[讲义]小桥孔径水力计算基础知识讲义(附例题)
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。
（5-34） （5-35）
桥头路基最低标高
H
河床最低点标高
D
hj
H
桥面最低标高 河床最低点标高
【例5-2】某公路通过一小沟，需要建一座小桥，选
定的桥位与水流正交。J=9‰，n=0.045，设计流量 QP=22.0m3/s，河底最低点标高100m，路堤允许标高 Z允=103.0m。拟采用矩形断面单孔小桥，八字翼墙式 桥台。试确定小桥孔径和桥头路堤标高。
Bk
hk1
hk
图 5-9 梯形断面临界水深计算图式
（3）判别水流流态
当：ht ≤ 1.3hk 当： ht > 1.3hk
自由出流 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：
Bk
k
hk 1
QP hk 1Vk
QP g Vk3
(5 27)
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。
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。
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）
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。
VH为桥前水深为H时的行近流速；V为采用的桥 孔长度对应的桥下流速。
V2 H
为桥前水深为H时的流速水头。
2g
（5-33）式须试算,当VH < 1m/s 时，流速水头可 忽略不计。
（6）确定路堤和桥面标高 桥头路堤最低标高：
Z路 = Zmin+ H + Δ 桥面最低标高：
Z桥= Zmin+ H +Δhj+ D
B
ht
100.00m
解：
① 求桥梁下游天然水深ht
根据断面图及J=9‰，n=0.045 ，假设ht = 1.20m，按谢才-曼宁公式，得：Q=22.7m3/s。
Q QP 22.7 22.0 3.18% 10%
QP
22.0
② 确定临界水深
选定桥下河床加固型式：碎石垫层上20cm大小 的片石单层铺砌。查表5-12d，得容许不冲刷流速 Vbc=3.5m/s，Vk= Vbc=3.5m/s。临界水深：
htVbc
Nd
矩形断面： L = B0 梯形断面：
L = B0+2m(ht/2+Δh) (5-32)
L
d B0
h
hh
2
图 5-12 梯形断面桥孔（淹没式出流）
（5）桥前水深H
① 自由出流
H
hk
Vk2
2g 2
VH2 2g
② 淹没出流
H
ht
V2
2g 2
VH2 2g
(5 33) (5 33)
式中，Φ为流速系数，查表5-13。
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 =ischarge）
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。
k
k
H
ht
hk
ht
图 5-8（b）小桥淹没式出流图式
桥下水深 h > hk
此时桥下水深为桥下游天然水深 h=ht 。
(
gq
)
1 3
2.14q
1 3
[ 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：
Vk
QP
k
QP
hk 1 Bk
q hk 1
gq Vk2
式中，μ为侧收缩系数，按表5-13。]
临界水深： 矩形、宽浅梯形：
深窄梯形：
