涵洞水力荷載結構計算及擋土建筑物設計

第一節(jié)涵洞的水力計算第二節(jié)涵洞的荷載計算第三節(jié)箱涵的結構計算第四節(jié)涵洞進出口擋土建筑物設計第二章涵洞一、涵洞工程設計規(guī)范（p5-6）二、涵洞工程設計基本資料三、涵洞的總體布置四、涵洞的洞身結構布置五、涵洞的水力設計1.涵洞類型的選擇及孔徑確定2.涵洞布置3.洞口形式選擇4.涵洞長度計算

第一節(jié)涵洞的水力設計（輸水、排水）一、涵洞工程設計規(guī)范《水利水電工程等級劃分及洪水標準》《灌溉與排水工程設計規(guī)范》《水工建筑物荷載設計規(guī)范》《公路工程設計標準》（汽車荷載）《公路橋涵通用設計規(guī)范》《水工鋼筋混凝土設計規(guī)范》《水閘設計規(guī)范》（地基承載力計算、進出口連接段擋土建筑物設計）《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》

第一節(jié)涵洞的水力設計（輸水、排水）二、涵洞工程設計基本資料

1.建筑物的級別。2.輸水涵洞的設計流量及加大流量、進出口水位及設計水頭，渠道水力要素等。3.排洪涵洞的控制流域面積、雨量資料、河道縱橫斷面、河床地質、水文資料等。4.排澇涵洞的排澇面積、雨量資料、排澇時間、水位資料等。5.地形資料（排水1/5000～1/10000）。6.地質資料（地基巖性及物理力學指標等）。7.建筑材料調查（砂料、石料及混凝土骨料的產地、儲量、質量及開采運輸條件，以及鋼材、水泥、木料的供應情況）。三、涵洞的總體布置(渠涵、路涵、排洪涵)

1.洞線應盡量選在地質條件好、地基承載力較大的地段，以免不均勻沉降引起洞身斷裂。

2.洞軸線盡量與交叉的路（渠）軸線正交，排洪涵洞盡量與溪谷方向一致，縮短洞長，使水流順暢。3.洞底高程及縱坡排洪涵：洞底高程等于或接近于溪谷底高程，縱坡等于或稍陡于天然溪低的底坡，i=1%-3%。渠涵：通過設計流量時進出口水頭損失接近渠系規(guī)劃給定的允許值，由水力計算定。i=1/500-1/1500(通常設計為無壓)四、涵洞洞身結構布置

1.進、出口段的形式與構造（平順水流、減小水頭損失、防止洞口沖刷破壞）（1）錐坡式（一字墻式、端墻式）（圖p146）結構簡單、水流條件差，適用于寬淺溪谷或孔徑收縮較大，一般用于小型涵洞。（2）八字斜降墻式翼墻擴散角20°—40°，與端墻式相比，進流條件有所改善，上游壅水時易封住洞頂。（3）扭曲面式（4）跌水式洞口（5）流線和漸變式2.洞身段的形式與構造（圖p147）（1）管涵（鋼砼）：管徑0.8m—0.5m，壁厚為內徑的1/10—1/15，具有較大的填土壓力和內水壓力，水力條件好。（2）箱涵：適應地基不均勻沉降，經濟高寬比1:1—1:1.5，壁厚為跨徑的1/8—1/12雙孔頂板厚為跨徑的1/9-1/10，側墻厚為其高度的1/12—1/13(當跨徑大于2m時做成雙孔或多孔)（3）蓋板涵：適用于鉛直荷載較小或跨徑不大的無壓洞（4）拱涵：適用于填土較高、泄流大的無壓洞混凝土拱厚≥20cm，砌石拱厚≥30cm，側墻重力式貨輕型橋臺式。

3.構造（1）分縫（適應地基不均勻沉降及溫度變形）內設止水縫距10m（≥2-3洞高），構造同壩下涵管（2）防滲設施（防止洞頂及兩側滲漏）渠涵洞外填筑0.5-1.0m粘土（洞身外涂瀝青層）；排洪涵，根據(jù)排洪時間長短具體情況（3）洞內凈空無壓涵洞，管涵和拱涵凈空高度≥1/4洞高；箱涵≥1/6洞高；凈空面積≥1/4涵洞斷面的10%-30%（4）洞頂填土（保證洞身較好的工作條件）填土厚度≥1m，當為渠下涵或渠道有襯砌時≥0.5m（5）基礎管涵采用砌石或混凝土剛性管座；拱涵、箱涵五、涵洞的水力設計任務：確定洞身斷面尺寸、演算過流能力和洞前水面壅高。

