淺談涵洞中的水流形態和工作特點

蘭敬軍

摘要：涵洞的水流形態決定于涵洞的斷面形狀、尺寸、洞長、底坡、洞口形式、流量及相應的上下游水位等各種因素。涵洞的水流形態可分為無壓、半有壓和有壓三種。各種水流形態的涵洞，具有不同的工作特點。

關鍵詞：涵洞；無壓涵洞；緩坡涵洞

1 涵洞

涵洞是鐵路、公路工程中的重要組成部分。據有關資料介紹:小橋涵工程數量約占橋涵總數的70%~80%，平原地區，每公里約有1~3座;山區和丘陵地區，每公里平均約有4~6座。小橋涵工程造價可以占到橋涵總額的50%以上。

1.1 涵洞的構造

涵洞由洞身、進口建筑物和出口建筑物三部分組成。有翼墻的涵洞進口建筑物由進口翼墻、護底和涵前鋪砌結構組成。無翼墻的涵洞進口建筑物由護底和涵前鋪砌結構組成。涵身位于填土下面，是涵洞過水的主要部分。有翼墻的涵洞出口建筑物由出口翼墻、護底和出口防沖鋪砌或消能設施構成。無翼墻的涵洞出口建筑物由護底和出口防沖鋪砌或消能設施構成。通常與有壓、半有壓或陡坡涵洞相比，無壓緩坡涵洞出口流速不大，故出口多做一段防沖鋪砌。有壓、半有壓或陡坡涵洞出口流速則較大，常需設消能設施。而在實際工程當中臨界坡涵洞使用最廣泛，為了保證結構安全耐用，也常設有防沖鋪砌和消能設施。

1.2 涵洞的分類

涵洞按構造形式可分為管涵、蓋板涵、拱涵和箱涵等。管涵多采用鋼筋混凝土預制管，根據地基情況可采用有底座基礎，或直接放在地基上，當涵洞直徑很小時，也可采用素混凝土制作的管涵，但在定型圖中一般不采用。蓋板涵由地板、側墻及蓋板組成。側墻與底板可做成整體式、也可做成分離式。拱涵由拱圈、側墻、護拱和底板構成，側墻、底板和護拱一般采用素混凝土，拱圈多采用鋼筋混凝土。箱涵一般采用現場澆鑄的鋼筋混凝土構成。

水流通過涵洞的深度不同，直接影響涵洞過水的水力狀態，從而產生不同的涵洞水力計算圖式。因此，涵洞按過水的水力性質不同，可分為無壓力式涵洞、半壓力式涵洞和壓力式涵洞。當涵洞入口水流深度小于洞口高度，并在洞身全長范圍內水面都不觸及洞頂，洞內具有自由水面時，為無壓力式涵洞。當涵洞洞口水流深度大于洞口高度，水流充滿洞口，但在洞身全長范圍內(進水口除外)具有自由水面，為半壓力式涵洞。當涵洞進水口水深大于洞口高度，并在洞身全長范圍內都充滿水流且無自由水面，為壓力式涵洞。

1.3 涵洞的水流類型

涵洞的主要作用是排水，因此涵洞水力計算是很重要的。涵洞的水流類型有緩流、急流和臨界流三種。當流量一定時，能率E(即斷面單位能量)隨水深的增加而增大，勢能大而動能小，水深流緩，水流處于緩流狀態，稱為緩流;如果能率隨水深的增加而減少，勢能小而動能大，水淺流急，水流處于急流狀態，稱為急流;能率達到最小值，即緩流與急流的分界處水流處于臨界狀態，稱為臨界流。當流量一定時，臨界流的總能量最小，當總能量一定時，臨界流的流量最大;臨界流介于緩流和急流之間。按臨界流設計的涵洞，孔徑比按緩流設計的小，凈高低。而且當流量一定時，其總能量比按急流設計的小，可以減少其沖刷能力，以達到安全渲泄設計流量的目的。因此設計涵洞，臨界流是最理想的水流類型。實際工程中的涵洞一般按臨界流和緩流兩種情況來設計。

2 無壓涵洞的水流形態及工作特點

水流在通過涵洞的全部長度上都具有自由水面，稱為無壓流。無壓涵洞由于底坡、長度及涵前或出口水位不同，涵內將呈現出不同的水流現象，表現出不同的工作特點。

從上游進入涵洞的水流，在平面上將產生收縮，同時產生跌落，并在進口后形成收縮斷面。收縮斷面至出口前這段水流現象主要取決于底坡、洞長和出口水位。

2.1 陡坡涵洞（i＞ik）

在陡坡涵洞中，收縮斷面以后，水面曲線趨向于正常水深h0，只要涵洞為自由出流，下游水深就不足以使洞中水流產生淹沒水躍，則水流將保持急流狀態出洞。在急流情況下，下游的影響不會傳到上游，即隨洞長增加所產生的洞壁摩阻作用對流量不產生影響，因此不論洞的長短，通過的流量完全由進流情況確定。進口水流情況相當于寬頂堰流。