hk = hk1
hk Bk
Bk2 4mBkhk1 2m (5 25)
k3 QP2
Bk
g
(5 20)
式中，α为流速分布系数，小桥α≈1.0。
矩形断面：
hk
3
QP2 Bk2 g
( 5 21 )
任意断面：
hk 1
k
Bk
QP2
k2 g
Vk2 g
0.102Vk2
式中，Vk采用河床容许不冲刷流速。
(5 22)
Vk
QP
k
QP hk 1 Bk
q hk 1
gq Vk2
Vk
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
k
0.3hk
k
游水深对桥下过流能力无 H 影响。
hk
ht
桥下水深 h < hk
图 5-8（a）小桥自由式出流图式
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
令Vk=Vbc和QP
L、H
比较H与H允 ① H≤H允,方案可行
② H>H允,调整L方案，直至满足
要求为止。
计算步骤：
（1）小桥下游河槽天然水深ht
Q
2
R 3J
1 2
n
(5 26)
试算，｜Q-QP｜/QP<10%。小桥水力半径R用断
面图计算，一般不能用平均水深代替。
ht
（2）计算桥下临界水深hk
桥下通过设计洪水所需的水面宽：
B
Bk
Nd
QP g
Vb3c
Nd
(5 28)
桥孔长度： 矩形断面： 梯形断面：
L= B L = B+2mΔh
(5-30)
L
h
d
hk
B
图5-11 梯形断面桥孔（自由式出流）
② 淹没出流（ht>1.3hk）
先计算桥下通过设计洪水所需的平均水面宽（ht/2 处）：
B0
QP
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[讲义]小桥涵水力计算经典讲义(71页 涵洞 倒虹吸)
![[讲义]小桥涵水力计算经典讲义(71页 涵洞 倒虹吸)](https://360docs-1393072327.cos.ap-beijing.myqcloud.com/c294f8b802d276a200292ee5.webp)
1.水流类型
水流的类型有临界流、缓流、急流三类。
当计算基线通过河底时，
位能： Ep H
动能： 能率：
Ek
v2 2g
E0 Ep Ek
H v2 2g
H
Q2
2 g 2
17
小桥涵水流状态
当流量及流水断面形状为已知时，能率为水深的函数：
E0 f (H )
E0
C点的能率最小，称为临界点。
13
公路桥涵水毁的成因分析
（4）小桥涵进水口紧接较陡的山坡，进水口处的路基及防 护构造物由于洪水急流的顶冲而被摧毁，或因为淘刷基 础造成了水毁。
（5）受资金、材料的限制，公路标准低、质量差，缺少 排水和防护构造物；平原地区的路基标高太低，填土高 度较小；多年来农、林、水和公路建设欠协调，破坏了 生态平衡，同时公路桥涵的抗灾能力降低，严重的则发 生了水毁。
9
三、小桥涵孔径计算的一般要求
（1）小桥涵孔径必须保证设计洪水、流水和漂流物等的安全通 过；必须满足交通、农田灌溉、排涝和排碱等的合理需要；同 时要考虑桥涵前积水影响路堤的稳定和农田村舍的受淹影响， 通过全面分析，从而选定孔径。 （2）小桥涵孔径不应单凭流量计算资料来确定，其他如流域水 文特征、沟槽形态、地质特点、冲淤情况、人类活动等对桥涵 孔径大小都会产生影响，在确定孔径时，应充分给与考虑。 （3）小桥涵孔径应采用标准孔径，并应大于规定的最小孔径要 求。 （4）小桥宜设计为非自由出流状态，涵洞应设计为无压力式。
15
小桥涵水毁的防治