1.涵洞的流態(tài)判別（p148）流態(tài)判別、洞口出流淹沒與否判別、短洞與長洞判別2.涵洞的流量計算公式3.涵洞的過水能力計算類型和計算方法及孔徑計算算例4.涵洞進口水深與水位流量關系計算

5.渠涵（暗渠）的水力計算6.涵洞的消能防沖設計2.涵洞的流量計算公式《水工手冊》《水工設計手冊》《水力計算手冊》《灌溉與排水工程設計手冊》寫出無壓流涵洞、半壓力流涵洞、壓力流涵洞（淹沒、非淹沒）計算公式（p150）書上只列出了計算公式，沒對設計中常用的算法進行說明。3.涵洞的過水能力（（孔徑）計算類型型和計算方法（1）已知洞身斷面尺尺寸、進口水深及及出口水深，確定定涵洞的過水流量量。（可根據(jù)判別別的流態(tài)直接按相相應的流量公式計計算）（2）已知設計流量、、進口水深及出口口水深，確定洞身身斷面尺寸（設計計中常見）。（3）已知設計流量、、洞身斷面尺寸及及出口水深，確定定進口水深（設計計中常見）。（4）渠涵（暗渠）的的水力計算。無壓流短洞孔徑計計算例題1已知某矩形斷面涵涵洞設計流量，，洞身長度，，縱坡，，糙率率，，進口水水深m，出口水深h=3.5m，上游行近流速V=0.7m/s，試計算確定洞身身斷面尺寸。解：1.流態(tài)判別根據(jù)進口水深及出出口水深高度，擬擬定洞身高度為D=4.0m據(jù)H/D=4.05/4=1.012,知H=1.012D<1.2D；同時因下游水深深低于洞頂，可判判定其流態(tài)為無壓壓流。水面以上凈空高度度為D-h=4-3.5=0.5（m）符合凈空的要求求。無壓涵洞水面以上上的凈寬高度單單位：m洞身水面以上的凈凈空面積為洞身橫橫斷面面積的0.5/4=0.125，滿足不小于洞身身橫斷面面積10%～30%的要求。2.長、短洞的判別無壓流短洞的界線線長度為因洞長L=30m<8H，故此洞應為無壓壓流短洞。3.洞身寬度計算進口凈高圓涵拱涵矩形涵洞≤≤3≥D/4≥D/4≥D/6>3≥0.75≥0.75≥0.5(1)淹沒系數(shù)計算計算進口水深包括行近流速水頭頭在內的進口水深深為：比值計計算淹沒系數(shù)：（2）采用流量系數(shù)m為0.36，側收縮系數(shù)為為0.95，計算洞身寬度為為：無壓流長洞孔徑計計算例題2已知某矩形斷面涵涵洞設計流量Q=40m3/s，洞身長度L=100m，縱坡i=0.002，糙率n=0.014，進口水深H=4.05m，出口水深h1=3.5m，上游行近流速V=0.7m/s，試計算確定洞身身斷面尺寸。解：一、流態(tài)判別擬定洞身高度為D=4.0m。據(jù)H/D=4.05/4=1.012,知H=1.012D<1.2D；同時因下游水深深低于洞頂，可判判定其流態(tài)為無壓壓流。二、長、短洞判別別無壓流短洞的界線線長度為因洞長L=100m>8H，故此洞應為無壓壓流長洞。三、洞身寬度計算算1.洞進口內水深hs計算（1）擬定洞寬為B=3.48m。（2）水面線類型判別別。正常水深h0計算：特性流量：根據(jù)比值，，查表得則：正常水深h0=0.9473.48=3.296（m）矩形過水斷面水深深及底寬計算表H0/B…..0.940.950.960.97....1.9101.9391.9681.998....2.2532.2232.1952.167..