08第八章调治构造物

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1、王王 亚亚 军军Modulating Structures3概概 述述什么是调治构造物？什么是调治构造物？导流堤丁坝顺坝、挑水坝其他桥头防护工程调治构造物的功能：调治构造物的功能：调节水流使其均匀、顺畅地流过桥孔，防治桥下断面和上下游附近的河床、河岸发生不利变形，确保桥梁安全。调治构造物调治构造物1.导流构造物导流构造物2.挑流构造物挑流构造物3.防护构造物防护构造物导流堤导流堤梨形堤梨形堤锥坡体锥坡体丁坝丁坝顺坝顺坝挑水坝挑水坝堤岸防护堤岸防护坡面防护坡面防护路基防护与加固路基防护与加固5调治构造物导流堤导流堤丁坝顺水坝常见的调治构造物常见的调治构造物6结合河段特性，水文、地形和地质等自然条

2、件，桥头路堤位置，通航要求，水利设施等因素综合考虑，兼顾两岸、上下游、洪水枯水位，确定总体布置方案。水文及河床变形复杂的河段，桥孔和调治构造物布设应做水工模型实验，进行分析验证。导流堤的设计洪水频率与桥梁设计洪水频率相同。丁坝等其他调治构造物的设计洪水频率应与所依托的工程设计洪水频率相同。顺应水势、因势利导、因地制宜顺应水势、因势利导、因地制宜78导流堤的主要作用是引导水流平顺通过桥孔，提高桥孔泄洪能力，减少对桥下河床的集中冲刷，减缓冲刷进程，减少对墩台的冲刷威胁。无导流堤时，被桥头路堤阻断的河滩水流将斜向流入桥孔，可引起桥台附近的严重冲刷；设置导流堤后，桥下河床的冲刷分布趋于均匀，并扩散到桥

3、梁上下游的较大范围，减缓了冲刷进程。适用条件:河滩流量较大时第一节第一节 导流堤导流堤9 如何设置导流堤？根据河滩流量占总流量的比例来确定，一般认为，被河滩路堤阻断的河滩流显占总流量的15(单侧河滩)或25(双侧河滩)以上时，需设置导流堤；小于上述数值时，可设置梨形堤；小于5时，加固桥头维坡即可。当河滩水深小于1m，或桥下冲刷前的平均流速小于1m/s时，则不必设置导流堤。河滩流量较大时，桥上游应修建导流堤，引导上游水流和河滩水流逐渐改变方向，形成平行水流，平顺地通过桥孔，使桥下断面的流速、水深及输沙等分布都较为均匀，避免桥下和桥头出现集中冲刷。导流堤10一、导流堤的绕流导流堤水流的绕流决定了导

4、流堤合理的平面线形，以与绕流流线配合较好、堤长适当、设计施工简便的线型为佳。河滩水流弯曲绕过A点，这里水流集中，流速大，水面雍高。然后，水流转向沿导流堤流向桥孔。在B点附近，水流相遇，形成第二个高速区。这样在AB范围内，形成坝头冲刷区。水流通过B点后，若导流堤平面线型合理，将平顺的流到桥轴断面C点，在桥下平顺的流出桥孔。导流堤绕流的流线导流堤绕流的流线11二、导流堤的平面线形椭圆堤 仍是美国联邦公路总署推荐的桥梁导流堤标准形式。前苏联1972年规范推荐的导流堤形式，上游为椭圆形，下游为圆弧和直线的组合线型。圆曲线组合堤 我国应用最多，1985年铁道部科院研究员陆浩等提出改进的，长度较短的圆曲线

5、组合堤。梨形堤 主要用于河滩流量不大或桥头引道凹向上游的桥位上。梨形堤的平面尺寸，邻桥孔一侧可按一般曲线导流堤的尺寸采用，邻河岸的后侧部分用反向圆弧连接，或再插一段直线与桥头引道连接。封闭式长导流堤 修建在山前冲积扇和山前变迁性河段上。长堤使河槽逐渐缩窄引导水流和泥沙平顺地通过桥孔。美国联邦公路总署标准美国联邦公路总署标准1/4椭圆椭圆 a/b=2.5圆曲线组合堤（圆曲线组合堤（1985年年 陆浩改进）陆浩改进）梨形堤的布设梨形堤的布设13改进圆曲线组合堤：其平面轴线是由三种不同半径的 圆曲线构成。基本半径为：式中：Btd、Qtd 导流堤所在一侧河滩宽度 和天然状态的河滩流量。E 桥孔偏置率Q

