CN106087783A - 一种泥石流区u型涵洞水力断面尺寸设计方法 - Google Patents

Abstract

涵洞作为路基顺接性的重要构造物，合理有效的涵洞型式能发挥特殊地区排导疏浚功能，现行条件下路基涵洞的设计主要依据桥涵设计规范及工程经验设计垮沟涵洞，但这种设计方式不能根据不同的泥石流沟特征值快速合理的确定拟建U型涵洞最佳排泄能力，同时也不能确定其水力最佳断面的形状和尺寸，有效防止泥石流地区涵洞淤塞等，故需要提供一种新的设计方法，包括计算U型涵洞水力最佳断面特征参数、过流断面最佳水力要素条件、水力半径，以此确定U型涵洞水力最佳断面的尺寸参数。

Description

一种泥石流区U型涵洞水力断面尺寸设计方法

技术领域

本发明涉及公路泥石流涵洞设计技术领域，具体涉及一种泥石流区U型涵洞水力断面尺寸设计方法。

背景技术

涵洞作为路基顺接性的重要构造物，合理有效的涵洞型式能发挥特殊地区排导疏浚功能，能够大量减少涵洞的毁损和交通运输的正常运营。现行条件下路基涵洞的设计主要依据桥涵设计规范及工程经验设计垮沟涵洞，但这种设计方式不能根据不同的泥石流沟特征值快速合理的确定拟建U型涵洞最佳排泄能力，同时也不能确定其水力最佳断面的形状和尺寸，有效防止泥石流地区涵洞淤塞等，故需要提供一种新的设计方法。

发明内容

为了能够快速合理的确定水力最佳断面的形状、尺寸，本发明提供一种泥石流区U型涵洞水力断面尺寸设计方法。

本发明是通过如下技术方案来实现的：

一种泥石流区U型涵洞水力断面尺寸设计方法，所述U型涵洞水力断面包括半椭圆形铺底、两侧涵洞梯形侧墙内墙面及加厚盖板组合形成的截面，所述泥石流区U型涵洞水力断面尺寸设计方法包括以下步骤：

S1：采用下式(1)计算U型涵洞水力最佳断面特征参数λ；

$\mathrm{\λ}=\frac{j\[(\sqrt{1+i^2}-(0.507+j)\]}{i(0.507+j)-j\sqrt{1+i^2}}---\left(1\right)$

S2：采用下式(2)计算U型涵洞过流断面最佳水力要素条件M；

$M=\frac{4{\[\mathrm{\λ}\sqrt{1+i^2}+(0.507+j)\]}^2}{{\mathrm{\λ}}^{2}i+2\mathrm{\λ}j+j}---\left(2\right)$

S3：采用下式(3)计算U型涵洞最佳水力过流断面对应的水力半径R；

$R=\frac{1}{{H_c}^{2/3}{I_c}^{1/4}}\sqrt{\frac{Q}{K_c{\mathrm{Mm}}_c}}---\left(3\right)$

S4：采用下式(4)、(5)和(6)分别计算U型涵洞水力最佳断面的尺寸参数，包括，半椭圆形铺底结构的长半轴a及短半轴b，水力断面深度H₁；

$a=\frac{MRj}{2\[\mathrm{\λ}\sqrt{1+i^2}+(0.507+j)\]}---\left(4\right)$

$b=\frac{MR}{2\[\mathrm{\λ}\sqrt{1+i^2}+(0.507+j)\]}---\left(5\right)$

$H_1=h_1+b+J=\frac{\mathrm{\λ}MR}{2\[\mathrm{\λ}\sqrt{1+i^2}+(0.507+j)\]}+b+J---\left(6\right)$

上述各式中，λ为U型涵洞水力最佳断面特征参数，无单位；i为U型涵身侧墙内侧坡率，无单位；j为泥石流沟在设置涵洞处的横坡率，根据布置U型涵洞的泥石流沟处横坡比取值，无单位；M为流断面最佳水力要素条件，无单位；Q为单位时间内穿过U型涵洞泥石流的设计流量，单位为m³/s；I_c为U型涵洞铺底纵比降，单位为％，根据实际地形调查获得；Hc为穿过U型涵洞泥石流所留痕迹位置与涵洞基础之差，即最大泥深，单位为m；m_c为Л.В巴克诺夫斯基糙率系数，无单位，其值可以根据不同泥石流沟堵塞情况或泥石流沟泥石流痕迹调查获得；K_c为泥石流流速修正系数，K_c∈[1.15，5.00]，无单位；h₁为U型涵洞水力最佳断面对应的涵身深度，单位为m；J为涵洞净空安全值，单位为m，其取值范围为1.0m～2.0m；a为半椭圆形铺底结构的长半轴，单位为m；b为半椭圆形铺底结构的短半轴，单位为m；H₁为水力断面深度，单位为m。

