .22 再設再設VH=0.51m/smH06. 280. 9251. 090. 080. 9261. 333. 122 二者很接近，取二者很接近，取H=2.07m。 確定橋頭路堤標高和橋面標高確定橋頭路堤標高和橋面標高 采用橋面和路堤同寬，橋梁上部建筑高度采用橋面和路堤同寬，橋梁上部

14、建筑高度D=0.40m，橋下凈空高度橋下凈空高度0.50m，安全高度，安全高度0.50m。mZmHZZ0 .10357.10250. 007. 20 .100min 允允路路 mDhHZZj97.10240. 05 . 007. 20 .100min 橋橋最后，橋面標高和路堤標高都采用最后，橋面標高和路堤標高都采用103m。【例例5-3】某公路通過一小溝，需要某公路通過一小溝，需要建建一座小橋，選一座小橋，選定的橋位與水流正交定的橋位與水流正交。設計流量設計流量QP=31.5m3/s，經計，經計算，橋下游天然水深算，橋下游天然水深ht=1.50m。擬采用矩形斷面單孔。擬采用矩形斷面單孔小橋，根

15、據實際河寬，初定橋孔凈長小橋，根據實際河寬，初定橋孔凈長Lj=10m，=0.90，=0.95。試確定橋前水深和橋下流速。試確定橋前水深和橋下流速。解：解： 判斷水流流態判斷水流流態)/(50. 31090. 05 .313msmLQqjP smqVk/25. 350. 314. 214. 23131 mVgVhkkk08. 1102. 022 mhmhkt40. 13 . 15 . 1 為淹沒出流，橋下水深等于橋下游水深為淹沒出流，橋下水深等于橋下游水深 h=ht =1.5m。 橋下流速橋下流速VsmhqhLQQVtjPP/33. 250. 150. 3 橋前水深橋前水深H2222222051

16、. 031. 050. 180. 9295. 080. 9233. 250. 122HHHtVVgVgVhH 試算：設試算：設VH=0mH81. 131. 050. 1 當橋前水深為當橋前水深為1.81m時，過水斷面面積：時，過水斷面面積：21 .181081. 1mHLjH 橋前流速：橋前流速：smQVHPH/74. 11 .185 .31 當橋前流速為當橋前流速為1.74m/s時：時：mVHH66. 174. 1051. 081. 1051. 081. 122 當橋前水深為當橋前水深為1.66m時，過水斷面面積：時，過水斷面面積：26 .161066. 1mHLjH 橋前流速：橋前流速：smQVHPH/90. 16 .165 .31 當橋前流速為當橋前流速為1.90m/s時：時：mVHH63. 190. 1051. 081. 1051. 081. 122 當橋前水深為當橋前水深為1.63m時，過水斷面面積：時，過水斷面面積：23 .161063. 1mHLjH 橋前流速：橋前流速：smQVHPH/93. 13