一種低成本抗水毀的小橋涵出水口防護設計方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于公路小橋涵設計技術領域，尤其是一種低成本抗水毀的小橋涵出水口防護設計方法。一種低成本抗水毀的小橋涵出水口防護設計方法，包括以下步驟：由目前已經的設計方法計算小橋涵設計洪水頻率的設計流量QP、確定小橋涵的參數(shù)、計算河溝的一般沖刷深度hp、選取小橋涵出口鋪砌所需要的片石粒徑大小、計算涵洞出水口處的水頭高度Hc、計算小橋涵出水口鋪砌所需的片石鋪砌長度L、計算片石鋪砌末端沖刷坑深度Δ和采取相應的構造措施。本發(fā)明采用的片石鋪砌施工時只需將片石按順序直接放置于出水口河床上，無需漿砌和堆疊。施工工藝簡單，易于推廣。本發(fā)明技術采用合理的片石鋪砌計算方法，能夠使出水口鋪砌防護有效滿足小橋涵抗水毀性能。
【專利說明】
一種低成本抗水毀的小橋涵出水口防護設計方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于公路小橋涵設計技術領域，尤其是一種低成本抗水毀的小橋涵出水口 防護設計方法。
【背景技術】
[0002] 公路小橋涵是公路跨越溝渠時，為渲泄溝渠水流而設置的橫穿公路的小型排水構 造物。由于公路修建后造成水流匯集至小橋涵處通過，小橋涵處的水深和水流速度均比自 然情況下增大。在小橋涵出水口處，水流流經涵洞出口后突然擴散，失去了涵洞側壁的約 束，水面會出現(xiàn)明顯下降，重力勢能轉變?yōu)閯幽?，水流速度明顯加快，會對天然溝渠的河床 進行沖刷破壞。一般采用在小橋涵出水口進行片石鋪砌的方法來對涵洞進行防護。但當洪 水來臨時，部分小橋涵會由于出口河床處鋪砌防護被沖毀而造成涵洞基礎被掏空外露，嚴 重影響了路基的穩(wěn)定，隨著公路建設里程的不斷增長以及厄爾尼諾現(xiàn)象的頻發(fā)，公路小橋 涵被洪水沖毀造成交通中斷的現(xiàn)象越來越多，每年造成數(shù)億元的經濟損失。
[0003] 現(xiàn)有的公路小橋涵出水口防護方法分為公式推理法和經驗法。公式推理法根據小 橋涵設計流量QP、河床土壤類別與小橋涵設計水流狀態(tài)（自由出流或淹沒出流)系數(shù)k和n， 根據公式l = kqn確定出水口河床的鋪砌長度L?；蛘甙葱蚝叨萮的1.6倍確定鋪砌長度 L;鋪砌的厚度δ-般采用20-35cm;在鋪砌末端設置垂直截水墻，截水墻的厚度為δ，截水墻 的埋置深度t按1.34倍的沖刷深度△設置。水流沖刷深度△包括水流沖刷深度、水躍沖刷深 度和偏斜沖刷深度，可根據水流速度v、下游正常水深h0等值計算而得。該方法有兩個缺點： (1)該計算方法鋪砌長度L和截水墻的深度t計算公式較為復雜，難以掌握；（2)按照該方法， 計算一座高h = 2m，寬W = 2m，設計流量為Q = 17.5m3/s的涵洞，其出水口鋪砌長度L = 15m，截 水墻的深度t = 3m。其計算所得的截水墻深度太大會導致施工困難，出水口鋪砌工程量較 大，顯然不經濟。現(xiàn)有公式推理方法的缺點造成了該方法難以推廣應用。
[0004] 而實際應用中多采用經驗法。在出水口溝渠河床鋪砌一定長度(涵洞為1.6倍涵洞 高，小橋為橋梁錐坡范圍內）的厚40cm的漿砌片石，在鋪砌末端設置埋置深度t = 1.2m的垂 直截水墻。該方法雖然設計施工較為簡單，但只是經驗的簡單總結，缺乏理論基礎，沒有按 照小橋涵的實際情況進行出水口防護設計，誤差較大。當洪水來臨時，極易出現(xiàn)公路小橋涵 及其兩側路基被沖毀，造成交通中斷。