进一步的，对于采用C30或C25混凝土或钢筋混凝土建造的U型涵洞，采用下式(7)计算涵洞结构设计年限内所述一种泥石流区U型涵洞水力断面半椭圆形铺底的最小厚度d；

d_min＝tK_m

式中，d_min为U型涵洞水力断面半椭圆形铺底的最小厚度，单位为m；t为涵洞设计年限，单位为年；K_m为泥石流沟面蚀率，单位为cm/年。

作为优选，对于泥石流容重小于等于19.6kN/m³的水石流或稀性泥石流，最大流速小于12m/s的泥石流涵洞，采用本发明U型涵洞水力断面设计方法设计U型涵洞水力断面

本发明产生的有益效果是能够快速合理确定拟建U型涵洞最佳排泄能力，同时确定其水力最佳断面的形状、尺寸，有效防止泥石流地区涵洞淤塞等。

附图说明

图1为本发明一种U型涵洞水力断面示意图。

图中：(1)加厚盖板、(2)涵洞梯形侧墙、(21)涵洞梯形侧墙内墙面、(22)涵洞梯形侧墙外墙面、(3)曲线型铺底结构、(7)涵洞基础、(8)缓冲层、(11)地基、a为半椭圆形铺底结构长半轴、b为半椭圆形铺底结构短半轴、J为涵洞净空高度、H₁为水力断面深度。

具体实施方式

下面将根据附图结合具体实施例详细地描述：

结合新建某高速公路推荐线K线K31+400～K31+700为例具体说明本发明。在本实施例中，新建高速公路K线横跨沟口采用路基涵洞通过，拟建涵洞为曲线型铺底U型涵洞，其U型涵洞水力断面形状如图1所示，所述沟口源头高程2858m，沟口高程1560m，高差1298m，属于常年流水沟，雨季为水石流或稀性泥石流沟，容重为1.36～1.81t/m³，能搬运大大小小的石头，紊动强烈，下游淤积区泥深1.0～2.5m，最大流速10m/s。

在本实施例中，将U型涵洞设计参数侧墙坡率i＝0.2和U型涵洞处的横坡率j＝2.5，通过下面公式：

$\mathrm{\λ}=\frac{j\[(\sqrt{1+i^2}-(0.507+j)\]}{i(0.507+j)-j\sqrt{1+i^2}}$

计算出U型涵洞水力最佳断面特征参数λ＝2.55。

进一步的，通过公式：

$M=\frac{4{\[\mathrm{\λ}\sqrt{1+i^2}+(0.507+j)\]}^2}{{\mathrm{\λ}}^{2}i+2\mathrm{\λ}j+j}$

计算过流断面最佳水力要素条件M＝7.59。

进一步的，在本实施例中，对单位时间内穿过U型涵洞泥石流设计流量取值Q＝164.45m³/s，U型涵洞铺底纵比降Ic＝0.06，穿过U型涵洞泥石流所留痕迹位置与涵洞基础之差H_c＝2.5m，据现场调查分析，Л.В巴克诺夫斯基糙率系数m_c＝4.2，泥石流流速修正系数K＝5.0，通过公式：

$R=\frac{1}{{H_c}^{2/3}{I_c}^{1/4}}\sqrt{\frac{Q}{K_c{\mathrm{Mm}}_c}}$

计算U型涵洞最佳水力过流断面对应的水力半径R＝1.12m

进一步的，对涵洞净空高度J取值为J＝2m，通过下述公式：

$b=\frac{MR}{2\[\mathrm{\λ}\sqrt{1+i^2}+(0.507+j)\]}$

$a=\frac{MRj}{2\[\mathrm{\λ}\sqrt{1+i^2}+(0.507+j)\]}$

$H_1=h_1+b+J=\frac{\mathrm{\λ}MR}{2\[\mathrm{\λ}\sqrt{1+i^2}+(0.507+j)\]}+b+J$

计算出：下部半椭圆形铺底结构长半轴a＝2.48m，短半轴b＝0.99m，水力断面深度H₁＝h₁+b+J＝1.93+0.99+2＝4.92m。

对计算值进行调整，得到U型涵洞水力断面设计值为：

下部半椭圆形铺底结构长半轴a＝2.5m，短半轴b＝1.0m，水力断面深度H₁＝5.0m，。

进一步的，在本实施例中采用C30钢筋混凝土建造U型涵洞，通过调查分析，泥石流沟面蚀率为1.2cm/年，涵洞主体结构按50年设计年限内计算采用下式计算铺底最小厚度：

d_min＝tK_m＝50×0.012＝0.6m

因此，涵洞结构按50年设计年限内所述U型涵洞水力断面半椭圆形铺底的最小厚度为0.6m。

应理解实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作任何各种改动和修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限制。