6、te 导流堤所在一侧的路堤拦阻流量Qxi 被阻挡较小一侧的天然流量Qda 被阻挡较大一侧的天然流量K 与桥位河段水流宽深比有关的系数R1=0.50R0,圆心角1=45R2=0.25R0,圆心角2=45 60Rd=R2,圆心角d=45 6015202530k1000B/h2000012002023045()()()180180180()()641805()()()18018036180stddxtSRRRRRRSRRRR上游堤长度下游堤长度7/8tdte0tdxidaBQ1-ER=(1+)()k10QQ1QE 14三、导流堤冲刷导流堤附近的流速分布和冲刷地形图导流堤附近的流速分布和冲刷地形图 从

7、上游堤段开始，沿堤的迎水面坡脚有一条冲沟，延伸到桥下，再向桥梁下游发展。导流堤迎水面坡脚最大冲刷深度范围，在从上游堤头开始到上游大约三分之一堤长的一段附近，若导流堤平面线形不好，冲刷范围还要扩大。洪水退水过程中，导流堤上游端背水面也将出现冲刷；同时，堤背水面水位高，迎水面水位低，形成堤身内渗透压力，也会引起导流堤破坏。150.4 20.3 83.3 7()smLhF rh CB 公路工程水文助测设计规范推荐 导流堤堤头冲刷深度按下式计算：式中：hs 堤头冲刷深度L 上游堤端至河岸距离B 当另一侧河滩设导流堤时，为设计水位时水面总宽度；当两侧均设导流堤，为设计水位线至河槽中泓线的距离。Fr堤头行

8、近水流弗若德数 Fr=v2/ghH堤头天然水深Cm 边坡减冲系数 Cm=e-0.07mm边坡系数16四、导流堤的横断面和坝顶高程v 坝顶高程，上游堤头的高程应考虑设计水位沿堤长向上游的升高、桥前壅水高度、波浪爬坡高度、床面淤积等水面升高，还应加0.25m的安全值。v 导流堤各断面的坝顶高程，可从上游端堤顶高程按水面比降来推算v 导流堤横断面尺度按下表采用：17第二节第二节 丁坝丁坝丁坝：一种与河岸或路堤成一定角度，深入水中的构造物。是一种广泛使用的河道整治和维护水工构筑物。丁坝常设置在桥头引道的一侧或桥梁附近的河岸一侧，特别是在凹岸的一侧，将水流挑离桥头引道或河岸，并使泥沙在丁坝后部淤积，形成

9、新的水边线，以达到对凹岸及桥台保护的目的。18v 丁坝对上下游水流，甚至对岸都有一定影响，适合修建在较宽的河段，在山区狭窄急流河段应慎用。v 若需要防护的路堤或河岸较长，可采用数个丁坝组成的丁坝群进行水流调治和河岸防护。v 导治线：将各个坝头的连线设计成一条平滑的曲线或直线。导治线是设计的水边线或弯道凹岸的深沿线。导治线两端应与河岸平顺连接。191.漫水丁坝：坝顶高程低于设计洪水位。坝顶高程常取在相当于常水位或平均洪水位上下。洪水位时为漫水丁坝，常水位及枯水位时为不漫水丁坝。这样，除洪水期以外的大部分时间，丁坝工作在不漫水丁坝状态，有较大的调治水流和稳定河床的作用。大洪水期间，丁坝坝顶淹没，不

10、会过多阻挡水流，避免坝头过深冲刷。被淹没的丁坝之间河底流速仍然很小，仍可发挥其护岸作用。因此，桥头防护和沿河路基防护，漫水坝及漫水坝群应用较多。2.不漫水丁坝：坝顶高于设计洪水位在平原区或半山前区的宽滩地段，水流易于摆动，流速较小。不漫水丁坝挑水能力强，相应地坝头冲刷也很严重。常用于挑开高洪水流，保护河岸和河滩引道路堤。20 漫水丁坝21 不漫水丁坝22丁坝长度愈大，坝头冲刷愈深，挑流能力愈强，对上下游甚至对丁坝长度愈大，坝头冲刷愈深，挑流能力愈强，对上下游甚至对岸的影响愈大，一般不宜采用过长的丁坝。岸的影响愈大，一般不宜采用过长的丁坝。不透水丁坝长度最大不应超过河槽宽度的不透水丁坝长度最大不