（4）对上游蜿蜒曲折的河沟段，可裁弯取直，改善水流条 件。有时还可以在桥涵前河沟的上游，加设消力池等消能 设施，以达到降低流速，沉积泥沙的目的。 由上述分析可见，孔径是影响小桥涵水毁的重要因素，
小桥涵水力计算讲座
11
四、小桥涵孔径与水毁
1. 公路桥涵水毁的成因分析 2. 小桥涵水毁的防治
12
公路桥涵水毁的成因分析
从小桥涵水毁实况，可归纳其水毁主要成因： （1）较大孔径的小桥、涵洞，由于基础的埋置深度不够或
未设必要的调治防护构造物，而致桥台及涵洞进出口被冲 毁。
沪陕高速大桥桥墩受损 严重 商州水务局称洪 水冲刷所致
大中桥孔径计算以冲刷系数作控制条件，容许桥下发生一 定的冲刷，采用天然河槽断面平均流速作为桥孔设计流速 ，并按自由出流条件，由计算的过水面积推求桥孔长度； 小桥孔径计算则以容许不冲刷流速作为控制条件，河床不 容许发生冲刷，但容许有较大的桥前壅水高度，须考虑桥 孔的出流状态，按此确定桥孔长度。
7
三、小桥涵孔径计算的一般要求
水流的类型有临界流、缓流、急流三类。
当计算基线通过河底时，
位能： E p H
动能：
Ek
v2 2g
能率： E 0EpE kH2 vg 2H2Q g 22
（1）小桥涵孔径必须保证设计洪水、流水和漂流物等的安全通 过；必须满足交通、农田灌溉、排涝和排碱等的合理需要；同 时要考虑桥涵前积水影响路堤的稳定和农田村舍的受淹影响， 通过全面分析，从而选定孔径。 （2）小桥涵孔径不应单凭流量计算资料来确定，其他如流域水 文特征、沟槽形态、地质特点、冲淤情况、人类活动等对桥涵 孔径大小都会产生影响，在确定孔径时，应充分给与考虑。 （3）小桥涵孔径应采用标准孔径，并应大于规定的最小孔径要 求。 （4）小桥宜设计为自由出流状态，涵洞应设计为无压力式。
10
三、小桥涵孔径计算的一般要求
（5）有压涵洞水压力较大，沉陷缝处容易漏水，危及基础和 路堤，所以涵洞应设计为无压的，仅在特殊情况下，有充分的 技术经济比较依据时，方可采用有压涵洞。 （6）涵洞可设计成单孔或双孔。由于多孔涵洞流量分配不均 匀，使个别涵孔通过流量有可能超过设计标准，故不宜修建， 只有个别情况在技术和经济上均属适宜时，方可采用多孔。 （7）小桥涵孔径式样，在同一区段内应力求简化，以便于施 工及养护维修。
四、小桥涵孔径与水毁
1. 公路桥涵水毁的成因分析 2. 小桥涵水毁的防治
12
公路桥涵水毁的成因分析
从小桥涵水毁实况，可归纳其水毁主要成因： （1）较大孔径的小桥、涵洞，由于基础的埋置深度不够或
未设必要的调治防护构造物，而致桥台及涵洞进出口被冲 毁。
沪陕高速大桥桥墩受损 严重 商州水务局称洪 水冲刷所致
大中桥孔径计算以冲刷系数作控制条件，容许桥下发生一 定的冲刷，采用天然河槽断面平均流速作为桥孔设计流速 ，并按自由出流条件，由计算的过水面积推求桥孔长度； 小桥孔径计算则以容许不冲刷流速作为控制条件，河床不 容许发生冲刷，但容许有较大的桥前壅水高度，须考虑桥 孔的出流状态，按此确定桥孔长度。
7
三、小桥涵孔径计算的一般要求
水流的类型有临界流、缓流、急流三类。
当计算基线通过河底时，
位能： E p H
动能：
Ek
v2 2g
能率： E 0EpE kH2 vg 2H2Q g 22
（1）小桥涵孔径必须保证设计洪水、流水和漂流物等的安全通 过；必须满足交通、农田灌溉、排涝和排碱等的合理需要；同 时要考虑桥涵前积水影响路堤的稳定和农田村舍的受淹影响， 通过全面分析，从而选定孔径。 （2）小桥涵孔径不应单凭流量计算资料来确定，其他如流域水 文特征、沟槽形态、地质特点、冲淤情况、人类活动等对桥涵 孔径大小都会产生影响，在确定孔径时，应充分给与考虑。 （3）小桥涵孔径应采用标准孔径，并应大于规定的最小孔径要 求。 （4）小桥宜设计为自由出流状态，涵洞应设计为无压力式。
