淤地坝卧管和涵洞的设计方法.pdf

本发明公开了一种淤地坝卧管和涵洞的设计方法，包括卧管部分的设计方法、涵洞部分的设计方法。其中，卧管部分的设计方法包括，根据公式：Q＝μA 2gH计算所述每个放水台阶上的一个或多个放水孔的横断面积，还包括方形卧管、圆形卧管和消力池尺寸的设计及盖板和侧壁厚度的设计；涵洞部分的设计方法包括涵洞尺寸的设计及壁厚和配筋的设计。设计过程清晰、设计结果准确。

1、  一种淤地坝卧管和涵洞的设计方法，包括卧管部分的设计方法、涵洞部分的设计方法，其特征在于，所述卧管部分包括多个放水台阶，每个放水台阶设有一个或多个放水孔，所述卧管部分的设计方法包括：
根据公式： Q = μA 2 gH - - - ( 1 ) ]]>
计算所述每个放水台阶上的一个或多个放水孔总的横断面积A，
式中μ—流量系数；g—重力加速度；H—放水孔口中心至水面深度；Q—设计放水流量。

2、  根据权利要求1所述的淤地坝卧管和涵洞的设计方法，其特征在于，当所述放水孔为圆形，且每个放水台阶上分别设有一个放水孔时，公式(1)中，μ＝0.62；
所述放水孔的直径d按以下公式计算：
当开启一个台阶上的放水孔时： d = 0.68 Q H 1 1 / 2 ; ]]>
当同时开启两个台阶上的放水孔时： d = 0.68 Q H 1 1 / 2 + H 2 1 / 2 ; ]]>
当同时开启三个台阶上的放水孔时： d = 0.68 Q H 1 1 / 2 + H 2 1 / 2 + H 3 1 / 2 ; ]]>
依次类推，式中H1、H2、H3分别为每个台阶上的放水孔口中心至水面的深度。

3、  根据权利要求1所述的淤地坝卧管和涵洞的设计方法，其特征在于，所述卧管部分的设计方法包括卧管横断面尺寸的设计方法，具体包括：
首先，根据以下公式计算所述卧管的过水断面积： C = 1 n R 1 / 6 , ]]> R = ω χ , ]]>
式中，Q_加—通过卧管的加大流量，Q_加＝(1+20％～30％)Q；ω—卧管过水断面面积；C—谢才系数；n—糙率，混凝土n＝0.014～0.017，浆砌石n＝0.02～0.025；i—卧管纵坡，i＝1:2～1:3；χ—湿周；R—水力半径；
之后，根据以下原则计算卧管的尺寸：
对于方形卧管，其高度为所述卧管的过水断面积ω形成的水深即正常水深的3～4倍；
对于圆形卧管，其直径为所述卧管的过水断面积ω形成的水深即正常水深的2.5倍。

4、  根据权利要求1所述的淤地坝卧管和涵洞的设计方法，其特征在于，所述卧管部分的设计方法包括消力池横断面尺寸的设计方法，具体包括根据以下公式计算所述消力池的断面尺寸：
单宽流量跃前水深h₁＝h₀；跃后水深 h 2 = h 1 2 ( 1 + 8 αq 2 g h 1 3 - 1 ) ; ]]>
消力池池长L＝(3～5)h₂；消力池深度D＝1.1 h₂-h；消力池宽度B=b+0.4；
式中Q_加—通过所述卧管的加大流量；b—所述卧管宽度；h₀—所述卧管中正常水深；g—重力加速度；α—流速不均匀系数，取1.0～1.1；h—所述涵洞中正常水深。