11、应超过河槽宽度的15%15%；桩、排架等组成；桩、排架等组成的透水丁坝，透水性达到的透水丁坝，透水性达到80%80%时，不得超过河槽宽度的时，不得超过河槽宽度的35%35%。山区。山区河流桥头及沿河路堤的丁坝不宜超过河流桥头及沿河路堤的丁坝不宜超过10m10m。丁坝群一般可做成整条（挑脚丁坝群一般可做成整条（挑脚a=90a=90），其中），其中1 1号坝做正挑，其号坝做正挑，其长度取后坝的一半，长度取后坝的一半，1 1号坝也可做成下挑。号坝也可做成下挑。23丁坝不漫水时，坝头冲刷的原理和计算方法与桥台基本相同，但漫水丁坝的冲刷是因底流坝头绕流所致，随坝顶漫水(淹没)深度的增大而减小。丁坝冲刷深

12、度计算可根据下式引入边坡减冲系数和漫水减冲系数计算：0.200.501.95szam smhFrAC C c 式中：hs丁坝头附近最大冲刷深度Fr堤头行近水流弗若德数Az丁坝阻水面积H 行进水流平均水深Ca 挑角系数Cm 边坡减冲系数Csm 漫水减冲系数24对于直河岸丁坝对于凹岸丁坝 式中：h淹没深度即水面到坝顶的深度 h/h淹没深度丁坝下游的回流长度LH式中：LH丁坝下游沿河岸回流区长度 LD 丁坝阻水长度 C0 谢才系数0.51()smhCh 0.51 0.5()smhCh 2020(ln0.58)0.05DHDDC hLBLLC hBL25第三节第三节 计算实例计算实例【例8-3-1】第

13、六章计算实例中的公路桥，左岸有较快的河滩，左岸桥台前墙桩号为K0151+604.00，幽暗桥台前墙桩号为K0151+724.00。左岸炉体阻水长度达104m，只是左岸桥台冲刷较严重。试在左岸桥台处修建一个圆曲线组合型导流堤，设计导流堤曲线和横断面，计算堤头冲刷深度。261 圆曲线组合堤轴线设计根据地形取上游堤端圆心角1=60，下游堤端圆心角 d=45。河滩宽度Btd=121.27m河滩平均水深ht=2.61m河滩流量Qtd=316m3/s路堤阻拦流量Qte=260.45m3/s Qda=316m3/s Qxi=0偏置系数E=1.0，宽深比系数k=15计算 7/801020118.22()100

14、.54.11()0.252.06()tdtetdRQERmkQRRmRRm27上游堤长度下游堤长度 导流堤轴全长012264180 =9.69(m)stRRSR0236180 =2.33(m)dxtSRR9.692.3312.02()tstxtSSSm282 导流堤上游端附近的冲刷取上游堤头到水边距离L=104m断面水面宽度B=229.95m阻拦水流Fr=0.0387堤头天然水深h=2.61m 迎水面堤头附近冲刷深度导流堤最低冲刷线高程0.420.383.37 =1.65(m)smLhFrhCBmin63.652.61 1.5159.39()stsHHhhm29End of chapter 8

15、 30作业：作业：P190 习题：习题：第九章第九章 小桥和涵洞孔径计算小桥和涵洞孔径计算小桥：是为公路跨越小河流、山谷等天然或人工障碍物（人行小道）而建造的构筑物。涵洞：为宣泄地面水流（包括小河流）而设置的横穿路基的小型排水构筑物。一般孔径较小，形状有管形、箱形及拱形等。公路工程技术标准JTG B01-2003u保证“路基”连续；u保证水流畅通；u保证行车无阻。作用：影响：u小桥涵影响到公路的造价（15-20%）；u小桥涵影响到公路使用；u小桥涵影响到生产生活。公路在跨越河沟、溪谷和灌溉渠道时，需公路在跨越河沟、溪谷和灌溉渠道时，需修建各种排水构造物，其中以小桥、涵洞修建各种排水构造物，其中