10
三、小桥涵孔径计算的一般要求
（5）有压涵洞水压力较大，沉陷缝处容易漏水，危及基础和 路堤，所以涵洞应设计为无压的，仅在特殊情况下，有充分的 技术经济比较依据时，方可采用有压涵洞。 （6）涵洞可设计成单孔或双孔。由于多孔涵洞流量分配不均 匀，使个别涵孔通过流量有可能超过设计标准，故不宜修建， 只有个别情况在技术和经济上均属适宜时，方可采用多孔。 （7）小桥涵孔径式样，在同一区段内应力求简化，以便于施 工及养护维修。
第九章 堰 流
都江堰坐落于四川省都江堰市城西，位于成都平 原西部的岷江上。都江堰水利工程建于公元前256年， 是中国战国时期秦国蜀郡太守李冰父子率众修建的一 座大型水利工程，是全世界迄今为止，年代最久、唯 一留存、以无坝引水为特征的宏大水利工程。 两千多年来，一直发挥着防洪灌溉作用。截至1998 年，都江堰灌溉范围已达40余县，灌溉面积达到66.87 万公顷。 都江堰水利工程以历史悠久、规模宏大、布局合理、 运行科学，与环境和谐结合，在历史和科学方面具有 突出的普遍价值，2000年联合国世界遗产委员会第24 届大会上都江堰被确定为世界文化遗产。
Q Q mb 2g H
1
3
3/ 2 o
a p 0.2 H
4
b b 1 B B
式中： a——墩形系数，矩形为0.19；圆形为0.10
• 例：某矩形断面宽顶堰，已知：渠道宽B=3m，堰宽 b=2m，坎高p=p’=1m，堰上水头H=2m，堰顶为直角进 口，墩头为矩形，下游水深h=2.75m，试求过堰流量。 • 解：(1)判别出流形式
堰
堰流极其特征 宽顶堰溢流
流
δ H
薄壁堰和实用堰溢流 小桥孔径的水力计算
v
堰流及其特征
• 堰和堰流 • 在明渠流中，为控制水位或控制流量而设臵构筑物， 使水流溢过构筑物的流动称为堰流，该构筑物称为 • 堰流的水力特性如下： 1、堰的上游水面壅高，势能增大； H 在堰顶上水面下跌； 2、堰流一般从缓流向急流过渡， 属于急变流。堰流的水力计算 主要考虑局部阻力； 3、水流在流过堰顶时，具有自由表面的液流在表面张 力的作用下，水流会收缩。
水力计算准备
• 已知数据：根据水文资料决定的设计流量Q，按河道 情况决定的对应于设计流量的天然水深H（下游）。 • 设计选定：按河床加固情况以避免冲刷而拟定的最大 允许不冲流速v。 • 主要任务：设计小桥孔径b及桥前抬高水深H1。 • 方案评价：小桥孔径愈小，造价愈低，但小桥前抬高 水深就愈大，会影响农田或路基高度。桥下流速也愈 大，使河床加固费用也愈大。反之，小桥孔径愈大， 则桥前水深和桥下流速就会减少，但小桥本身的造价 却增加。因此，最后应以建筑技术、造价经济等方案 比较来决定。 • 出流形式：根据桥下水深与下游水深的不同比值，可 分为自由式出流和淹没式出流两种。
第八章-小桥和涵洞孔径计算
面的水深为ht,则桥下过水断面平均宽度为：
B0
Qs
ht vbc
Nd
（8-2-8）
B0—桥下过水断面的平均宽度(m)；
vbc—河床的容许(不冲刷)流速(m/s)，可按表8-2-1采用。
第二节 小桥孔径计算
❖ 若桥孔断面为矩形，则桥孔长度L=B0；
❖ 若桥孔断面为梯形，则桥孔长度为：
L
B0
2m( 1 2
❖ 小桥涵孔径大小应根据设计流量、河床特性及河床进出口加固类型所允许 的平均流速等来确定。
❖ 小桥涵孔径计算的目的在于合理确定桥涵孔径大小、河床加固的类型和尺 寸、壅水高度、桥涵处路基和桥涵顶面的最低高程。
小桥 涵洞
小桥和涵洞按跨径分类表 多孔跨径总长L（m） 8≤ L ≤30 ——