[0005] 因此，如何合理的根據小橋涵所處位置的實際情況選擇小橋涵出水口防護方法， 進而提高小橋涵的抗水毀性能，對于確保公路交通安全具有重要意義。
[0006] 公開于該【背景技術】部分的信息僅僅旨在增加對本發(fā)明的總體背景的理解，而不應 當被視為承認或以任何形式暗示該信息構成已為本領域一般技術人員所公知的現(xiàn)有技術。

【發(fā)明內容】

[0007] 針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種低成本抗水毀的小橋涵出水口防護設計方 法。
[0008] 本發(fā)明是通過以下技術方案來實現(xiàn)的：
[0009] -種低成本抗水毀的小橋涵出水口防護設計方法，包括以下步驟：
[0010] 步驟一:根據公路小橋涵工程所處地理位置和項目等級，由目前已經的設計方法 計算小橋涵設計洪水頻率的設計流量Qp、確定小橋涵的高h、小橋涵寬W、涵洞臨界水深hk、洞 身臨界流速vk、洞身臨界坡度ik參數(shù)；
[0011] 步驟二:根據小橋涵跨越的河溝河床土壤類型，按照公式（1)和(2)計算河溝的一 般沖刷深度h P;
[0012] 非粘性土河床一般沖刷深度 」， 公式（1 )
[0013] 其中：QP為小橋涵設計洪水頻率的設計流量；ε為小橋涵收縮收縮系數(shù)，當小橋涵 為錐坡填土時取值0.9，當小橋涵有八字翼墻時取值0.85; w為小橋涵的寬度;hmax*小橋涵 下河溝水流的最大深度，一般取橋涵高度h j為小橋涵下河溝設計流量時的平均水深。VH可 查閱非粘性土壤水深為lm時的容許不沖刷流速表；
[0014] 粘性土河床一般沖刷深度hP 公式(2)
[0015]其中：IL為粘性土的液限指數(shù);其余均與公式⑴的參數(shù)意義相同；
[0016] 步驟三:根據計算所得的河床一般沖刷深度hP，選取小橋涵出口鋪砌所需要的片 石粒徑大小(片石粒徑d>l. 5hP);
[0017] 步驟四：根據公式(3)計算涵洞出水口處的水頭高度Hc: 剛
公式⑴
[0019] 其中：g為重力加速度值;其余參數(shù)意義與前面相同；
[0020] 步驟五:計算小橋涵出水口鋪砌所需的片石鋪砌長度L;
[0021] 由于河溝一般為寬淺式，其水力半徑R可近似按小橋涵下河溝設計流量時的平均 水深I，則謝才系數(shù)C可以按公式(4)計算：
[0022]
公式（4)
[0023]其中：η為片石的粗糙系數(shù)，一般可以取值0.03-0.05 j為小橋涵下河溝設計流量 時的平均水深；
[0024]假定水流從涵洞出口至片石鋪砌末端水頭高度減少25%，則根據公式（5)可計算 出片石鋪砌所需要的長度L:
[0025]
公式（5 )
[0026] 其中:A為片石鋪砌處河溝的過水面積;其余參數(shù)意義與前面相同；
[0027] 步驟六:計算片石鋪砌末端沖刷坑深度Δ ;
[0028] 片石鋪砌沖刷坑深度△包括水流沖刷深度△ 1、水躍沖刷深度△ 2和偏斜沖刷深度 A 3,其計算過程分別如公式(6)、公式(7)、公式(10);
[0029] 水流沖刷深度 Δ1:Δι =0/(Bxv/)-A 公式（6)
[0030] 其中：B為片石鋪砌處河溝平均寬度;ν'為河床土壤的容許不沖刷流速，查閱相關 表格可得;其余參數(shù)意義與前面相同；
[0031]水躍沖刷深度 Δ2:Δ2 =1.851^,(：〇/廣-5 公式（7)
[0032] 公式（8 )
[0033] 公式（9)
[0034] 其中:ΚΡ為系數(shù)，與小橋涵八字墻擴散角度有關，查閱相關表格可得;C為出水口鋪 砌加固長度系數(shù)，鋪砌越長，其系數(shù)越小，查閱相關表格可得；