16、以小桥、涵洞居多。居多。一般在平原区一般在平原区每公里约每公里约13座，山区约座，山区约35座。座。据已建公路统计，小桥涵的工程投资据已建公路统计，小桥涵的工程投资约占公路约占公路总投资的总投资的15%20%，其投资总额，其投资总额为大、中桥的为大、中桥的24倍倍左右。左右。小桥涵孔径大小应根据设计流量、河床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特性及河床进出口加固类型所允许的平均流速等来确定。均流速等来确定。小桥涵孔径计算的目的在于合理确定桥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、涵孔径大小、河床加固的类型和尺寸、壅水高度、桥涵处路基

17、和桥涵顶面的最壅水高度、桥涵处路基和桥涵顶面的最低高程。低高程。第二节 小桥孔径计算一 水流通过小桥的图式 在多数情况下，通过小桥桥下的水流受到压缩，水流在进入桥孔时会发生侧收缩，使桥孔过水断面面积减小，上游水位抬高。小桥的水流图式与宽顶堰相同，一般采用宽顶堰理论作为小桥孔径计算的理论依据。水流通过小桥的可能图式，按下游水深的大小可分为自由式出流与淹没式出流两种。一 水流通过小桥的图式1自由式出流 下游的天然水深 ht=l.3hk 时，桥下水流图式下图所示，桥下水深为临界水深hk。这种图式称为自由式出流。一 水流通过小桥的图式2、淹没式出流 下游的天然水深htl.3hk时，桥下的水深为天然水深

18、ht。称为淹没式出流。二 小桥孔径计算 通常是根据天然河床土质情况选定加固河床的类型，并据此确定允许流速（查表得到）。计算通过设计流量时，按临界水流状态设计，根据设计流量计算孔径大小和桥前壅水水深，然后与允许的桥前水深值比较，从而判断是否要调整孔径大小。若桥前壅水水深超过实际允许的桥前水深值，则应增大孔径，使桥前壅水水深降低至允许值。二 小桥孔径计算 通常是根据天然河床土质情况选定加固河床的类型，并据此确定允许流速（查表得到）。容许流速查表。二 小桥孔径计算 1 判别桥下水力图式1）确定河槽天然水深ht 按照水力学 明渠均匀流公式，采用试算法确定天然水深。即先假定一个天然水深值，按照下式计算流

19、量，并与设计流量对比，相差不超过5时，可以认为假定水深即为所求天然水深。否则要重新假定水深。21321iRnAAVQ二 小桥孔径计算 1 判别桥下水力图式2）确定河槽桥下临界水深hk 按照临界水深函数求得hk：则平均临界水深为：（vk取为河床容许流速）32kskAaQBg222skkkQvhA gg二 小桥孔径计算 1 判别桥下水力图式若为矩形断面或宽浅梯形断面，有临界断面水面宽度为：其中m为边坡系数。242kkkkkBBmB hhm323kskskA gQ gBQv二 小桥孔径计算 1 判别桥下水力图式 3）水流图式判别 ht=l.3hk 时，桥下水流为自由式出流。htl.3hk时，为淹没式

20、出流。二 小桥孔径计算n 2 确定通过设计流量时需要的小桥孔径长度L1）自由式出流，水面宽度为：为水流挤压系数。由桥墩形状查表得到。3skQ gBNdv二 小桥孔径计算n 2 确定通过设计流量时需要的小桥孔径长度L若为矩形断面，则桥孔长度L=B；若为梯形断面，则桥孔长度为：L=B+2mh h为小桥上部结构高出水面的高度二 小桥孔径计算n 2 确定通过设计流量时需要的小桥孔径长度L2）淹没式出流，桥下过水断面的平均宽度为：若为矩形断面，则桥孔长度L=B0；若为梯形断面，则桥孔长度为：L=B0+2m（ht/2+h）0skbcQBNdh v二 小桥孔径计算n 2 确定通过设计流量时需要的小桥孔径长度

21、L 若桥孔轴线与水流方向斜交，则斜交桥孔长度为：cosLLa二 小桥孔径计算2 确定通过设计流量时需要的小桥孔径长度L 根据计算所得到的桥孔长度选用标准跨径，两者相差应小于或等于10。否则要用选用的标准桥孔长度，反算桥下流速和临界水深，复核水流图式。如有变化需重新设定L,直至满足条件。二 小桥孔径计算3 确定桥前水深H（根据能量方程）1）自由出流：其中为流速系数，是由水流进入桥孔时的局部水头损失而引起的。在桥台形状已知时可查表得到。vH 桥前水深为H时的桥前断面的行进流速22222kHkvvHhgg二 小桥孔径计算3 确定桥前水深H（根据能量方程）2）淹没出流 V为采用的桥孔长度计算的桥下流速