5、  根据权利要求1所述的淤地坝卧管和涵洞的设计方法，其特征在于，所述卧管部分的设计方法包括方形卧管与消力池盖板厚度的设计，具体包括：
首先，根据所述方形卧管与消力池盖板在水下的位置，计算所述盖板承受的最大弯矩和最大剪力；
之后，根据所述最大弯矩和最大剪力及所述盖板的材料计算所述盖板的厚度，所述盖板的材料为条石或素混凝土或钢筋混凝土；
当所述盖板的材料为条石或素混凝土时，所述盖板的厚度d按以下公式计算：
d = 6 M max b [ σ b ] ]]>或 d = 1.5 Q max b [ σ τ ] ]]>
式中M_max—所述盖板承受的最大弯矩；Q_max—所述盖板承受的最大剪力；
[σ_b]—条石或素混凝土弯曲时的允许拉应力；[σ_τ]—条石或混凝土的允许剪应力；
b—所述盖板的单位宽度；
当所述盖板的材料为钢筋混凝土时，所述盖板的截面高度h按以下公式计算：
h＝h₀+a， h 0 = γ KM max b [ σ b ] ]]>
式中，h₀—盖板截面有效高度；a—保护层厚度；γ—截面系数；K安全系数；[σ_b]—钢筋混凝土弯曲时的允许拉应力
所述钢筋混凝土盖板的配筋面积A_s按以下公式计算：A_s＝ρh₀b，
式中，ρ—最小配筋率。

6、  根据权利要求1所述的淤地坝卧管和涵洞的设计方法，其特征在于，所述卧管部分的设计方法包括方形卧管侧墙厚度的设计，具体包括：
侧墙中部厚度： d 1 = 6 M max [ σ b ] + 0.15 ; ]]>
侧墙顶端厚度： b 1 = 1.5 Q max [ σ τ ] + 0.15 ; ]]>
式中，[σ_b]—砌体弯曲时允许拉应力；[σ_τ]—砌体弯曲时允许剪应力；M_max—墙体承受的最大弯矩；Q_max—墙体承受的最大剪力。

7、  根据权利要求1所述的淤地坝卧管和涵洞的设计方法，其特征于，所述涵洞部分的设计方法包括：
所述涵洞的高度大于或等于正常水深的75％，所述正常水深指所述涵洞中通过设计流量时形成的水深。

8、  根据权利要求1所述的淤地坝卧管和涵洞的设计方法，其特征在于，所述涵洞部分的设计方法包括方形涵洞盖板厚度的设计，具体包括：
首先按照以下公式计算所述盖板的跨中最大弯矩M_max和支座处最大剪力Q_max：当盖板与侧墙分开时， M max = 1 8 qL 0 2 , ]]> Q max = 1 2 qL 0 ; ]]>
当盖板与侧墙连在一起时， M max = 1 12 qL 0 2 , ]]> Q max = 1 2 qL 0 , ]]>
式中，q—所述盖板上部的均布载荷；L₀—盖板计算跨度，若涵洞过水断面宽度为L，则L₀＝1.05L；
之后，按不同材料分别计算所述方形涵洞盖板厚度和配筋。

9、  根据权利要求1所述的淤地坝卧管和涵洞的设计方法，其特征在于，所述涵洞部分的设计方法包括圆形涵洞壁厚的设计，具体用下式计算所述圆形涵洞的壁厚t：
t = 0.06 PD 0 [ σ b ] ]]>
式中，D₀—圆形涵洞的计算管径，D₀＝D+t；D—圆形涵洞的内径；P—单位长度管上垂直土压力；[σ_b]——混凝土弯曲时允许拉应力。

10、  根据权利要求9所述的淤地坝卧管和涵洞的设计方法，其特征在于，所述涵洞部分的设计方法包括圆形涵洞配筋的设计，具体包括：
所述圆形涵洞的环形配筋的间距小于或等于150mm，且小于或等于所述圆形涵洞壁厚的3倍；
对于手工绑扎的钢筋骨架，所述圆形涵洞的纵向配筋的间距小于或等于300mm；对于焊接的钢筋骨架，所述圆形涵洞的纵向配筋的间距小于或等于400mm；
所配钢筋的直径大于或等于2.3mm。