Claims (3)

1.一种泥石流区U型涵洞水力断面尺寸设计方法，其特征在于：所述U型涵洞水力断面包括半椭圆形铺底、两侧涵洞梯形侧墙内墙面及加厚盖板组合形成的截面，所述泥石流区U型涵洞水力断面尺寸设计方法包括以下步骤：

S1：采用下式(1)计算U型涵洞水力最佳断面特征参数λ；

$\mathrm{\λ}=\frac{j\[(\sqrt{1+i^2}-(0.507+j)\]}{i(0.507+j)-j\sqrt{1+i^2}}---\left(1\right)$

S2：采用下式(2)计算U型涵洞过流断面最佳水力要素条件M；

$M=\frac{4{\[\mathrm{\λ}\sqrt{1+i^2}+(0.507+j)\]}^2}{{\mathrm{\λ}}^{2}i+2\mathrm{\λ}j+j}---\left(2\right)$

S3：采用下式(3)计算U型涵洞最佳水力过流断面对应的水力半径R；

$R=\frac{1}{{H_c}^{2/3}{I_c}^{1/4}}\sqrt{\frac{Q}{K_c{\mathrm{Mm}}_c}}---\left(3\right)$

S4：采用下式(4)、(5)和(6)分别计算U型涵洞水力最佳断面的尺寸参数，包括，半椭圆形铺底结构的长半轴a及短半轴b，水力断面深度H₁；

$H_1=h_1+J=\frac{\mathrm{\λ}MR}{2\[\mathrm{\λ}\sqrt{1+i^2}+(0.507+j)\]}+J---\left(4\right)$

$b=\frac{MR}{2\[\mathrm{\λ}\sqrt{1+i^2}+(0.507+j)\]}---\left(5\right)$

$a=\frac{MRj}{2\[\mathrm{\λ}\sqrt{1+i^2}+(0.507+j)\]}---\left(6\right)$

上述各式中，λ为U型涵洞水力最佳断面特征参数，无单位；i为U型涵身侧墙内侧坡率，无单位；j为泥石流沟在设置涵洞处的横坡率，根据布置U型涵洞的泥石流沟处横坡比取值，无单位；M为流断面最佳水力要素条件，无单位；Q为单位时间内穿过U型涵洞泥石流的设计流量，单位为m³；Ic为U型涵洞铺底纵比降，单位为％，根据实际地形调查获得；Hc为穿过U型涵洞泥石流所留痕迹位置与涵基之差，即最大泥深，单位为m；m_c为Л.В巴克诺夫斯基糙率系数，无单位，其值可以根据不同泥石流沟堵塞情况或泥石流沟泥石流痕迹调查获得；K_c为泥石流流速修正系数，K_c∈[1.15，5.00]，无单位；h₁为U型涵洞水力最佳断面对应的涵身深度，单位为m；J为涵洞净空安全值，单位为m，其取值范围为1.0m～2.0m；a为半椭圆形铺底结构的长半轴，单位为m；b为半椭圆形铺底结构的短半轴，单位为m；H₁为水力断面深度，单位为m。

2.根据权利要求1所述的一种泥石流区U型涵洞水力断面尺寸设计方法，其特征在于：对于采用C30或C25混凝土或钢筋混凝土建造的一种泥石流区U型涵洞，采用下式(7)计算涵洞结构设计年限内所述一种泥石流区U型涵洞水力断面半椭圆形铺底的最小厚度d；

d_min＝tK_m

式中，d_min为U型涵洞水力断面半椭圆形铺底的最小厚度，单位为m；t为涵洞设计年限，单位为年；K_m为泥石流沟面蚀率，单位为cm/年。

3.一种权利要求1或2所述的泥石流区U型涵洞水力断面尺寸设计方法的应用，其特征在于：对于泥石流容重小于等于19.6kN/m³的水石流或稀性泥石流，最大流速小于12m/s的泥石流涵洞，采用权利要求1或2所述泥石流区U型涵洞水力断面尺寸设计方法设计U型涵洞水力断面。