臨界水深計算：因為h0>hk,洞底為緩坡，同時時因出口水深h>h0,故知洞內水面線為為α型壅水曲線，水深深由出口斷面向上上游沿程逐漸減小小。（3）水面線計算。1）分段求和發(fā)的水水面線計算公式本例將洞身分為4個分段：洞出口控控制斷面號為1，一次向上游的斷斷面號為2、3、4、5.因出口水深h1大于正常水深h0，斷面1的控制水深為h1=3.5m，個計算斷面水深深應向上游正常水水深線N-N,沿程逐漸減小，依依次向上游設斷面面2、3、4、5的水深分別為h2=3.49m、h3=3.48m、h4=3.47m、h5=3.46m，其中斷面5的水深要根據(jù)計算算結果進行調整，，如果4個分段計算長度之之和大于洞長，則則要加大斷面5的水深重新計算第第4分段的長度，直至至個分段的計算長長度之和等于洞長長，所擬定的斷面面5的水深即為所求的的洞進口內水深h2。2）第2分段計算。斷面1水力要素：斷面2水力要素：第1分段的水力要素：：第1分段長度計算：3）其余各分段計算算。按上述相同方法計計算第2、3、4分段的長度，計算算結果列于表。洞內水面線計算成成果表表中斷面5的水深h=3.463m，是經修正后的水水深，4個分段的計算長度度之和為99.711≈100（m），洞進口的水深深即為hs=3.463m。斷面h（m）（m）1225.378326.466427.68753.46320.2各分段長之和99.7112.淹沒系數(shù)計算包括行近流速水頭頭在內的進口水深深為：計算淹沒系數(shù)為：：3.過水能力計算采用流量系數(shù)m為0.36，側收縮系數(shù)為0.95，計算相應于洞身身寬度為3.48m的流量為：4.計算成果分析此計算流量值與設設計流量相等，表表明擬定的洞寬3.48m即為所求洞寬。在在實際計算中，需需多次改變擬定的的洞寬重復計算，，直至計算流量與與給定的設計流量量相等。作業(yè)題1.已知某矩形斷面涵涵洞設計流量Q=40m3/s，洞身長度L=30m，縱坡i=0.002，糙率n=0.014，進口水深H=4.05m，出口水深h=1.0m，上游行近流速V=0.7m/s，試計算確定洞身身斷面尺寸。（（無淹沒影響）2.已知某矩形斷面涵涵洞設計流量Q=46m3/s，洞身長度L=30m，縱坡i=0.002，進口水深H=4.7m，出口水深h=2.8m，上游行近流速V=0.7m/s，涵洞進口連接段段采用八字形直墻墻的布置型式，試試計算確定洞身斷斷面尺寸。3.已知某矩形斷面涵涵洞設計流量Q=40m3/s，洞身長度L=30m，縱坡i=0.002，糙率n=0.014，進口水深H=4.9m，出口水深h=1.5m，上游行近流速V=0.7m/s，涵洞進出口連接接段采用扭曲面墻墻的布置型式，試試計算確定洞身斷斷面尺寸。4.涵洞的消能防沖設設計（1）涵洞消能設計的的特點（2）深挖式消力池計計算方法（3）消力池底板厚度度計算（4）海漫長度計算（5）海漫末端溝槽沖沖刷深度及防沖槽槽深度計算（1）涵洞消能設計的的特點確定下游收縮水深深及其共軛的躍后后水深，比較躍后后水深與下游尾水水深的關系，判斷斷是否需布置消能能設施。無壓流（長洞、短短洞）有無淹沒影影響以下需布置消能設設施：半有壓力流非淹沒壓力流淹沒壓力流涵洞上游總能頭確確定的原則五種情情況:①無壓流短洞的流態(tài)態(tài)類似于寬頂堰及及開敞式水閘，按按洞進口前斷面的水位位及流速計算。②無壓流長洞的上游游總能頭按洞出口口端斷面計算，當當出口水深h大于臨界水深時，，出口端斷面的水水深為h；當出口水深h小于臨界水深時hk，出口端斷面的水水深為hk。