淤地坝卧管和涵洞的设计方法
技术领域
本发明涉及一种淤地坝防水建筑物的设计方法，尤其涉及一种淤地坝卧管和涵洞的设计方法。
背景技术
放水建筑物是淤地坝工程中一个重要组成部分。现有技术中的淤地坝的放水建筑物一般由取水建筑物、放水涵洞、出口消能段三个部分组成。取水建筑物通常采用卧管或竖井，并通过消力池与放水涵洞连接。
如图1、图2所示，卧管是一种分段放水的启闭设备，一般采用方型砌石或圆形钢筋混凝土结构。卧管的上端设有通气孔1，管上每隔0.4～0.5m(垂直距离)设一放水孔2，平时用孔盖封闭，放水时随水面下降逐级打开。库水由孔口流入卧管，经过消力池4由涵洞3放出库外。
现有技术中，有关卧管和涵洞的断面尺寸和结构的设计，多是经验取值或按规范选取。
上述现有技术至少存在以下缺点：
有关卧管和涵洞的断面尺寸和结构的设计结果不够准确。
发明内容
本发明的目的是提供一种设计结果准确、过程清晰、具有可操作性的淤地坝卧管和涵洞的设计方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的淤地坝卧管和涵洞的设计方法，包括卧管部分的设计方法、涵洞部分的设计方法，所述卧管部分包括多个放水台阶，每个放水台阶设有一个或多个放水孔，所述卧管部分的设计方法包括：
根据公式： Q = μA 2 gH - - - ( 1 ) ]]>
计算所述每个放水台阶上的一个或多个放水孔总的横断面积A，
式中μ—流量系数；g—重力加速度；H—放水孔口中心至水面深度；Q—设计放水流量。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的淤地坝卧管和涵洞的设计方法，由于根据公式： Q = μA 2 gH ]]>计算每个放水台阶上的一个或多个放水孔总的横断面积A，设计结果准确、过程清晰、可操作性强。
附图说明
图1a为现有技术中卧管的立面结构示意图；
图1b为现有技术中卧管的平面结构示意图；
图2为本发明中卧管放水孔计算示意图；
图3为本发明中卧管的盖板与侧墙分开时的受力示意图；
图4为本发明中箱形卧管的受力示意图；
图5为本发明中矩形过水断面的结构示意图；
图6为本发明中圆形过水断面的结构示意图。
具体实施方式
本发明的淤地坝卧管和涵洞的设计方法，其较佳的具体实施方式是，包括卧管部分的设计方法、涵洞部分的设计方法，所述卧管部分包括多个放水台阶，每个放水台阶设有一个或多个放水孔，所述卧管部分的设计方法包括：
根据公式： Q = μA 2 gH - - - ( 1 ) ]]>
计算所述每个放水台阶上的一个或多个放水孔总的横断面积A，
式中μ—流量系数；g—重力加速度；H—放水孔口中心至水面深度；Q—设计放水流量。
当所述放水孔为圆形，且每个放水台阶上分别设有一个放水孔时，公式(1)中，μ＝0.62；
所述放水孔的直径d按以下公式计算：
当开启一个台阶上的放水孔时： d = 0.68 Q H 1 1 / 2 ; ]]>
当同时开启两个台阶上的放水孔时： d = 0.68 Q H 1 1 / 2 + H 2 1 / 2 ; ]]>
当同时开启三个台阶上的放水孔时： d = 0.68 Q H 1 1 / 2 + H 2 1 / 2 + H 3 1 / 2 ; ]]>
依次类推，式中H1、H2、H3分别为每个台阶上的放水孔口中心至水面的深度。
所述卧管部分的设计方法包括卧管横断面尺寸的设计方法，具体包括：
首先，根据以下公式计算所述卧管的过水断面积：  C = 1 n R 1 / 6 , ]]>  R = ω χ , ]]>
