涵洞水力计算

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涵洞水力计算，目的在于确定涵洞孔径及下游连接段的型式和尺寸。涵洞过水依其上游管口被淹没的情况，分为无压涵洞、半有压涵洞和压力涵洞三种。

(一)无压涵洞(图2－7－39)

图2－7－39 无压涵洞

1．条件 对圆形、拱形涵洞，当洞前水深H≤1．1a时；对矩形涵洞，当H≤1．2a时，均为无压涵洞(a为洞身高度、H为涵前水深)。

2．判别短洞与长洞 凡洞长不致使下游洞口水深(h)达到淹没程度和对泄流量不发生影响的涵洞为“短洞”，反之为“长洞”。渠道涵洞多属短洞。长、短洞的界限大致如下：

当涵洞底坡i≈0时，如果洞长在下列范围内即为短洞：

l＜(5～12)H (2－7－40)

反之为长洞。

式中 H——上游水深(m)

当涵洞底坡0＜i＜i_K，但接近i_K时，按式(2－7－40)计算的上限值应增加30%左右。

当涵洞底坡i＞i_K，且／≥4H时，就没有短洞和长洞的区别，应按短洞进行水力计算。

3．水力计算公式

(1)短洞

式中 H_o——计入行近流速水头的上游洞底以上水头(m)

b——矩形断面涵洞底宽(m)，若涵洞为非矩形断面，

h_K——临界水深(m)，按图2－7－40求解

图2－7－40 梯形、矩形、圆形断面临界水深求解图

h_h－临界水深 Q－流量 α－动能修正系数 g－重力加速度 m－梯形边坡系数 b－梯形底宽 d－圆形直径

ω_K——相应于h_K时的过水断面面积(m²)

m——流量系数一般取m=0．32～0．36；若进口翼墙较平顺，断面缩窄较小，应取较大的m值，反之应取较小的m值

(2)长洞 无压长洞的过水能力，可用短洞的计算公式乘上淹没系数(σ_m)进行计算。

式中 m——流量系数，按(2－7－41)式中的m值确定

σ_n——淹没系数，σ_n=f()，可按图2－7－41查用。对于非矩形断面的涵洞，应以代替(ω_c、ω_HO分别为相应于h_c、H时的涵洞进水断面面积)

图2－7－41 σ_n=f()关系曲线

h_C——为进口段水深(m)，当涵洞较长且底坡0＜i＜i_K时，可采用h≈h(正常水深)

由于Q、H_O、h_O与σ_n各值相互影响，需用渐近法求解。初步计算可采用σ_n=0．75，即=0．9；然后再进行核算，通常有二、三次试算即可。

(二)半有压涵洞(图2－7－42)

图2－7－42 半有压涵洞

1．条件 当H＞1．2a、洞长l＜l_km时，为半有压涵洞，l_km=l_i+l_s+l_o。

在计算时，可近似地采用l_i=1．4a，l_O=1．3α，回水曲线长度l_s可由推算C₁型水面曲线决定。

2．水力计算公式

式中 μ——流量系数(表2－7－19)

表2－7－19 半有压涵洞μ与η值

η——修正收缩系数(表2－7－19)

ω——涵洞断面面积(m²)

a——涵洞高度(m)

(三)有压涵洞(图2－7－43)

图2－7－43 有压涵洞

1．条件 洞前水深H＞1．5α、洞长l＞l_km、洞底坡降0＜i＜i_k时，为有压涵洞；洞长l＞l_km、洞底坡降i＞i_k、洞内正常水深h_o＞a时，仍为有压涵洞。l_km的计算同半有压涵洞。

2．水力计算公式

式中 η——系数，一般η=0．85

l——涵洞长度(m)

μ——流量系数

式中 Σξ——进口、渐变段等阻力系数总和，一般Σξ=0．5

C——谢才系数

R——水力半径(m)

g——重力加速度(m／s²)