第五章 桥涵孔径设计

l ：单跨径（bridge span），lj：单跨净跨径 lj=l-d
假定：设计水位和设计流量不变，刚建桥，桥下
未发生冲刷时，按水力学的连续方程：
QP yVP
建桥后，桥孔压缩水流，桥下流速增大，达到一
定数值时，桥下河槽就要开始冲刷（称为一般冲刷
general scour ）。随着冲刷的发展，断面不断扩大，
的要求。可按表5-4、表5-5确定。 2、量算桥下实有过水面积ωgx
主河槽一定 要布置桥孔
3、计算通过设计洪水理论上桥下所需的最小过水断面
面积
利用式（5-2）计算ωg 4、确定桥孔长度 比较ωgx 和ωg 的大小： 若 ωgx ≥ ωg ，方案可行； 若 ωgx < ωg ，方案不可行；重新布置桥孔方案，返 回 1。
5.1.2 桥位河段水流图式和桥孔布置原则
大中桥孔径设计的任务是根据设计流量、设计水
位、设计流速，推算出桥孔的最小长度和桥面中心的 最低高程，作为确定桥孔方案的依据。 建桥以后，河流受到桥头引道的压缩和墩台阻水 的影响，改变了水流和泥沙运动的天然状态，引起河 床的冲淤变形，导致水流对桥梁墩台基础的冲刷，危
桥位设计的一般要求： 应从国民经济发展和国防需要出发，在整体布 置上应与铁路、水利、航运、城市建设等方面相互配 合；注意保护文物、环境和军事设施；同时应少占农 田，少拆迁有价值的建筑物。 桥位方案应从政治、经济、技术上进行多方面比 较；对于影响面大的桥位方案，还应征求有关部门的 意见，并应遵循《水法》、河流、海洋、环境法规的 有关规定。 具体技术要求：按《公路工程水文勘测设计规范》 JTG C30-2002。
Qt为河滩流量， m3/s。
（4）滩、槽难分的不稳定河段
宜按下式计算：
L j C P B0 B0 16.07( Q d
0.24 0.3
)
Q P 0.33 CP ( ) Q2%
式中，B0为基本河槽宽度，m；
Q 为年最大洪峰流量均值； m3/s；
d 为河床泥沙平均粒径，m；
CP为洪水频率系数；
α 为桥轴线的法线与水流方向的夹角。
( 5 3)
具体应用时，采用在桥位断面图上布设桥孔方案， 量算桥下实有的毛过水面积（或净过水面积），若等 于或略大于上述公式计算的面积，则布设的桥孔方案 即为所求。
具体步骤：
1、布置桥孔方案 包括：桥孔长度、
单跨径、孔数等.
L
l
确定单跨径时，需 要考虑流木、流冰 和通航时对净跨径
及桥梁的安全。因此，孔径的计算和布置，应以建桥
前后桥位河段内水流和泥沙运动的客观规律为依据。
1、桥位河段水流图式
（flow pattern of bridge location reach）
建桥后桥位河段的水流和泥沙运动状态是桥孔 水力计算的依据，但桥位河段水流和泥沙运动十分 复杂，且建桥时无法知道建桥以后的变化情况，目
1.1~1.4
1.2~1.4 1.2~1.8 1.1~1.4
有滩
在断面平均水深 ≤1m时，才能使 用接近1.8的较大值
平原区
建桥后，桥下冲刷结束，河床稳定时：
QP =ωy后VS = PωyVS 引入由于墩台侧面涡流阻水，引起桥下过水面积 折减的系数：
侧收缩系数（压缩系数）μ ：
y VS 1 0.375 j lj
水深逐渐加大。在水位和流量不变的情况下，断面
的扩大必然会导致流速的降低，河槽的冲刷相应减
缓，最终趋于停止。
每一个河段都有一个特定的流速，在一般冲刷的
过程中，当流速降到该流速时，桥下河槽的冲刷就停
止了。如果能找到这个流速，以及冲刷停止时的过水
断面面积，就可以设计桥孔长度了。 别列柳伯斯基假定：在一般冲刷的过程中，桥下过水 面积不断扩大，水流流速逐渐降低，当过水面积扩大 到使桥下流速降到等于天然河槽平均流速时，桥下冲 刷即停止。他建议采用天然河槽平均流速作为河槽冲 刷停止时的平均流速。
桥梁涵洞分类 桥涵分类
特大桥 大 桥
多孔跨径总长 L (m)
L ≥ 500 100 ≤ L < 500
单孔跨径 L0 (m)
L0 ≥ 100 40 ≤ L0 < 100
中 桥
小 桥
30 < L <100
8 ≤ L ≤ 30
20 ≤ L0 < 40
5 ≤ L0 < 20
涵 洞
L<8
L0 < 5
2、桥位选择（ Bridge Site Selection ）
L
桥台
（bridge abutment）
ωg：冲刷前桥下
ZS
桥台
毛过水面积；
d
lj
k
（bridge
abutment）
ωd：冲刷前桥墩所
占过水面积；
l 桥墩（bridge pier）
ωk：冲刷前墩台侧面涡流（vortex flow）所占过水面积 ωy：冲刷前桥下有效过水面积， ωy = ωg - ωk – ωd ωj：冲刷前桥下净过水面积， ωj = ωg – ωd
前只能在某些假定和实验的基础上，对缓流河段
（弗汝德数Fr < 1）提出简化的水流图式，该水流图
式适用于我国大多数桥梁孔径的计算。
①
②
③ ③’
④
B
L
桥墩
Δhy
h0
可 以 作 为 桥 孔 设 计 的 依 据 。
. . . . .. . J < Jk .