式中，Q_加—通过卧管的加大流量，Q_加＝(1+20％～30％)Q；ω—卧管过水断面面积；C—谢才系数；n—糙率，混凝土n＝0.014～0.017，浆砌石n＝0.02～0.025；i—卧管纵坡，i＝1:2～1:3；χ—湿周；R—水力半径；
之后，根据以下原则计算卧管的尺寸：
对于方形卧管，其高度为所述卧管的过水断面积ω形成的水深即正常水深的3～4倍；
对于圆形卧管，其直径为所述卧管的过水断面积ω形成的水深即正常水深的2.5倍。
所述卧管部分的设计方法包括消力池横断面尺寸的设计方法，具体包括根据以下公式计算所述消力池的断面尺寸：
单宽流量；跃前水深h₁＝h₀；跃后水深 h 2 = h 1 2 ( 1 + 8 α q 2 g h 1 3 - 1 ) ; ]]>
消力池池长L＝(3～5)h₂；消力池深度D＝1.1 h₂-h；消力池宽度B＝b+0.4；
式中Q_加—通过所述卧管的加大流量；b—所述卧管宽度；h₀—所述卧管中正常水深；g—重力加速度；α—流速不均匀系数，取1.0～1.1；h—所述涵洞中正常水深。
所述卧管部分的设计方法包括方形卧管与消力池盖板厚度的设计，具体包括：
首先，根据所述方形卧管与消力池盖板在水下的位置，计算所述盖板承受的最大弯矩和最大剪力；
之后，根据所述最大弯矩和最大剪力及所述盖板的材料计算所述盖板的厚度，所述盖板的材料为条石或素混凝土或钢筋混凝土；
当所述盖板的材料为条石或素混凝土时，所述盖板的厚度d按以下公式计算：
d = 6 M max b [ σ b ] ]]>或  d = 1.5 Q max b [ σ τ ] ]]>
式中M_max—所述盖板承受的最大弯矩；Q_max—所述盖板承受的最大剪力；
[σ_b]—条石或素混凝土弯曲时的允许拉应力；[σ_τ]—条石或混凝土的允许剪应力；
b—所述盖板的单位宽度；
当所述盖板的材料为钢筋混凝土时，所述盖板的截面高度h按以下公式计算：
h＝h₀+a， h 0 = γ KM max b [ σ b ] ]]>
式中，h₀—盖板截面有效高度；a—保护层厚度；γ—截面系数；K安全系数；[σ_b]—钢筋混凝土弯曲时的允许拉应力
所述钢筋混凝土盖板的配筋面积A_s按以下公式计算：A_s＝ρh₀b，
式中，ρ—最小配筋率。
所述卧管部分的设计方法包括方形卧管侧墙厚度的设计，具体包括：
侧墙中部厚度： d 1 = 6 M max [ σ b ] + 0.15 ; ]]>
侧墙顶端厚度： b 1 = 1.5 Q max [ σ τ ] + 0.15 ; ]]>
式中，[σ_b]—砌体弯曲时允许拉应力；[σ_τ]—砌体弯曲时允许剪应力；M_max—墙体承受的最大弯矩；Q_max—墙体承受的最大剪力。
所述涵洞部分的设计方法包括：
所述涵洞的高度大于或等于正常水深的75％，所述正常水深指所述涵洞中通过设计流量时形成的水深。
所述涵洞部分的设计方法包括方形涵洞盖板厚度的设计，具体包括：
首先按照以下公式计算所述盖板的跨中最大弯矩M_max和支座处最大剪力Q_max：
当盖板与侧墙分开时， M max = 1 8 qL 0 2 , ]]>　 Q max = 1 2 qL 0 ; ]]>
当盖板与侧墙连在一起时， M max = 1 12 qL 0 2 , ]]>　 Q max = 1 2 qL 0 , ]]>
式中，q—所述盖板上部的均布载荷；L₀—盖板计算跨度，若涵洞过水断面宽度为L，则L₀＝1.05L；
之后，按不同材料分别计算所述方形涵洞盖板厚度和配筋。
所述涵洞部分的设计方法包括圆形涵洞壁厚的设计，具体用下式计算所述圆形涵洞的壁厚t：
t = 0.06 P D 0 [ σ b ] ]]>
式中，D₀—圆形涵洞的计算管径，D₀＝D+t；D—圆形涵洞的内径；P—单位长度管上垂直土压力；[σ_b]——混凝土弯曲时允许拉应力。