单孔跨径L0（m） 5≤ L0 ≤20 L0 ≤5
第一节 小桥和涵洞勘测
一、小桥和涵洞勘测的主要任务
❖ 小桥和涵洞勘测包括外业勘测和内业设计两部分。 ❖ 通过对公路沿线的地形、地质、水文、气象及农田水利设施等情况进
行勘测和调查，为桥涵设计以及水力计算提供必要的资料和依据。
二、小桥和涵洞勘测的主要工作内容
❖ 1、勘测前的准备工作 ❖ 2、小桥和涵洞位置的选择 ❖ 3、小桥和涵洞测量 ❖ 4、小桥和涵洞类型选择
ε—挤压系数；见表8-2-2；
N—桥墩个数； d —桥墩宽度(m)；
其他符号意义同前。
第二节 小桥孔径计算
挤压系数ε与流速系数值φ
桥台形状 单孔桥锥坡填土 单孔桥有八字翼墙
ε 0.90 0.85
多孔桥或无锥坡或桥 台伸出锥坡以外
拱脚淹没的拱桥
0.80 0.75
表8-2-2
φ 0.90 0.90
第九章 小桥和涵洞孔径计算
55
四、涵洞进出口处理
2、进出口沟床加固处理 （1）进水洞口沟床加固处理
1）缓坡涵洞进水口沟床加固 ①纵坡小于10%的顺直河沟
翼墙间采用干砌片石 铺砌加固。对流速 较小、孔径较大的 多孔涵洞，可采用 U形铺砌。
56
1）缓坡涵洞进水口沟床加固 ②涵前天然河沟纵坡为10%~40%
缓坡1~2倍孔径
开挖、护坡 1：4~1:10
30
一、小桥和涵洞类型的选择
2、涵洞的类型及其适用情况 涵洞由洞身、洞口、基础三个部分组成。
31
一、涵洞类型的选择
1、圆管涵 ➢承载结构——素砼或钢筋混凝土圆管 ➢圆管涵孔径一般为0.75~2.0m ➢最小填土厚度50cm ➢不设涵台，基础构造简单 ➢受力性能好，工程数量少，造价低 ➢多孔时不宜超过三孔
vi
1 n
21
Ri3i2
Qi Aivi
21
1、判别桥下水流图式
（2）确定桥下临界水深 hk
AK3 QS2
BK
g
BK A Q K 3S2gQvSk3g
hk
vk 2 g
矩形断面,宽浅梯形断面 hk hk
深而窄的梯形断面
hkBK
BK 24mKB hk 2m
22
1、判别桥下水流图式 （3）水流图式判别
32
33
2、盖板涵
➢承载结构——石盖板或钢筋混凝土盖板 ➢盖板涵孔径一般为1.0~4.0m ➢盖板涵可为明涵，也可为暗涵 ➢设支承盖板的涵台，多采用圬工轻型桥台
34
2、盖板涵
➢基础可采用整体式基础或分离式基础 ➢台身底部设钢筋混凝土支撑梁
35
36
3、拱涵
➢承载结构——圬工或钢筋混凝土拱圈 ➢拱涵孔径一般为1.0~4.0m ➢可用于明涵或暗涵
四、涵洞进出口处理
2、进出口沟床加固处理 （1）进水洞口沟床加固处理
1）缓坡涵洞进水口沟床加固 ①纵坡小于10%的顺直河沟
翼墙间采用干砌片石 铺砌加固。对流速 较小、孔径较大的 多孔涵洞，可采用 U形铺砌。
56
1）缓坡涵洞进水口沟床加固 ②涵前天然河沟纵坡为10%~40%
缓坡1~2倍孔径
开挖、护坡 1：4~1:10
30
一、小桥和涵洞类型的选择
2、涵洞的类型及其适用情况 涵洞由洞身、洞口、基础三个部分组成。
31
一、涵洞类型的选择
1、圆管涵 ➢承载结构——素砼或钢筋混凝土圆管 ➢圆管涵孔径一般为0.75~2.0m ➢最小填土厚度50cm ➢不设涵台，基础构造简单 ➢受力性能好，工程数量少，造价低 ➢多孔时不宜超过三孔
vi
1 n
21
Ri3i2
Qi Aivi
21
1、判别桥下水流图式
（2）确定桥下临界水深 hk
AK3 QS2
BK
g
BK A Q K 3S2gQvSk3g
hk
vk 2 g
矩形断面,宽浅梯形断面 hk hk
深而窄的梯形断面
hkBK
BK 24mKB hk 2m
22
1、判别桥下水流图式 （3）水流图式判别