[0035] 〇為折沖系數(shù)，一般取1.35 ;h"為鋪砌末端的躍后水深，Vi為鋪砌末端的水流速度， 其余參數(shù)意義與前面相同；
[0036] 偏斜沖刷深度 Δ 3:& = (2.81.: sin a)：^\+m7 -30d 公式（10 )
[0037] 其中：m為邊坡系數(shù);d為土壤粒徑(m) ;α為水流流向與河岸的交角，其余參數(shù)意義 與前面相同；
[0038]則片石鋪砌末端沖刷坑深度Δ可以由公式(11)計算可得：
[0039] Δ = Δι+Δ2+Δ3 公式（11)
[0040] 步驟七:采取相應的構造措施。根據所鋪砌片石的粒徑大小，選擇與之相匹配的粒 徑較小片石，填塞片石間空隙，提高片石之間的嵌擠力，以減小水流對片石和溝底土壤的沖 刷。
[0041 ]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下有益效果：
[0042] 1.原有推理公式法由于采用漿砌片石+截水墻鋪砌方案對小橋涵出水口進行防 護，計算出的鋪砌長度工程量過大，所需截水墻的設置深度過大，工程造價較高，截水墻的 施工難度大。本發(fā)明采用片石鋪砌替代現(xiàn)有技術，所計算出來的片石鋪砌長度明顯短于傳 統(tǒng)推理公式法計算的漿砌片石鋪砌長度，且不再需要設置截水墻即可有效減小鋪砌末端的 水流沖刷深度。鋪砌長度和面積顯著減小，在滿足公路小橋涵抗水毀性能的同時有效降低 了工程造價。
[0043] 2.本發(fā)明采用的片石鋪砌施工時只需將片石按順序直接放置于出水口河床上，無 需漿砌和堆疊。施工工藝簡單，易于推廣。
[0044] 3.原有經驗法采用的鋪砌長度和截水墻設置深度規(guī)定無理論基礎。隨著公路建設 的越來越多，由于經驗法未針對不同小橋涵采用不同的出水口防護方法，造成小橋涵的出 水口防護設計不合理，部分出水口防護工程量過大，造成工程浪費;部分小橋涵出水口防護 設施不足，導致在暴雨時小橋涵水毀現(xiàn)象嚴重。而本發(fā)明技術采用合理的片石鋪砌計算方 法，能夠使出水口鋪砌防護有效滿足小橋涵抗水毀性能。
【具體實施方式】
[0045] 下面結合實施例對本發(fā)明的【具體實施方式】進行詳細描述，但應當理解本發(fā)明的保 護范圍并不受【具體實施方式】的限制。
[0046] 除非另有其它明確表示，否則在整個說明書和權利要求書中，術語"包括"或其變 換如"包含"或"包括有"等等將被理解為包括所陳述的元件或組成部分，而并未排除其它元 件或其它組成部分。
[0047] 實施例1:
[0048] -種低成本抗水毀的小橋涵出水口防護設計方法，包括以下步驟：
[0049] 步驟一:根據公路小橋涵工程所處地理位置和項目等級，由目前已經的設計方法 計算小橋涵設計洪水頻率的設計流量Qp、確定小橋涵的高h、小橋涵寬W、涵洞臨界水深hk、洞 身臨界流速Vk、洞身臨界坡度ik參數(shù)；
[0050] 步驟二:根據小橋涵跨越的河溝河床土壤類型，按照公式（1)和(2)計算河溝的一 般沖刷深度hP;
[0051] 非粘性土河床一般沖刷深度h, 公式（1)
[0052] 其中：QP為小橋涵設計洪水頻率的設計流量；ε為小橋涵收縮收縮系數(shù)，當小橋涵 為錐坡填土時取值0.9，當小橋涵有八字翼墻時取值0.85; w為小橋涵的寬度;hmax*小橋涵 下河溝水流的最大深度，一般取橋涵高度h; 5為小橋涵下河溝設計流量時的平均水深。VH可 查閱非粘性土壤水深為lm時的容許不沖刷流速表；