所述涵洞部分的设计方法包括圆形涵洞配筋的设计，具体包括：
所述圆形涵洞的环形配筋的间距小于或等于150mm，且小于或等于所述圆形涵洞壁厚的3倍；
对于手工绑扎的钢筋骨架，所述圆形涵洞的纵向配筋的间距小于或等于300mm；对于焊接的钢筋骨架，所述圆形涵洞的纵向配筋的间距小于或等于400mm；
所配钢筋的直径大于或等于2.3mm。
具体设计实施例：
一、淤地坝放水建筑物的卧管部分的设计方法
1、卧管放水孔直径确定
如图1a、图1b所示，卧管是一种分段放水的启闭设备，一般采用方形砌石或钢筋混凝土结构。根据《水土保持治沟骨干工程技术规范》(SL289-2003)卧管应布置在坝上游岸坡，底坡应取1:2～1:3，上端高出最高洪水位。
如图2所示，水流从放水孔口流入卧管，为保证在卧管内不发生真空，要在卧管最高处设置通气孔与大气相通，其内压力为大气压，水流状态为自由式孔口出流，根据《水力学》其流量计算公式为：
Q = μA 2 gH ]]>
式中μ——流量系数，与进口形状有关，一般圆形放水孔取μ＝0.62；
A——放水孔口断面面积，m²；
g——重力加速度，g＝9.8m/s²；
H——放水孔口中心至水面深度，m。
一般卧管放水时，多以每次同时开启靠近水面上下两孔的运用方式，两孔同时放水时其流量计算式为：
Q = μA 2 g ( H 1 + H 2 ) ]]>
式中H₁、H₂——上下两放水孔孔口中心至水面深度，m；
A——一个放水孔口的横断面面积，m²。
放水孔口一般采用圆形，设放水孔直径为d，则 A = 1 4 πd 2 = 0.785 d 2 , ]]>μ＝0.62， 2 g = 4.43 , ]]> 代入上式，得圆形放水孔直径：
开启一孔： d = 0.68 Q H 1 1 / 2 ]]>
同时开启两孔： d = 0.68 Q H 1 1 / 2 + H 2 1 / 2 ]]>
同时开启三孔： d = 0.68 Q H 1 1 / 2 + H 2 1 / 2 + H 3 1 / 2 ]]>
式中d——放水孔直径，m；
Q——设计放水流量，m³/s；
H₁、H₂、H₃——孔上水深，m。
如果每台设两个放水孔，按上式计算时的Q值应取要求放水流量的1/2。
确定放水孔直径时，要考虑到放水孔之间的净距、每台放水孔的数目以及淤地坝运用时每次开启放水孔的数目。根据《水土保持综合治理技术规范》(GB/T16453.3—1996)，台阶高差即卧管孔间的垂直距离一般为0.4m～0.5m，每台阶设1～2个放水孔，孔径15～25cm。
2、卧管断面尺寸设计
根据《水土保持治沟骨干工程技术规范》(SL289-2003)卧管和消力池横断面尺寸与通过的流量，应考虑水位变化而导致的放水流量调节，通过的流量应采用加大流量Q_加，一般Q_加比正常运用时的设计放水流量Q加大20％～30％。
卧管有圆管和方管(正方形和长方形)两种，一般用浆砌石、混凝土和钢筋混凝土做成。设计时要求进入卧管中的水流不充满卧管，并留有适当的高度，以无压流形式沿卧管底部流动，因此，卧管的断面按无压明渠设计，用《水力学》明渠均匀流公式计算。
为保持跌下水柱跃高不致淹没放水孔出口，使卧管内不形成压力流，根据《水土保持治沟骨干工程技术规范》(SL289-2003)确定卧管高度时，应考虑放水孔水流跌落卧管时的水柱跃起，对方形卧管，其高度应取卧管正常水深的3～4倍；对圆形卧管，其直径应取卧管正常水深的2.5倍，即正常水深为管径的40％。
明渠均匀流公式为：
  C = 1 n R 1 / 6 , ]]>  R = ω χ ]]>
表2—1 矩形、圆形过水断面的水力要素