32
33
2、盖板涵
➢承载结构——石盖板或钢筋混凝土盖板 ➢盖板涵孔径一般为1.0~4.0m ➢盖板涵可为明涵，也可为暗涵 ➢设支承盖板的涵台，多采用圬工轻型桥台
34
2、盖板涵
➢基础可采用整体式基础或分离式基础 ➢台身底部设钢筋混凝土支撑梁
35
36
3、拱涵
➢承载结构——圬工或钢筋混凝土拱圈 ➢拱涵孔径一般为1.0~4.0m ➢可用于明涵或暗涵
第9章 9.7.5 小桥孔径水力计算
桥下游天然水深 ht（相应于设计流量） 桥前水深 H 临界水深 hk 桥下水深 h
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
0 .3 hk
k
H
k
hk
ht
图 5-8（a）小桥自由式出流图式
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。
2
桥前流速：V
H
QP
H
31 . 5 16 . 6
1 . 90 m / s
当桥前流速为1.90m/s时：
H 1 . 81 0 . 051 V H 1 . 81 0 . 051 1 . 90
2 2
1 . 63 m
当桥前水深为1.63m时，过水断面面积：
H HL
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 L、H
2
3 .5
2
1 . 25 m
9 . 80
③ 判别流态 ht= 1.20m < 1.3hk= 1.625m 桥下水流为自由出流。
④ 计算桥孔长度L
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
0 .3 hk
k
H
k
hk
ht
图 5-8（a）小桥自由式出流图式
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。
2
桥前流速：V
H
QP
H
31 . 5 16 . 6
1 . 90 m / s
当桥前流速为1.90m/s时：
H 1 . 81 0 . 051 V H 1 . 81 0 . 051 1 . 90
2 2
1 . 63 m
当桥前水深为1.63m时，过水断面面积：
H HL
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 L、H
2
3 .5
2
1 . 25 m
9 . 80
③ 判别流态 ht= 1.20m < 1.3hk= 1.625m 桥下水流为自由出流。
④ 计算桥孔长度L
ch4-2桥孔水力计算+孔径设计
求全断面平均流速：U= Q/A
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9
4.3.2 桥址河段水力计算
（1）水力现象
桥址河段水流图： 平面：上游收缩段
桥址被压缩 下游扩散段
纵面：上游壅高， 桥址收缩， 下游复原
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壅水
扩散恢复
收缩下降
纵断面
10
4.3.2 桥址河段水力计算
桥孔的压缩程度、洪水大小影响水流的以下变化： 平面收缩段和扩散段长度； 垂向水面壅高和降低幅度
36
第四次 思考题+ 作业习题（解答题）