桥 前 壅 水 和 桥 下 冲 刷 三 者 之 间 的 关 系 ，
游荡型河段上，桥孔不宜过多压缩河床，应结合治理 规划，辅以必要的整治工程，在深泓线可能摆动的范 围内均应布设桥孔。
（3）山前区河流 冲积漫流（山前扩散）河段上，桥位宜在河流上游狭
窄段或下游收缩处跨越。若桥位河床宽阔，水流具有
明显的分支时，可采用一河多桥的方案，并在各桥间 设置人字形封闭导流堤。桥下净空应考虑河床淤积的 影响。 山前变迁河段上，允许压缩河滩，但需辅以适当的调 治建筑物。河滩路堤内不宜设置小桥或涵洞。如采用 一河多桥的方案，临近主河槽的支叉需堵截。
3、各类河段上桥孔布置的要求
河流受很多因素的影响，既有共同的性质，又有
不同的特点。一条大河的各个河段也往往具有不同的
特征。桥位选择、桥孔设计、各项水文计算、墩台冲
刷计算等，都需要了解桥位河段的具体特征，才能提
出切实可行的设计方案。为了满足桥涵设计的需要，
交通部门根据河段的稳定情况及河床的变形特征，对 我国的河流进行分类。分类情况见表 2-6。
桥位（bridge site）也称为桥址，就是桥梁中线
（桥轴线）的位置。桥位河段（bridge location reach ）
是指水流受桥梁影响的河段。桥位设计（桥位选择）
是将桥位河段上的桥梁、桥头引道、路堤和调治构造
物等各项建筑物作为一ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ整体进行总体布置和设计。
桥位设计在铁路工程中又称为桥渡设计（bridge crossing design）。
故有：
( 5 3)
y j
代入 QP = PωyVS，得：
QP j PVS
(5 1)
引入由于桥墩阻水引起桥下过水面积折减的系数λ：
d g
对宽浅形断面：
d l
而 j g d (1 ) g ，代入（5-1）式，得：
QP g (1 ) PVS
5.2.1 桥面标高计算
1、非通航河段
Zmin Z S h hj hD
（5-10）
hD
Z min
h j
h
ZS
图5-3 不通航河段桥面标高示意图
式中，Zmin为桥面标高；
ZS为设计水位；
∑∆h为洪水期间桥下各类水面升高值之和； ∆hj为桥下净空高度，查表5-3； ∆hD为桥梁上部建筑高度，包括桥面铺装厚 度。
计算桥孔长度时，取天然河槽平均流速作为设计 流速（一般冲刷完成时的桥下平均流速）。
过水面积： 引入冲刷系数P：
冲后 P 冲前
P≥1，因此有 ω冲后 = Pω冲前，ωy后 = Pωy前。
表5-2
河 山 区 流 类
冲刷系数P值表
型 冲刷系数 1.0~1.2 备 无滩 注
峡谷段
开阔段
山前区
半山区稳定段（包 括丘陵区） 变迁性河段
水 流 图 式 反 映 了 建 桥 以 后 桥 孔 长 度 、
2、桥孔布置的原则
桥位选定后，桥孔的位置和大小，应与天然断面
的流量分配相适应，要满足泄洪排沙的要求。
各类河段桥孔布设应符合下列要求： （1）山区河流 峡谷河段一般宜单孔跨越，桥台不得深入河槽，
墩台基础可置于不同高程的基岩上。开阔河段容许桥
5.1.3 桥孔长度计算（大中桥）
（ The Length of Bridge Opening ） 桥孔长度（孔径）：设计水位时两桥台前缘之间（埋 入式桥台为两桥台护坡坡面之间）的水面宽度，以L
表示。
桥孔净长：桥孔长度扣除全部桥墩宽度（顺桥方向）
后称为桥孔净长，以Lj 表示。
1、冲刷系数法 符号：
具体应用时，在桥位上游不小于3~4倍河宽，下 游不小于2倍河宽的范围内，进行观察分析（对于弯 曲河段，在桥位上游至少要包括一个河湾）。根据河
段特性，对照表 2-6 确定桥位河段的类型。河段稳定
性及变形程度，可用50年左右的演变过程，作为衡量
标准。
不同类型的河段，桥孔布设的要求是不同的，在实 际工作中，可参考设计手册、设计规范的规定，结 合桥位河段的实际情况布设桥孔 。
跨径在60m以下的桥梁，一般应选用标准跨径。
确定单跨径时，需要考虑流木、流冰和通航