第9章 9.7.5 小桥孔径水力计算.ppt

* 9.7.5 小桥孔径水力计算 Small bridge and culvert opening calculation 5.3.1 小桥孔径计算 小桥和大中桥设计略有不同，小桥一般不设引桥，桥面高程服从线路，即桥面标高和路面相同。 大中桥：假定设计流量、设计水位不变，设计流速等 于天然河槽平均流速，推求桥孔长度，确定 桥面标高，允许桥下发生冲刷。 如果设计流速小于天然状态的河底容许不冲刷流速，则河床可以不加固，桥孔长度可取通过设计流量时的水面宽，无需计算孔径，只需根据设计流量推算桥前水深，确定出桥面标高即可。 小桥涵：设计流量不变，通过人工加固河床，提高河 底容许不冲刷流速（the permit velocity for no scour） ，推求桥孔长度、桥前水深（设 计水位），不允许桥下发生冲刷。 1、小桥水流图式（the flow pattern of small bridge） 当桥孔压缩河槽时，水流受到桥头路堤和墩台的挤束，桥前水位抬升，产生壅水，桥下水面降低，出现收缩断面，这些特性与宽顶堰类似。因此，小桥孔径计算采用宽顶堰理论作为设计基础。 小桥水流图式，按下游水深的大小，可分为自由式出流和淹没式出流。 桥下游天然水深 ht（相应于设计流量） 桥前水深 H 桥下水深 h 临界水深 hk 1）自由式出流（free discharge） 当：ht ≤ 1.3hk 桥下水流为急流，下游水深对桥下过流能力无影响。 桥下水深 h hk 小桥设计中，应尽量使桥下水深h接近临界水深hk，使设计流量以最佳的水流状态通过桥孔。所以，小桥设计是以临界函数为设计基础的。此时桥下水深可取临界水深 h = hk。 图 5-8（a）小桥自由式出流图式 2）淹没式出流（submerged discharge） 当：ht 1.3hk 桥下水流为缓流，桥下过流能力受下游水深顶托的影响。 桥下水深 h hk 此时桥下水深为桥下游天然水深 h=ht 。 图 5-8（b）小桥淹没式出流图式 2、小桥孔径计算 小桥孔径计算的任务是统一解决孔径、桥下流速和桥前水深三者之间关系的问题。计算的内容是根据设计流量，选定河床加固类型及所对应的最大容许不冲刷流速，确定满足过流能力和防冲条件的孔径和桥前壅水高度等。 设计原则：使设计流量以最佳的流态通过桥孔，即按 临界水流状态设计。 设计思路： 选定河床加固类型（断面一般修整为规则断面，如矩形、梯形），确定河床容许不冲刷流速Vbc （按表5-12d），（无加固方案，根据河床天然土质，按表5-12a、 5-12b、5-12c确定） 令Vk=Vbc和QP 比较H与H允 ① H≤H允,方案可行 ② HH允,调整L方案，直至满足 要求为止。 L、H （1）小桥下游河槽天然水深ht ht 试算，｜Q-QP｜/QP10%。小桥水力半径R用断面图计算，一般不能用平均水深代替。 计算步骤： （2）计算桥下临界水深hk 式中，α为流速分布系数，小桥α≈1.0。 矩形断面： 任意断面： 式中，Vk采用河床容许不冲刷流速。 [ 选定桥孔长度后，校核水流图式时，必须考虑桥孔对水流的压缩作用，上式应为： 式中，μ为侧收缩系数，按表5-13。] 临界水深： 矩形、宽浅梯形： hk = hk1 图 5-9 梯形断面临界水深计算图式 深窄梯形： 1:m （3）判别水流流态 当：ht ≤ 1.3hk 自由出流 当： ht 1.3hk 淹没出流 （4）孔径计算 ① 自由出流（ht≤1.3hk） 先计算临界水面宽，然后用临界水面宽确定桥孔长度： 桥下通过设计洪水所需的水面宽： 桥孔长度： 矩形断面： L = B 梯形断面： L = B+2mΔh (5-30) 图5-11 梯形断面桥孔（自由式出流） 1:m ② 淹没出流（ht1.3hk） 先计算桥下通过