22、。22222HtvvHhgg二 小桥孔径计算 4 确定路基和桥面最低标高桥头路基最低标高河床最低点标高+H+桥面最低点标高河床最低点标高+H+J+D第三节 涵洞孔径计算一 水流通过涵洞的水力图示 无压力式。半压力式。压力式。二 涵洞孔径计算 涵洞孔径计算步骤 1)根据涵位处的地形、地质和水文条件，结合路基设计标高和河床底面标高等选择涵洞类型。2）根据设计流量和涵洞类型，查标准图中各类涵洞的泄水能力及水力计算表，选择适当的结构型式、跨径及台高。3)根据涵洞类型和相应的计算公式，计算涵前水深并核算出口处或收缩断面处的流速是否超过允许流速;当超过允许流速时，应重新选择跨径。涵洞类型 涵洞由洞身、洞口

23、、基础三个部分组成。洞身构成了路堤下的一个过水孔道，它要承受涵洞上填土的垂直与侧向的土压力以及活载压力。基础把涵洞所受的荷载均匀地分布和传递到土基上，并使地基免受水流的直接冲刷。洞口用以连接洞身与上下水流，使水流能顺畅地通过洞身，并保证洞口周围的路基边坡免遭冲刷。第四节 小桥和涵洞进出口处理涵洞类型 根据涵洞洞身的构造型式不同，涵洞可分为圆管涵、拱涵、盖板涵和箱涵等。涵洞类型1）圆管涵 孔径一般为0.51.5m，最小填土厚度50cm，受力情况良好，圬工数量小，造价较低。多孔时不宜超过三个。其一般构造图如下：涵洞类型 2）盖板涵其结构型式在低填土路基上设置有利，还可以做成明涵。3)拱涵是一种常用

24、的型式，其超载潜力大，砌筑技术易掌握，便于就地取材。4)箱涵适用于软土地基，但因施工困难，造价较高，一般不常采用。涵洞洞口形式的选择涵洞洞口形式的选择 八字翼墙式或锥形护坡式 在洞口设敞开斜置的翼墙，平面上呈八字式。为缩短翼墙长度、减少工程数量，其末端常做成矮墙。这种洞口型式适用于平坦顺直、河沟较宽、纵断面高差变化不大的河沟和孔径有一定压缩的情况。它具有工程量小，水力条件较好，施工简单，一般认为涵洞高度在5m以下较为经济等优点，因而是最常用的洞口型式。一、跌水的水力计算一、跌水的水力计算 当山坡较陡时，可在桥涵的上游或下游设置具有消能设施的跌水，使水流在该消能设施在产生淹没式水跃，消耗水流的动

25、能，并将水流从急流转变为缓流。这样就可使水流安全通过桥涵或使水流平稳的进入下游沟渠。第五节第五节 山区小桥和涵洞进出口水力计算山区小桥和涵洞进出口水力计算 跌水的计算一般确定两个数值，即消力池的深度消力池的深度d和消力池的长度和消力池的长度l。过水断面为矩形的跌水消力池计算方法如下：初估一个消力池的下挖深度d 计算收缩断面的水深和流速ckchhPdgv5.12ccBVQh 计算hc的水跌共轭水深h 验算假定的池深是否合适 为使消力池产生淹没水跃，通常采用：若此式成立，则假定的池深d是合适的，不成立，则应适当调整池深重新计算。)181(23ckcchhhh1.1 hdht 计算水流的射流长度L1 计算水跃长度L2ghPdvLkk221cchhL32 计算消力池的池长L 水跃所需的铺砌长度L020)0.35.2(LL 21LLL 二、急流槽的水力计算二、急流槽的水力计算 急流槽的作用是将落差很大的水流从上游引至涵洞或将出水口水流引至下游河道。急流槽是由进急流槽是由进门、急流槽、消能设施和出口门、急流槽、消能设施和出口组成。急流槽水力计算的目的是确定急流槽内的水深急流槽内的水深、流速流速，绘制陡坡段的水面曲线，确定急流槽末端消力池或消力槛的几何尺寸。急流槽的宽度一般与桥涵孔径大致相仿。