③半壓力流涵洞的上上游總能頭按洞出出口端斷面計算，，出口端斷面的水深為為β1D。④非淹沒壓力流涵洞洞的上游總能頭按按洞出口端斷面計計算出口端斷面的水深深為0.85β1D。⑤淹沒壓力流涵洞的的上游總能頭按涵涵洞進口斷面計算算的總能頭減去洞身進進口局部水頭損失失及沿程水頭損失失。（2）深挖式消力池計計算方法消力池深度及長度度的計算公式d為消力池深度，σ為水躍淹沒系數(shù)σσσ例題已知知某涵洞設計流量量Q=40m3/s，洞身長度L=30m，洞身高D=4.0m，寬B=3.5m，縱坡i=0.002，出口洞底至下游游渠底的跌差P=2.0m，從進口洞底算起起的進口水深H=4.05m，上游行近流速V=0.7m/s，下游渠道底寬4.0m，渠道水深hs=3.0m。設計消力池。解：（1）判別下游水流的的銜接型式，確定定是否需要設消力力池1）上游總能頭T0的計算。2）收縮水深hc的計算。利用excel表算的收縮水深深hc=1.226m。3）躍后水深的計算4）判斷是否需要設設消力池（2）消力池深度計算算b1采用與洞寬相等，，b1=B=3.5m，b2與下游渠底寬相等等b2=4.0m。1）第一次池深計算算計算躍后水深：計算出池水位落差差，式中單寬流量量按消力池末端底底寬計算：計算消力池深，第第一次池深計算時時式中水躍淹沒系系數(shù)采用=1.102）第2次池深計算設消力池后，上游游總能頭應相應加加大，重新計算由由消力池底板頂面面算起的上游總能能頭T0：T0=6.136+1.047=7.183（m）利用excel計算收縮水深hc，式中單寬流量按按洞寬計算，水流流動能校正系數(shù)采采用α=1.0，流速系數(shù)采用0.95，試算得hc=1.101m。計算躍后水深：計算出池水位落差差，單寬流量按消消力池末端底寬計計算計算消力池深，第第二次池深計算時時式中水躍淹沒系系數(shù)采用1.05：3）第3次池深計算按池深d=1.121m重新計算由消力池池底板算起的上游游總能頭T0:T0=6.136+1.121=7.257(m)按上述方法同理計計算得d=1.138m。第三次計算的消消力池深與第二次次的計算深度已接接近，一般計算2～3次即可滿足精度要要求，根據(jù)上述計計算成果，可采用用消力池深度d=1.2m。（3）消力池長度計算算斜坡段坡度采用1：3，其水平投影長度度為：采用水躍長度校正正系數(shù)，，消力池池長度為：（3）消力池底板厚度度計算按《水閘設計規(guī)范》，涵洞消力池底板板厚度可根據(jù)抗沖和抗浮要求確定定，并取其較大值值?？箾_要求：抗浮要求：消力池末端厚度采采用t/2，但不宜小于0.5m。消力池底板一般設設有排水孔，作用用在消力池底板底底面的滲透壓力很小，故故設計中先計算厚厚度t，然后演算底板安安全系數(shù)k2，演算公式為：例題已知某某涵洞設計流量Q=40m3/s，洞身高D=3.2m，寬B=2.6m，長L=30m，洞底縱坡i=0.002，出口洞底至下游游渠底的跌差P=1.0m，從進口洞底起算算的進口水深H=4.9m，上游行近流速v1=0.7m/s，下游渠道底寬3.0m，渠道水深hs=2.5m。計算消力池底板厚度度，底板設有排水水孔。