7 公路涵洞设计水力计算技术要求.docx
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7公路涵洞设计水力计算技术要求
7公路涵洞设计水力计算技术要求
7.1一般规定
7.1.1涵洞水力计算应保证设计洪水、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。
7.1.2根据公路等级，求得涵洞规定设计洪水频率的设计流量，结合河沟断面形态、地质和进出水口、沟床加固形式等条件初拟涵洞的类型、洞口式样和孔径后，应进行水力计算；应验算涵内流速、水深和涵前壅水位。
7.1.3新建涵洞应采用无压力式，在涵前允许壅水且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。
条文说明
涵洞前水深可以低于涵洞净高，也可以高于涵洞净高，按涵前水深是否淹没洞口
以及涵洞水流过水状态，分为无压力式、半压力式和压力式三种。
因为有压涵洞水压力较大，沉降缝容易漏水，危害基础及路堤的稳定性。
既要求不透水，又要求能沉降自如，这样在构造上就比较复杂，因此要避免使用有压涵洞。
所以涵洞要设计成无压力式的。
7.1.4新建涵洞孔径宜采用标准跨径，最小0.75m跨径只适用于无淤积地区的
灌溉渠道，排洪涵洞跨径不宜小于1.0m。
7.1.5涵洞内径或净高应考虑涵长的影响，但不宜小于0.75m；寒冷地区的涵洞内径及净高还应考虑涎流冰的影响；当旧路改扩建时，如原涵洞状态良好，其孔径和长度可视具体情况而定。
7.1.6人工排灌渠道上的涵洞，应依据排灌流量、过水断面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。
天然河沟上的涵洞，可按河沟断面形态初拟孔径，不宜压缩设计洪水标准下河沟的天然排水面积。
7.1.7冰冻地区不宜采用小孔径管涵和倒吸虹管涵洞。
当有农田排灌需要，必
须采用时，应在冻期前将管内积水排除，并将两端进出口封闭。
7.1.8无压力式涵洞内顶点至最高流水面的净空，应符合表7.1.8的规定。
涵前
水深应小于或等于涵洞净高的1.15倍。
可不计涵前积水对设计流量的影响。
表7.1.8无压力式涵洞净空高度hd（m）
涵洞进口净高或内径hd（m）
管涵
拱涵
板涵、箱
涵
≤3
≥hd/4
≥hd/4
≥hd/6
>3
≥0.75
≥0.75
≥0.5
7.2涵洞孔径验算
7.2.1无压力式涵洞的孔径计算应根据河沟断面形态初拟孔径后，按下列公式验算涵内流速、水深和涵前壅水位。
1临界流状态可按下列公式计算：
VK=
AK=
QP
σVK
（7.2.1-1）
（7.2.1-2）
Vqs
=VK
0.9
（7.2.1-3）
hqs=0.9hk
V2V2
（7.2.1-4）
hq=hqs
+
qs－
2g∃22g
（7.2.1-5）
H1=Hqs+hq（7.2.1-6）
式中：
Vk―――涵内临界流速（m/s）；
Qp―――设计流量（m3/s）；
Bk―――临界水深时的涵内净水面宽度（m）；g―――重力加速度，取用9.80（m/s2）；
ε―――涵洞侧向压缩系数，对无升高管节的拱涵取ε＝0.96，其他涵可
取ε＝1.0；
Ak―――临界水深时的涵内净过水面积（m2）；Vqs―――涵内收缩断面处流速（m/s）；hqs―――涵内收缩断面处水深（m）；
hk―――临界水深（m），指临界断面处，铺砌面至临界水面的水深，按
Ak值及涵内断面形式推算；hq―――涵前积水深（m）；
φ―――流速系数，查附录B表B-18；
V―――涵前行近流速（m/s）；
H1―――涵前壅水位（m）；Hqs―――涵前铺砌面高程（m）。
1）当H2＞Hd＋1.3hk＋I（L－Lc）时，应改按淹没流状态验算。
式中：
H2―――涵洞出口断面的设计水位（m）；Hd―――涵洞出口断面铺砌面高程（m）；I―――涵底纵坡；
L―――涵长（m）；
Lc―――涵洞进口端至收缩断面间的距离，取1.5～2.5（hq-hqs）。
2）当涵洞内铺砌面允许流速Vy＜Vqs时，应改变铺砌类型，使Vy≥Vqs。
3）当H1超过涵前允许淹没水位时，应增大孔径。
2
0
淹没流状态可按下列公式计算：
Vs=Φƒ2g（H0−H2）（7.2.1-7）
A=Qp
σVs
（7.2.1-8）
H=H+V¯2
（7.2.1−9）
012g
v2
V¯2
H1=H2+s−
（7.2.1−10）
2g22g
Φ
0
80=
（7.2.1-11）
2gL
ξ=2
（7.2.1−12）
2CR
11
C=nR6（7.2.1−13）
式中：
Vs―――涵内设计流速（m/s）；Φ0―――流速修正系数；H0－――涵前水头高程（m）；A―――涵内过水面积（m2）；
ξ1―――入口损失参数，查附录B表B-19取用相应的摩阻系数ξ1值；
ξ2－――沿程损失系数；
C―――满宁流速系数；
n―――涵内糙率，一般取用0.017或查取相关资料；R―――水力半径（m）。
1）当Vs＞Vy时，应改变铺砌类型，使Vy≥Vs，或增大孔径使Vs≤Vy。
2）当H1超过涵前允许淹没水位时，应增大孔径；当H1低于涵前允许淹没水位过多时，可考虑缩减孔径。
7.2.2倒虹吸涵洞的孔径计算应符合下列规定：
1倒虹吸过水面积应按下列公式计算：
Qp=μAƒ2gZ（7.2.2−1）
μ=1
5
i=1i
式中：
A―――倒虹吸过水面积（m2）;Z―――上、下游水位差（m）；μ―――水头损失综合系数；