[0053] 粘性土河床一般沖刷深度h 公式（2)
[0054]其中：II為粘性土的液限指數(shù);其余均與公式(1)的參數(shù)意義相同；
[0055]步驟三:根據計算所得的河床一般沖刷深度hP，選取小橋涵出口鋪砌所需要的片 石粒徑大小(片石粒徑d>l. 5hP);
[0056] 步驟四：根據公式（3)計算涵洞出水口處的水頭高度Hc:
[0057] , 公武（3)
[0058]其中：g為重力加速度值;其余參數(shù)意義與前面相同；
[0059]步驟五:計算小橋涵出水口鋪砌所需的片石鋪砌長度L;
[0060]由于河溝一般為寬淺式，其水力半徑R可近似按小橋涵下河溝設計流量時的平均 水深S，則謝才系數(shù)C可以按公式(4)計算： _]
公式（4)
[0062] 其中：η為片石的粗糙系數(shù)，一般可以取值0.03-0.05; f為小橋涵下河溝設計流量 時的平均水深；
[0063]假定水流從涵洞出口至片石鋪砌末端水頭高度減少25%，則根據公式（5)可計算 出片石鋪砌所需要的長度L:
[0064]
公式（5)
[0065] 其中:A為片石鋪砌處河溝的過水面積;其余參數(shù)意義與前面相同；
[0066] 步驟六:計算片石鋪砌末端沖刷坑深度Δ ;
[0067] 片石鋪砌沖刷坑深度△包括水流沖刷深度△ 1、水躍沖刷深度△ 2和偏斜沖刷深度 A 3,其計算過程分別如公式(6)、公式(7)、公式(10);
[0068] 水流沖刷深度 Δ 1: Δι = G,/(Bx i，f) -i 公式（(ι)
[0069] 其中：B為片石鋪砌處河溝平均寬度;ν'為河床土壤的容許不沖刷流速，查閱相關 表格可得;其余參數(shù)意義與前面相同；
[0070] 水躍沖刷深度 Δ 2: Δ2 = 1 ·85Κ-?〃 - K 公式（7 )
[0071] 公式（8)
[0072] 公式（9)
[0073] 其中:ΚΡ為系數(shù)，與小橋涵八字墻擴散角度有關，查閱相關表格可得;C為出水口鋪 砌加固長度系數(shù)，鋪砌越長，其系數(shù)越小，查閱相關表格可得；
[0074] σ為折沖系數(shù)，一般取1.35 ;h"為鋪砌末端的躍后水深，Vi為鋪砌末端的水流速度， 其余參數(shù)意義與前面相同；
[0075] 偏斜沖刷深度 Δ 3: Δ, = (2,8v「sin ?)/VI + "?2.-3射 公式（丨 0)
[0076] 其中：m為邊坡系數(shù);d為土壤粒徑(m) ;α為水流流向與河岸的交角，其余參數(shù)意義 與前面相同；
[0077] 則片石鋪砌末端沖刷坑深度Δ可以由公式(11)計算可得：
[0078] Δ = Δι+Δ2+Δ3 公式（11)
[0079] 步驟七:采取相應的構造措施。根據所鋪砌片石的粒徑大小，選擇與之相匹配的粒 徑較小片石，填塞片石間空隙，提高片石之間的嵌擠力，以減小水流對片石和溝底土壤的沖 刷。
[0080] 前述對本發(fā)明的具體示例性實施方案的描述是為了說明和例證的目的。這些描述 并非想將本發(fā)明限定為所公開的精確形式，并且很顯然，根據上述教導，可以進行很多改變 和變化。對示例性實施例進行選擇和描述的目的在于解釋本發(fā)明的特定原理及其實際應 用，從而使得本領域的技術人員能夠實現(xiàn)并利用本發(fā)明的各種不同的示例性實施方案以及 各種不同的選擇和改變。本發(fā)明的范圍意在由權利要求書及其等同形式所限定。
【主權項】