解：（1）按抗沖要求計算算消力池進口處的單單寬流量為：上游總能頭為：T0=6.234（m）消力池底板計算系系數(shù)采用0.15，計算消力池底板板始端厚度為：（2）按抗浮要求演算算按抗沖要求計算，，取消力池底板為為等厚t=0.95m【】消力池中的水流為為淹沒式水躍，水水平段的水深近似似為躍后水深4.504m，作用在消力池底底板頂面的水重近近似為躍前收縮斷面水深深為hc=1.721m，相應為作用在消消力池底板上的脈動壓力力為：因消力池底板設有有排水孔，可不考考慮滲透壓力，作作用在消力池底板底面的的揚壓力主要為浮浮力：底板采用混凝土材材料，重度為24kN/m3,驗算底板安全系數(shù)為：消力池底板采用等等厚0.95m，可滿足抗沖及抗抗浮要求。（4）海漫長度計算按照《水閘設計規(guī)范》的規(guī)定，當，，且消能擴散良好時，，海漫長度可按下下式計算：（5）海漫末端溝槽沖沖刷深度及防沖槽槽深度計算按《水閘設計規(guī)范》海漫末端溝槽沖刷刷深度按下式計算算：當溝槽沖刷深度計計算值較大時，一一般防沖槽深度為為1.0-2.0m,底寬為1-2倍槽身，防沖槽的的上下游鞭炮1：2-1:4,兩側邊坡坡度可與兩岸岸坡相同。例題已知某涵洞洞設計流量Q=40m3/s，洞身高D=3.2m，寬B=2.6m，長L=30m，洞底縱坡i=0.002，出口洞底至下游游渠底的跌差P=1.0m，從進口洞底起算算的進口水深H=4.9m，上游行近流速v1=0.7m/s，下游渠道底寬3.0m，渠道水深hs=2.5m。計算海漫及防沖槽，，海漫寬度由2.6m擴散為6.0m，末端水深為hm=3.5m，渠槽土質為黏土土。解：（1）海漫長度計算消力池末端單寬流流量為：上游總能頭為：T0=6.234（m）查表海漫長度計算算系數(shù)為：Ks=7計算海漫長度為：：（2）海漫末端渠槽沖沖刷深度及防沖槽槽深度計算。海漫末端單寬流量量為：查表采用渠槽允許許不沖流速1.0海漫末端沖槽深度度為：根據(jù)計算結果，采采用防沖深度為2.0m，因計算沖刷深度度較深，適當加大防防沖槽斷面，采用用底寬2.0m，上游邊坡1：4，下游邊坡1:2.一、洞頂垂直土壓壓力計算二、側向水平土壓壓力計算三、水壓力計算四、汽車車輛荷載載計算五、自重力計算六、荷載的作用分分項系數(shù)第二節(jié)荷載計計算一、洞頂垂直土壓壓力計算1.上埋式涵洞垂直土土壓力計算上埋式涵洞土壓力力系數(shù)Ks值表地基種類Hd/B10123456巖基1.01.371.411.421.411.391.35密實砂類土、堅硬或硬塑粘土1.01.201.251.261.251.241.22中密砂類土、可塑粘性土1.01.071.081.091.081.071.06松散砂類土、流塑或軟塑粘性土1.01.01.01.01.01.01.02.溝埋式涵涵洞垂直直土壓力力計算（（暗渠））當填土夯夯實較差差，B-B1<2m時地基種類Hd/B10123456巖基1.00.820.70.600.530.450.40密實砂類土、堅硬或硬塑粘土1.00.850.730.640.550.480.44中密砂類土、可塑粘性土1.00.870.760.670.580.520.47松散砂類土、流塑或軟塑粘性土1.00.890.780.700.620.550.50溝埋式涵涵洞土壓壓力系數(shù)數(shù)Kg值當填土夯夯實良好好，B-B1>2m時其中，B為溝槽寬寬度，Kg垂直土壓壓力系數(shù)。二、側向向水平土土壓力計計算溝埋式B0-B1>2m時水平土土壓力強強度標準準值同上上埋式B0-B1≤2m時，乘上上系數(shù)Kn三、水壓壓力計算算1.內水壓力力計算作用于底底板頂面面的均布布內水壓壓力（水水重）強強度標準準值為：：有壓涵洞洞:作用于底底板頂面面的均布布內水壓壓力（水水重及水水頭壓力力）強度度標準值為：作用于頂頂板底面面的均布布內水壓壓力強度度標準值值為：2.