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行滞洪区桥涵构造物过流能力的水力计算探讨

[收录:2013-11-22] [作者:杨苏汀,刘小平,张艳艳,王桂宾] [服务:论文代写代发] [字体: ]
内容摘要:行滞洪区桥涵构造物过流能力的水力计算探讨,摘 要:本文以穿越共产主义渠卫共行滞洪区的获新高速公路路段为例,结合当地实测水文资料、桥梁设计资料,对行滞洪区进行百年一遇洪水集水流域产流计算和路堤漫流流量计算,桥、涵、通道等构造物的设计过水流量按其过水断面面积比来分割确定,选取不同的水力计算方法对各构造物进行过流能力计算,根据计算结果分析了桥涵孔径设计的合理性。

行滞洪区桥涵构造物过流能力的水力计算探讨,摘 要:本文以穿越共产主义渠卫共行滞洪区的获新高速公路路段为例,结合当地实测水文资料、桥梁设计资料,对行滞洪区进行百年一遇洪水集水流域产流计算和路堤漫流流量计算,桥、涵、通道等构造物的设计过水流量按其过水断面面积比来分割确定,选取不同的水力计算方法对各构造物进行过流能力计算,根据计算结果分析了桥涵孔径设计的合理性。

关键词:桥涵构造物,行滞洪区,水力计算,孔径设计本文由教育大论文下载中心WwW.JiaoYuDa.CoM整理

1.引言

近年来,我国的高速公路事业进入了快速发展的阶段,高速公路的线路受地形、投资和其他条件的制约往往不得不直接穿越一些大范围的行滞洪区,行滞洪区是洪水季节为缓解水库、河道蓄泄能力不足的矛盾,在平原地区宽浅性河流两岸利用湖泊、洼地和部分农田进行临时行洪、滞洪的区域,通常依据河流的大小、河床底标高与两侧大地标高的高差和两岸河堤的加固等级来确定它的流域面积。行滞洪区拥有不良工程水文地质条件,在行滞洪区修建高速公路,当行滞洪区上游流域产生暴雨洪水时,由于路基的堤坝作用,将阻碍洪峰洪水向路基另一侧区域漫流,影响洪峰坦化,洪水下泄速度加快,增加下游堤防的压力。因此,公路路基应设置拥有足够过水断面的桥、涵、通道等构造物实现过流,保证涨水时,洪水顺利漫流。水利工作者需要在规划设计阶段进行对桥、涵、通道等构造物过流能力的分析评估,本文选取穿越行滞洪区的获新高速公路路段作为研究对象,运用水力学方法进行桥涵构造物过流能力的水力计算,可为行滞洪区防洪评价提供参考。

2.工程概况

济东高速获嘉至新乡段是济源至东明高速公路的组成部分,长51.9km。根据工程需要,该项目路段将穿越新乡市区北部的卫共行滞洪区,区内路段长17km,两次跨越共产主义渠,上下游分别建有卫共行洪区特大桥和京广铁路-共产主义渠特大桥两座。两桥之间约12km的路段走向基本与共产主义渠高水流向一致。该路段为设计时速120km/h的四车道高速公路。路基宽28m,桥面总宽2×13.5m 。路基、大中桥、涵洞及其它小型排水物设计洪水频率为1/100。

共产主义渠属海河流域南运河水系。共产主义渠大沙河入口以下历史上就是行洪洼地。1957—1958年为向河北、山东两省输送灌溉用水,开挖了大型输水渠道,即现在的共产主义渠。渠道底宽80—60米,边坡1:2—1:2.5,纵坡1/6000—1/8000,设计输水能力200m3/s。1962年,共产主义渠停止引黄,成为单一的泄洪排涝河道。合河以上共产主义渠涝水,大沙河来水及北部太行山洪水,均通过共产主义渠市区段下泄。共产主义渠位于大行山前倾斜平原和黄河冲积平原的交接带,流域和河流一样成西南东北走向,左岸傍太行山,山前洪积平原和黄河冲积平原由于山势陡峻,植被稀少,每遇暴雨,山洪陡涨。