1. 一種低成本抗水毀的小橋涵出水口防護設計方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟一：根據公路小橋涵工程所處地理位置和項目等級，由目前已經的設計方法計算 小橋涵設計洪水頻率的設計流量Qp、確定小橋涵的尚h、小橋涵寬W、涵洞臨界水深hk、洞身臨 界流速Vk、洞身臨界坡度ik參數(shù)； 步驟二:根據小橋涵跨越的河溝河床土壤類型，按照公式（1)和（2)計算河溝的一般沖 刷深度hP; 非粘性土河床一般沖刷深度hP:其中：Qp為小橋涵設計洪水頻率的設計流量;ε為小橋涵收縮收縮系數(shù)，當小橋涵為錐坡 填土時取值0.9，當小橋涵有八字翼墻時取值0.85 為小橋涵的寬度;hmax為小橋涵下河溝 水流的最大深度，一般取橋涵高度h; 5為小橋涵下河溝設計流量時的平均水深。VH可查閱非 粘性土壤水深為lm時的容許不沖刷流速表； 粘性土河床一般沖刷深度hP其中：II為粘性土的液限指數(shù);其余均與公式（1)的參數(shù)意義相同； 步驟三:根據計算所得的河床一般沖刷深度hP，選取小橋涵出口鋪砌所需要的片石粒徑 大小(片石粒徑d>1.5hP); 步驟四：根據公式(3)計算涵洞出水口處的水頭高度Η。：公式（3) 其中：g為重力加速度值;其余參數(shù)意義與前面相同； 步驟五:計算小橋涵出水口鋪砌所需的片石鋪砌長度L; 由于河溝一般為寬淺式，其水力半徑R可近似按小橋涵下河溝設計流量時的平均水深 I，則謝才系數(shù)C可以按公式(4)計算： η公式（4) 其中：η為片石的粗糙系數(shù)，一般可以取值0.03-0.05; ^為小橋涵下河溝設計流量時的 平均水深； 假定水流從涵洞出口至片石鋪砌末端水頭高度減少25%，則根據公式(5)可計算出片 石鋪砌所需要的長度L:公式（5) 其中：Α為片七鋪砌處判溝的過水?枳;其余參數(shù)意義與前面相同； 步驟六:計算片石鋪砌末端沖刷坑深度A ; 片石鋪砌沖刷坑深度△包括水流沖刷深度△ 1、水躍沖刷深度△ 2和偏斜沖刷深度A 3， 其計算過程分別如公式(6)、公式(7)、公式(10); 水流沖刷深度Δ 1:八=β,"/(Βχ ν')-K 公式（6 ) 其中：B為片石鋪砌處河溝平均寬度;ν'為河床土壤的容許不沖刷流速，查閱相關表格 可得;其余參數(shù)意義與前面相同； 水躍沖刷深度Α2:Δ, =1.85K："Cod 公式（7) 公式（8),," . . 公式（9) 其中：ΚΡ為系數(shù)，與小橋涵八字墻擴散角度有關，查閱相關表格可得;C為出水口鋪砌加 固長度系數(shù)，鋪砌越長，其系數(shù)越小，查閱相關表格可得;σ為折沖系數(shù)，一般取1.35; h"為鋪 砌末端的躍后水深，％為鋪砌末端的水流速度，其余參數(shù)意義與前面相同； 偏斜沖刷深度 δ3:Δ, = (2.8v,' sin a)/yj\ + m2 - 3(ki 公式（10) 其中：m為邊坡系數(shù);d為土壤粒徑(m); α為水流流向與河岸的交角，其余參數(shù)意義與前 面相同； 則片石鋪砌末端沖刷坑深度A可以由公式(11)計算可得： Δ = Δι+Δ2+Δ3 公式（11) 步驟七:采取相應的構造措施，根據所鋪砌片石的粒徑大小，選擇與之相匹配的粒徑較 小片石，填塞片石間空隙，提高片石之間的嵌擠力，以減小水流對片石和溝底土壤的沖刷。
【文檔編號】E01F5/00GK105951615SQ201610278201
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年4月28日
【發(fā)明人】張云, 周曉蓉, 田華, 黃佳棟
【申請人】廣西交通科學研究院