外水壓力力計算當?shù)叵滤黄巾旐敯宓酌婷妫鹤饔糜诘椎装宓酌婷娴木疾纪馑畨簤毫Γǜ「⊥辛Γ姸葮藰藴手禐闉椋寒數(shù)叵滤怀^過洞頂時時：作用于側側墻的外外水壓力力：作用于底底板底面面的均布布外水壓壓力（浮浮托力））強度標標準值：：作用于頂頂板頂面面的均布布外水壓壓力強度度標準值值為：四、汽車車車輛荷荷載計算算各級公路路橋涵設設計的汽汽車荷載載等級按按規(guī)范，，按《公路工程技術規(guī)規(guī)范》確定。按《公路橋涵涵設計通通用規(guī)范范》計算涵洞洞頂上車車輛荷載載引起的豎向向土壓力力時，車車輪按其其著地面面積的邊邊緣向下下作30°角分布。洞洞頂承受受的汽車車荷載為為后軸重重力通過過車輪按按30°擴散角傳至洞洞頂?shù)木己奢d載為：五、自重重力計算算作用于頂頂板的自自重力為為頂板的的自重：：作用于底底板底面面的自重重力為頂頂板自重重與側墻墻及中隔隔墻自重重部分:六、荷載載的作用用分項系系數(shù)（按《水工建筑筑物荷載載設計規(guī)規(guī)范》確定）(1)埋管上垂垂直土壓壓力、側側向土壓壓力的作作用分項項系數(shù)，，當其作作用效應應對管體體不利時時應采用用1.1，有利時時采用0.9。(2)靜水壓力力（包括括外水壓壓力）的的作用分分項系數(shù)數(shù)應采用用1.1(3)混凝土結結構自重重的作用用分項系系數(shù)，當當其作用用效應對對結構不不利時應應采用1.05，有利時時采用0.95。(4)汽車荷載載的作用用分項系系數(shù)，按按JTGD60-2004《《公路橋涵涵設計規(guī)規(guī)范》的規(guī)定為為1.4。一、彎矩矩分配法法計算單單孔及雙雙孔箱涵涵彎矩二、單孔孔箱涵的的結構計計算三、雙孔孔箱涵的的結構計計算第三節(jié)箱箱涵涵的結構構設計箱涵的結結構設計計主要為為內力計計算及鋼鋼筋混凝凝土結構構計算。。內力計算算：彎矩矩、軸力力、剪力力（可用用Excel進行內力力計算））彎矩計算算方法：：查表法：：適用于于頂板與與底板等等厚及側側墻與中中隔墻等等厚彎矩分配配法：對對稱結構構箱涵（（單孔、、雙孔箱箱涵）迭代法：：三孔箱箱涵一、彎矩矩分配法法計算單單孔及雙雙孔箱涵涵彎矩1.計算簡圖圖及符號號說明單孔箱涵涵計算簡簡圖雙孔箱涵涵計算簡簡圖2.計算方法法及計算算公式1）單孔的的固端彎彎矩、分分配系數(shù)數(shù)及傳遞遞系數(shù)桿端彎矩矩的傳遞遞系數(shù)：：遠端（（k端）為固固定端時時的傳遞遞系數(shù)為1/2；遠端（（k端）為可可移動但但不可轉轉動支承承時的傳傳遞系數(shù)數(shù)為-1。即桿件件AB向B端的傳遞遞系數(shù)及及桿件BA向A端的傳遞遞系數(shù)為1/2，桿件AC向C端的傳遞遞系數(shù)及及桿件BD向D端的傳遞遞系數(shù)均為-1?！纠}】某單孔鋼鋼筋混凝凝土穿堤堤箱型涵涵洞，堤堤頂至頂頂板頂面面的堤身填填土高度度為Hd=3.2m，填土內內摩擦角角φ=30。。洞身凈凈寬B=3.5m，凈高H=3.0m。底板厚厚d1=0.3m,加腋尺寸寸0.25m*0.25m。地基為為密實砂砂類土，，地下水水位低于于洞底。。堤頂不不通汽車。洞進進口水深深2.8m，出口水水深2.2m，洞身縱縱剖面布布置示意意圖、洞身身橫剖面面結構尺尺寸如圖圖。本涵涵洞的過過水流量量大于20m3/s，按GB50228-99《灌溉與排排水工程程設計