（7.2.2−2）
∑
5
i=1
ξi―――阻力系数之和。
2阻力系数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，各阻力系数应按下列规定确定：
1）管径变化阻力系数ξ1，应按表7.2.2-1确定：
表7.2.2-1管径变化阻力系数ξ1
断面变化比A1/A2
0.01
0.1
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
ξ1
断面由小变大
0.98
0.81
0.64
0.36
0.16
0.04
0
断面由大变小
0.45
0.39
0.35
0.28
0.20
0.09
0
注：
A1为较小的断面面积，A2为较大的断面面积。
2）进口阻力系数ξ2，应按表7.2.2-2确定。
进口边缘外形
ξ2
边缘未作成圆弧形
0.5
边缘微带圆弧形
0.2～0.25
边缘轮廓很光滑
0.05～0.10
表7.2.2-2进口阻力系数ξ2
3）转弯阻力系数ξ3，转弯分为急弯和缓弯两种，转弯角θ＜15°时为缓弯，θ≥15°时为急弯。
急弯的阻力系数ξ3′视θ角大小，应按表7.2.2-3确定。
缓弯的阻力系数ξ3″，应按下式计算。
3
式中：
θ―――转弯角（°）；
⋂"＝k
0
90︒
（7.2.2-3）
确定。
k―――系数，对矩形断面，应按表7.2.2-4确定，对圆形断面应按表7.2.2-5
表7.2.2-3急弯阻力系数ξ3′
θ
15°
30°
45°
60°
90°
ξ3′
0.025
0.110
0.260
0.490
1.200
表7.2.2-4缓弯矩形断面k值
b/2R
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
k
0.12
0.14
0.18
0.25
0.40
0.64
1.02
1.55
2.27
3.23
注：
b――净宽（m），R――弯曲半径（m）。
表7.2.2-5缓弯圆形断面的k值
r/R
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
k
0.13
0.14
0.16
0.21
0.29
注：
r――圆管半径（m），R――弯曲半径（m）。
4）沿程阻力系数ξ4，应按下式计算
2gn2L（）
ξ
4R4/3
7.2.2−4
式中：
L―――涵洞（包括两竖井）的沿程长度（m）；
R―――水力半径（m）；
n―――糙率，对混凝土洞身，采用0.013～0.014；对浆砌块石洞
身，采用0.016～0.017。
5）出口阻力系数ξ5，宜采用1.0。
7.3过水消能建筑物的水力计算
7.3.1消力池的水力计算应符合下列规定：
1初估消力池下挖深度d，收缩断面的水深和流速可按下列图式计算（图7.3.1）：
图7.3.1消力池计算图式
Vc=
h=Q
（7.3.1-1）
（7.3.1-2）
c
cBV
式中：
VC―――收缩断面流速（m/s）;d―――消力池下挖深度（m）；p―――跌坎距原沟底面的高度（m）；hk―――跌坎上临界水深（m）；
hC―――收缩断面水深（m）；
Q―――需通过的设计流量（m3/s）;
B―――消力池宽度（m）。
计算得的hc与假定值比较；若相差较大，应将算得的hc值代回式（7.3.1-1）和
式（7.3.1-2）再计算hc。
2计算hc的水跃共轭水深hc′可按下列公式计算：
.
|
2
h
=
'hc{
c|
⎝
⎞
|
-1|
⎠
（7.3.1-3）
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：
tc
h+d=1.1h'
式中：
ht―――下游天然正常水深（m）。
（7.3.1-4）
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。
4水流的射流长度L1，可按下式计算：
L＝V（7.3.1-5）
1k
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短,可按下式计算：
L2=5（hc′-hc）（7.3.1-6）
6消力池的池长L，可按下式计算：
L＝L1+L2（7.3.1-7）
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＝（2.5～3.0）L2（7.3.1-8）
7.3.2消力槛的水力计算类似消力池，应计算槛高和消力池长度。
消力池长度可按本规范公式（7.3.1-7）计算；槛高P1可按下列图式计算（图7.3.2）。
图7.3.2消力槛计算图式
2
'{q⎞3
αq2
P1=οhc
-||
⎝Mοs⎠
+2g（οh'）2
（7.3.2-1）
c
1槛上水深H1和槛上总水头H10可按下列公式确定：
αq2
H1=H10－
{'⎞2
（7.3.2-2）
c
2g|οh|
⎝⎠
2
{q⎞3
H10=|Mο|
（7.3.2-3）
式中：
q―――单宽流量[（m3/s）/m],矩形过水断面q=Q；
B
hc′―――水跃的跃后水深（m）；
α―――动能修正系数，可取α＝1；
σ―――消力槛前保证形成淹没式水跃的系数，一般取σ＝1.05～1.10；
M―――流量系数，
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