注：θ的单位为rad，B、χ、R的单位为m。
式中Q_加——通过卧管的加大流量，m³/s；
ω——卧管过水断面面积，m²；
C——谢才系数；
n——糙率，混凝土n＝0.014～0.017，浆砌石n＝0.02～0.025；
i——卧管纵坡，i＝1:2～1:3。
2.1方形卧管断面尺寸
在已知Q、i、n条件下，通过假设断面宽(高)b，正常水深h₀＝b/(3～4)，按照上述公式来试算Q，当两流量Q相近时(算出的Q值不应小于已知Q值)，b既为所求值。
表2—2 方形卧管试算过程

表2—3 方形卧管、消力池断面尺寸        单位：cm n＝0.017

表2—4 方形卧管、消力池断面尺寸    单位：cm  n＝0.025


2.2圆形卧管尺寸
对于圆管，正常水深为管径的40％，即直径为d，水深h＝0.4d。
水面宽度  B = 2 h ( d - h ) = 2 0.4 d ( d - 0.4 d ) = 0.9798 d ; ]]>
           θ＝2.7389rad；
过水断面面积 ω = d 2 8 ( θ - sin θ ) = d 2 8 ( 2.7389 - sin 2.7389 ) = 0.2934 d 2 ; ]]>
湿周    χ = 1 2 θ · d = 1 2 × 2.7389 × d = 1.3695 d ; ]]>
水力半径  R = ω χ = 0.2934 d 2 1.3695 d = 0.2143 d ; ]]>
谢才系数  C = 1 n R 1 / 6 = 1 0.017 × ( 0.2143 d ) 1 / 6 = 45.5045 d 1 / 6 ; ]]>
i＝1:1时：  Q = ωC Ri = 0.2934 d 2 × 45.5045 d 1 / 6 × ( 0.2143 d ) 1 / 2 = 6.19 d 8 / 3 , ]]> 即 d = ( Q 6.19 ) 3 / 8 . ]]>
表2—5 圆形卧管管径计算公式

3、消力池断面尺寸
根据《水土保持治沟骨干工程技术规范》(SL289-2003)卧管与涵洞的连接处应设置消力池。用消力池进行消能，使水流平稳地进入涵洞。消力池是用浆砌石或混凝土做成的长方体结构。消力池断面尺寸要通过水力计算确定，按上述规范如下，参考表格见表2-3和表2-4。
(1)单宽流量 m²/s；
(2)跃前水深h₁＝h₀，m；
(3)跃后水深 h 2 = h 1 2 ( 1 + 8 α q 2 g h 1 3 - 1 ) , m ; ]]>
(4)消力池池长L＝(3～5)h₂，m；
(5)消力池深度D＝1.1 h₂-h，m；
(6)消力池宽度B＝b+0.4，m。
式中Q_加——通过卧管的加大流量，m³/s；
b——卧管宽度，m；
h₀——卧管中正常水深，m；
g——重力加速度，g＝9.8m/s²；
α——流速不均匀系数，可取1.0～1.1；
h——坝下涵洞中正常水深，m。
4、方形卧管与消力池盖板厚度
卧管与消力池主要承受水压力，其结构尺寸决定于它在水下的位置、跨度以及卧管使用的材料。作用在单位长度盖板上的均布荷载为：
q＝ρgH
式中q——盖板上均布荷载，kN/m；
ρ——水密度，ρ＝1000kg/m³；
g——重力加速度，g＝9.8×10^-3kN/kg；
H——水深，m。
①如图3所示，当盖板与侧墙分开时，盖板可认为是简支于侧墙顶上的简支梁。因此，跨中最大弯矩M_max和支座处最大剪力Q_max可按下式计算：
M max = 1 8 qL 0 2 ]]>
Q max = 1 2 qL 0 ]]>
式中L₀——盖板计算跨度，若卧管过水断面宽度为L，则L₀＝1.05L。
②如图4所示，当盖板与侧墙连在一起，形成整体，即箱形时，盖板可认为是两端固定于侧墙顶上的超静定梁。因此，两端最大弯矩M_max和支座处最大剪力Q_max可按下式计算：
M max = 1 12 qL 0 2 ]]>
Q max = 1 2 qL 0 ]]>
式中L₀——盖板计算跨度，若卧管过水断面宽度为L，则L₀＝1.05L。
盖板的最大弯矩和最大剪力求出后，按不同材料分别计算盖板厚度和配筋等。
4.1条石或素混凝土盖板
根据最大弯矩和最大剪力分别求出盖板厚度，选用较大值为盖板厚度。其计算公式为：
按最大弯矩计算盖板厚度
d = 6 M max b [ σ b ] ]]>
按最大剪力计算盖板厚度
d = 1.5 Q max b [ σ τ ] ]]>
式中M_max——盖板跨中最大弯矩，kN·m；
Q_max——盖板支座处最大剪力，kN；
[σ_b]——条石或混凝土弯曲时允许拉应力，kN/m²；
[σ_τ]——条石或混凝土允许剪应力，kN/m²；
b——盖板单位宽度，取b＝1m。
当采用C15混凝土、600号条石时，参数C15混凝土的[σ_b]＝539kN/m²；600号条石的[σ_b]＝441kN/m²，[σ_τ]＝343kN/m²，条石或素混凝土盖板厚度参考值如下：
表4-1 方形卧管及消力池条石或混凝土盖板厚度(简支梁)  单位：cm