2 解答题(交作业) （1）某桥设计洪水标准为P=1%，建成于2010年，请问该桥何 时将遇设计洪水？为什么？ （2）某铁路跨河桥的桥位位于曲率半径R为1000m的平原河湾 附近，河流上无漂浮物、泥石流和通航需求。前期水文勘测得 出的桥轴线河槽横断面如图1所示，河床纵比降为0.02%，主槽 糙率0.02，河滩糙率0.025，桥下河床为中值粒径为2mm的中等 密实覆盖层。已知该桥的设计洪水位为157.8m，在预可行性研 究阶段，设计人员初步拟定该桥采用5×32m等跨简支梁桥形式， 桥墩宽度为2.5m，桥轴线与水流正交，梁底高程159.0m。请回 答以下问题：
阻挡流量/设计流量（%） ≤10 11~30 31~50 >50
压缩系数η
0.05 0.07 0.10 0.15
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4.3.2 桥址河段水力计算
桥下断面水面壅高值(△Zq)可近似计为
zq
Z 2
(4-11)
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25
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4.3.3 孔径设计计算
（1）孔径——桥孔长度（简称桥长）和高度。 考虑设计洪水、设桥后的水流变化、河床变化。 桥长：设计水位时两端桥台前缘间距离。 桥高：以梁底高程 Zb 表示。
过流建筑物的水力计算
水力学辅导材料8：一、第7章过流建筑物的水力计算【教学基本要求】1、了解堰流、闸孔出流的流动特点和区别，掌握堰流和闸孔出流互相转化的条件。
2、掌握堰流的分类和计算公式，掌握实用堰、宽顶堰的水力计算方法，会进行流量系数、侧收缩系数、淹没条件和淹没系数的确定方法，重点掌握宽顶堰流的水力计算。
3、了解桥、涵过流的水力特征和水力计算方法。
4、掌握闸孔出流的计算公式和水力计算方法，能正确确定闸孔出流的流量系数和淹没系数。
5、了解泄水建筑物下游的水流特点和衔接消能方式，掌握底流消能的水力设计方法，会进行消力池尺寸的计算。
【内容提要和学习指导】这一章的主要任务是学习堰、闸和桥涵的过流特性和水力计算以及水跃消能的水力设计。
学习本章我们要了解堰流和闸孔出流的特点和互相转化的分界条件，以便正确选择对应的公式进行设计计算。
本章有众多的经验公式和经验系数，我们要了解公式中各种系数的物理意义和影响因素，众多的经验公式不必强记，但要会利用公式或图表来确定计算中所需的流量系数、淹没系数、侧收缩系数的数值。
7.1 堰流、闸孔出流的特点和区别（1）堰流和闸孔出流的特点：堰流和闸孔出流都属于急变流，都是壅高水位以后，靠重力作用形成的水流运动，其能量损失以局部水头损失为主。
堰和闸都是属于控制建筑物，用于控制水位和流量。
（2）堰流和闸孔出流的区别：堰流的上部不受闸门控制，水流自由表面是连续光滑的；而闸孔出流正好相反，由于受到闸门的控制，自由表面被闸门截断。
堰流和闸孔出流的这种差异导致它们的水流特征、过水能力和规律都不相同。
（3）堰流与闸孔出流是密切相关的，当闸门开度e大于一定值，闸门底缘对水流没有约束时，闸孔出流转化为堰流。
其判别标准是：闸底坎为平顶宽顶堰时：e/H≤0.65为闸孔出流，e/H＞0.65为堰流；闸底坎为曲线型宽顶堰：e/H≤0.75为闸孔出流，e/H＞0.75为堰流。
7.2 堰流的分类根据堰顶的宽度δ与堰顶水头H 的比值可以将堰分为三类：当δ/H ＜0.67为薄壁堰，薄壁堰具有稳定的水位流量关系，常用于流量的量测；当0.67＜δ/H ＜2.5为实用堰，用于水利枢纽的挡水和泄水建筑物；当2.5＜δ/H ＜10为宽顶堰，在渠系中广有泛应用。
桥涵孔径计算课件
操作流程
桥涵孔径计算软件的操作流程一 般包括数据输入、计算过程和结 果输出三个步骤。
功能特点