3.洪水期向路北串流流量的计算

卫共行洪区特大桥和京广铁路-共产主义渠特大桥之间约12km的路段走向基本与路南的共产主义渠洪水流向一致,当河道上游来洪水时,路基相当于堤坝阻碍洪水向路北漫流,影响洪峰坦化,造成河道洪水过快下泄,增加下游堤防的压力。因此,只有这段路基留有足够的桥涵过水断面,才能保证行洪时,洪水及时向路北漫流。

根据合河水文站百年一遇洪水时的洪水位涨率与路堤以北行洪区面积分析,得到洪水位与对应穿越路堤流量关系,见图1。由此确定百年一遇洪水时,穿越路堤的设计洪水流量为370m3/s。

 

4. 构造物过流能力水力计算

4.1 设计流量分割

该路段共有涵洞12个、桥2个、通道12个,孔径(过流能力)验算三者需要各自分开进行。由水文资料,百年一遇洪水时,位于上游的卫共行洪区特大桥桥前水位为H=77m,滞洪区百年一遇洪水时水面坡降J=0.00018,根据构造物与特大桥的水平距离求取构造物进口水位落差,进而得到构造物进口水位,比较进口地面高程来判断百年一遇洪水时构造物是否过水。由计算结果知:桥和涵洞均过水;3个通道不过水,仅有7个孔径6m和2个孔径8m的通道过水。

桥、涵、通道过水断面面积A桥:A涵:A通道分别为397.8 m3/s、56 m3/s、203 m3/s。百年一遇洪水时桥、涵、通道各自设计过水流量Q桥、Q涵、Q通道按其过水断面面积比来分割确定,计算得Q桥、Q涵、Q通道分别为302 m3/s、42.5 m3/s、154 m3/s。

4.2 涵洞过流能力计算

涵洞是根据连通器的原理,用砖、石、混凝土和钢筋混凝土等材料修筑于路面下的过水构造物。让水从公路的下面流过再翻到地面上来,形状有管形、箱形、及拱形等。滞洪区内路堤共有14个高*宽为2.0*2.0m的箱形涵洞。根据各涵洞尺寸及边界条件特点,可以认为各涵洞的过流能力近似是相同的,平均分摊涵洞总分割流量,则单个涵洞设计过流量2.25 m3/s。

高速公路路面宽度28m,且路面距地面呈梯形断面,梯度为1:1.5,则涵洞平均长度为梯形断面的下底边长。这里取路堤高近似等于特大桥附近路堤平均高度,则涵洞平均长度为梯形断面的下底边长为L=58m。

按有压涵洞的淹没出流计算,采用如下公式:

(3)

其中,△Z — 涵洞进出口断面水位差 (m); — 流速系数, ;ζ1 — 入口损失系数查表取0.25; g — 重力加速度取9.8m2/s; A — 过水断面面积,m2;ζ3 — 沿程阻力系数 , ,C — 谢才系数,R — 水力半径,n — 糙率。

表1 单个涵洞过流能力计算表

A (m2) χ(m) R(m) n L(m) ζ1 ζ3 φ Q设计(m3/s) △Z(m)

2 4 0.5 0.02 58 0.25 1.15 0.65 2.25 0.038

由于路堤设计超高,按照设计过水流量计算所得的涵洞进出口两断面水位差△Z远小于涵洞边界尺寸,设计涵洞孔径满足泄洪要求。

4.3 桥和通道过流能力计算

滞洪区内路堤共有桥两座,分别为桩号为K57+270的民生渠中桥,共有3孔,单孔孔径为20m,孔净高4.78m;桩号为K55+080的小桥,共有2孔,单孔孔径为13m,孔净高4.27m。

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