表4-2 方形卧管及消力池条石或混凝土盖板厚度(两端固定梁梁)  单位：cm

4.2钢筋混凝土盖板
(1)设计参数
设盖板截面宽b＝1m，取保护层厚度a＝5cm，最小配筋率ρ＝0.2％，截面系数γ＝0.423，取安全系数K＝1.7，C15轴心抗拉强度R＝1274kpa，安全系数K_z＝2.5。
钢筋混凝土板保护层厚度a＝3～5cm，经济配筋率为0.4％～0.8％，安全系数K一般取1.6或1.7，与主拉应力有关的安全系数K_z一般取2.4～2.7，截面系数参见。
(2)荷载计算
盖板上均布土压力
                   q＝ρgH
盖板计算跨度
                   L₀＝1.05L
盖板跨中最大弯矩
                          M max = 1 8 q L C 2 ]]>
盖板支座处最大剪力
                         Q max = 1 2 qL 0 ]]>
(3)截面厚度
盖板截面有效高度
                        
截面高度
                        h＝h₀+a(取整)
(4)计算配筋
配筋面积
                        A_s＝ρh₀b
计算出钢筋面积后，选择钢筋根数及面积。此受力钢筋沿卧管跨度方向布置在下层，垂直于受力钢筋的方向，在受力钢筋之上应布置分布钢筋，以便将荷载均匀地传递给受力钢筋，并便于在施工中固定受力钢筋的位置，同时也可抵抗温度和收缩产生的应力。单位长度上分布钢筋的截面面积不宜小于单位宽度上受力钢筋截面面积的15％，且不宜小于该方向板截面面积的0.15％；分布钢筋的间距不宜大于250mm，直径不宜小于6mm；对集中荷载较大的情况，分布钢筋的截面面积应适当增加，其间距不宜大于200mm。
(5)切应力校核
支座处主拉应力σ_z
                           σ z = Q max 0.9 h 0 b ≤ R K z ]]>
①当 σ z ≤ R K z ]]>时，盖板厚度和配筋可满足主拉应力的要求。
②当 σ z > R K z ]]>时，可采取将盖板厚度加大到满足主拉应力为止，即盖板厚度由切力控制，盖板有效厚度为
                            h 0 = Q max 0.9 b R K z ]]>
(6)验算最小配筋率
配筋率
                          ρ = A s bh > max ( 0.2 % , 0.195 % ) ]]>
(7)验算配筋构造要求
钢筋净间距＝(板宽b-钢筋根数×钢筋直径)/(钢筋根数+1)>max(25mm，钢筋直径)
表4-3、表4-4可供参考。
表4-3  方形卧管、消力池的钢筋混凝土盖板尺寸(简支梁)  单位：cm


表4-4  方形卧管、消力池的钢筋混凝土盖板尺寸(两端固定梁)单位：cm

5、方形卧管侧墙、基础尺寸
5.1分离式卧管
(1)侧墙宽(单位长度侧墙)
侧墙受盖板及底板的支撑作用，一般将侧墙作为支撑在盖板及底板上的简支梁计算。通常中部厚度按最大弯矩确定，顶部的厚度由允许剪应力确定。底部加宽成梯形断面以利填土方便和防渗。参考值见表5-1。
水平水压力
                         q₁＝ρgH
                         q₂＝ρg(H+h)
                            L₀＝1.05h
最大弯矩
                         M max = 1 8 ( q 1 + q 2 2 ) L 0 2 ]]>
最大剪力
                         Q max = 1 6 ( q 1 + 2 q 2 ) L 0 ]]>
侧墙中部厚度
                  d 1 = 6 M max [ σ b ] + 0.15 ]]>
侧墙顶端厚度
               b 1 = 1.5 Q max [ σ τ ] + 0.15 ]]>
式中H——水深，m；
h——侧墙净高，m；
[σ_b]——砌体弯曲时允许拉应力，一般取490kN/m²；混凝土结构，取539kN/m²；
[σ_τ]——砌体弯曲时允许剪应力，一般取311kN/m²；
0.15——盖板两端伸入的最小长度，m。
(2)基础厚度
基础即底板，可看做是倒置于两个边墙上的简支梁，梁的支座就是侧墙。底板底面所受的地基反力为梁的荷载，计算时可近似地认为地基反力是均布的，梁的计算跨度L₀＝1.05L。结构计算方法与盖板相同。假设底板所受均匀荷载为q₂＝ρg(H+h)时， M max = 1 8 q 2 L 0 2 , ]]>  Q max = 1 2 q 2 L 0 , ]]>厚度参考值见表5-1。
表5-1  卧管侧墙、基础尺寸表(简支梁)  单位：cm