2.2 緩坡涵洞(i＜ik）

在緩坡涵洞中，當涵洞出口水位較低時，收縮斷面以后的水面曲線將逐漸趨于臨界水深氣，若涵洞較短，則水面曲線直到洞口還未發展到臨界水深人，全洞為急流，此時洞長不影響過流能力，進口相當于自由寬頂堰流。若涵洞稍長，水面曲線在洞內發展到了臨界水深氣，水流將通過波狀水躍過渡到緩流，這時涵洞前段水流為急流，后段水流為緩流，但仍不影響過流能力。當涵洞再長，由于洞內阻力增大，流速減小，緩流段水面進一步奎高，致使收縮斷面淹沒，過流能力受到淹沒影響，這時進口相當于淹沒寬頂堰流。當洞長再增加，洞內將產生均勻流，這時洞內過流能力受均勻流控制。下游水位對無壓涵洞洞內水流狀態的影響，依涵洞底坡和長短不同，可以分為以下幾種情況。

(a)i

當涵洞下游水位ht>h0時，洞內將產生奎水曲線，即水深以尾部最深，收縮斷面處最淺。

當涵洞下游水深ht位于臨界水深hk和正常水深h0之間時，hk

以上兩種情況均使進口受到淹沒，進口相當于淹沒寬頂堰流。

(b) i>ik:當hout>(l.2～1.4)hk+iL+z時，收縮斷面將受到淹沒，洞內產生壅水曲線，進口相當于淹沒寬頂堰流。

3 半有壓涵洞的水流形態及工作特點

水流在涵洞進口斷面上全部被充滿，洞內全部或部分具有自由水面，這種水流形態稱為半有壓流。

半有壓流洞內水流，依涵洞底坡、長度和進出口水位不同而呈不同狀態。

3.1 半有壓緩坡涵洞(i

在半有壓緩坡涵洞中，當上游水深不大時，水流在涵洞進口產生收縮，水流現象有如閘孔出流。收縮斷面后水流深度逐漸增加，水面線趨向氣，.當涵洞長度較短，水深尚未發展到hk時，水流便以急流流出洞口，這時全洞只在進口處水流貼頂，其余均具有自由水面。當涵洞長度達到一定數值后，增加的水深發展到hk，這時在洞內將產生波狀水躍，當躍后水深hc>a(a為涵洞高)時，則躍后緩流將貼洞頂，水流一旦貼頂，則進口與貼頂間形成封閉氣囊中的空氣將不斷被帶走，以致最后消失，從而使涵洞少部分具有自由水面，形成半有壓流態。這種半有壓流態的過水能力與有壓流相近。

3.2 半有壓陡坡涵洞(i>ik)

在半有壓陡坡涵洞中，當涵洞上游水深不大時，在進口收縮斷面以后，水面曲線趨向于正常水深h0，當水深達到洞高a時，便產生貼頂。當洞較長時，將發生不穩定流態，即洞內將出現時而為無壓，時而為有壓的現象，對涵洞的使用和結構都將產生不利的影響。涵洞下游水位將對半有壓洞內水流狀態產生影響。以涵洞底坡和長短不同，可分為以下幾種情況。

涵洞下游水位將對半有壓洞內水流狀態產生影響。以涵洞底坡和長短不同，可分為以下幾種情況。

(a) i

(b) i>ik:在半有壓陡坡涵洞中，其進口淹沒，水流進入涵洞產生收縮，收縮斷面后水深以急流狀態向正常水深趨近，達洞出口時水深為hout，出口水深hout的共軛水深hout”和下游水深間的關系可分為以下三種情況。

當下游水深ht

當ht>hout”時，在洞口發生淹沒式水躍。

當ht>hout”時，ht>ha(a為涵洞高)，則半有壓流轉變為出口淹沒的有壓流。

4 有壓涵洞的水流形態及工作特點

水流充滿整個涵洞，沒有自由水面，即涵洞內水流為有壓流。有壓流又可分為兩種情況:涵洞出口淹沒在下游水位以下，上游水位也淹沒洞口時，洞內為有壓流;當涵洞進口水位較高時，雖然下游水位低于出口洞頂，但水流仍充滿整個涵洞，沒有自由水面，這時洞內也為有壓流。底坡較大的有壓涵，易發生有害的不穩定流態，對涵洞使用和結構受力都將產生不利的影響。

參考文獻

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