软件应具备界面友好、操作简单 、计算准确等特点，同时应具备 数据存储和查询功能。
软件应用实例及效果展示
应用实例
以某高速公路桥涵为例，采用计算机 程序进行孔径计算，相比传统手工计 算方法，大大缩短了计算时间，提高 了效率。
桥涵孔径计算课件
目 录
• 桥涵孔径计算概述 • 桥涵孔径计算的前期准备 • 桥涵孔径计算的数学模型 • 桥涵孔径计算的实例分析 • 桥涵孔径计算的软件应用 • 桥涵孔径计算的发展趋势与展望
01
桥涵孔径计算概述
桥涵孔径的概念与重要性
桥涵孔径是指桥涵流水断面上垂直于 流线的直线长度，是桥涵设计中的重 要参数之一。
桥涵孔径的大小直接影响着桥涵的过 水能力、水流状态、河床冲刷和河床 演变等，对于桥梁和涵洞的安全和使 用性能具有重要意义。
桥涵孔径计算的原理与依据
桥涵孔径计算的原理主要是基于水力学和流体力学的原理，通过分析桥涵处的地 形、地质、水流条件等因素，确定合适的孔径大小。
桥涵孔径计算的主要依据包括桥涵设计规范、水文资料、地质勘察报告、洪水计 算成果等。
02
根据桥涵设计的规范和标准，确 定计算方法和标准，如采用水力 学公式或计算机程序进行计算。
建立计算模型与数据库
根据桥涵设计的具体情况，建立合适的计算模型，如堰流模 型、孔口模型等。
建立桥涵孔径计算的数据模型和数据库，包括数据采集、处 理、存储和查询等功能，以便进行计算和管理。
03
桥涵孔径计算的数学模型
桥涵孔径计算的基本步骤
01
02
03
04
收集和分析桥涵设计规范、水 文资料、地质勘察报告、洪水
公路小桥涵第五章(03)
3)公路沿线的小桥、涵洞布置的数量少，排 水系统不完善，或河沟上游有堆积物、漂 浮物，导致小桥涵堵塞，引起洪水漫流路 面，冲蚀路肩乃至毁坏路基或桥涵。 4)小桥涵进水口紧接较陡的山坡，进水口处 的路基及防护构造物由于洪水急流的顶冲 而被摧毁，或因为淘刷基础造成了水毁。 5)受资金、材料的限制，公路标准低、质量 差，缺少排水和防护构造物；平原地区的 路基标高太低，填土高度较小；多年来农、 林、水和公路建设欠协调，破坏了生态平 衡，同时公路桥涵的抗灾能力降低，严重 的则发生了水毁。
3)小桥孔径通常比涵洞要大得多，为减少河 床加固工程数量，一般只有跨径不大的小 桥才采用加固河床的办法来提高允许流速， 增加泄水能力。即使采用河床加固，允许 流速也不宜太大。因此，允许不冲刷流速 是小桥孔径计算的重要控制条件。河床不 加固的小桥，其孔径计算与大中桥相同。 4)由于小桥孔径较大，桥上一般无填土路基， 水流都不会淹没整个桥孔(漫水桥除外)，孔 径计算时都要求保证设计水位距桥梁底部 有一定净空高度。计算时按水力学中的宽 顶堰计算。
4)对上游蜿蜒曲折的河沟段，可裁弯取直， 改善水流条件。有时还可以在桥涵前河沟 的上游，加设消力池等消能设施，以达到 降低流速，沉积泥沙的目的。 由上述分析可见，孔径是影响小桥涵水毁 的重要因素，正确进行小桥涵水力计算， 合理确定小桥涵孔径是防止水毁的重要措 施之一。
第二节、 小桥水力计算 一、小桥水力计算图式 通过桥下水流，由于受到桥头路堤和墩台的 挤束，将使桥下流速增大，若桥下水流压缩很 小，则孔径偏大很不经济；若压缩过大，虽然 孔径可以减小，可节省工程数量，但会造成上 游水淹没农田，且桥下流速过大需要很坚固的 河床加固，并且水流出桥后会冲刷河床及冲毁 下游农田，直接影响路基和桥梁使用安全。因 此，在一般情况下，权衡利弊，选择适当的压 缩程度以使桥孔设计较为经济合理。 桥孔压缩改变天然水流状态后，桥下的水流 状态还受桥下游沟槽天然水深的影响。按宽顶 堰流理论，小桥下的水流可有自由出流及非自 由出流(又叫淹没出流)两种水力图式。