5.2箱形(整体式)卧管
(1)侧墙宽(单位长度侧墙)
当盖板、侧墙和基础形成整体的箱型结构时，侧墙可作为支撑在盖板及底板上的两端固定超静定梁计算。参考值见表5-2。
水平水压力
                  q₁＝ρgH
                  q₂＝ρg(H+h)
                    L₀＝1.05h
最大弯矩
                   M max = 1 12 q 2 L 0 2 ]]>
最大剪力
               Q max = 3 20 q 1 L 0 + 7 20 q 2 L 0 ]]>
侧墙宽
                 b = 6 M max [ σ b ] + 0.15 ]]>
式中H——水深，m；
h——侧墙净高，m；
[σ_b]——混凝土弯曲时允许拉应力，539kN/m²；
0.15——盖板两端伸入的最小长度，m。
(2)基础厚度
基础即底板，看做是倒置于两个边墙上两端固定的梁。结构计算方法与盖板相同。假设底板所受均匀荷载为q₂＝ρg(H+h)时， M max = 1 12 q 2 L 0 2 , ]]>  Q max = 1 2 q 2 L 0 , ]]>厚度参考值见表5-2。
表5-2 卧管侧墙、基础尺寸表(两端固定梁)  单位：cm

6、消力池侧墙、基础尺寸
消力池侧墙高度＝池深+涵洞高。消力池一般由浆砌石砌筑，其基础厚度不小于0.5m。计算方法参见卧管侧墙、基础部分，参考尺寸如表6-1。
表6-1  消力池侧墙、基础尺寸  单位：cm


二、淤地坝放水建筑物的涵洞部分设计方法
1.涵洞断面尺寸
中小型淤地坝输水涵洞多采用无压的方涵或圆涵。根据《水土保持治沟骨干工程技术规范》(SL289-2003)涵洞底坡取1:100～1:200。设计时要求进入涵洞中的水流不充满涵洞，并留有适当的高度，洞内水深不应超过涵洞净高的75％，以无压流形式沿涵洞底部流动，因此，涵洞的横断面按无压明渠设计，用明渠均匀流公式计算。
明渠均匀流公式为：
  C = 1 n R 1 / 6 , ]]>  R = ω χ ]]>
表7-1 矩形、圆形过水断面的水力要素

注：θ的单位为rad，B、χ、R的单位为m。
式中Q_加——通过涵洞的加大流量，m³/s；
ω——涵洞过水断面面积，m²；
C——谢才系数；
n——糙率，混凝土n＝0.014～0.017，浆砌石n＝0.02～0.025；
i——涵洞纵坡，i＝1:100和i＝1:200。
1.1方涵断面尺寸
在已知Q、i、n条件下，假设断面宽b和高h，按照上述公式来试算Q，当两流量Q相近时(算出的Q值不应小于已知Q值)，b既为所求值。当取正常水深h₀＝0.75h时，各计算值如下，参考值见表7-3。
表7-2  方形涵洞试算过程

表7-3  方涵断面尺寸表  单位：cm  n＝0.025


1.2  圆涵断面尺寸
对于圆涵，正常水深为管径的75％，即直径为d，水深h＝0.75d。
水面宽度   B = 2 h ( d - h ) = 2 0.75 d ( d - 0.75 d ) = 0.8660 d ; ]]>
          θ＝240°＝4.189rad；
过水断面面积   ω = d 2 8 ( θ - sin θ ) = d 2 8 ( 4.189 - sin 4.189 ) = 0.6319 d 2 ; ]]>
湿周   χ = 1 2 θ · d = 1 2 × 4.189 × d = 2.0945 d ; ]]>
水力半径   R = ω χ = 0 . 6319 d 2 2.0945 d = 0.3017 d ; ]]>
谢才系数   C = 1 n R 1 / 6 = 1 0.015 × ( 0.3017 d ) 1 / 6 = 54.5973 d 1 / 6 ; ]]>
i＝1:100时： Q = ωC Ri = 0.6319 d 2 × 54.5973 d 1 / 6 × 0.3017 d × 1 100 = 1.895 d 8 / 3 , ]]>即 d = ( Q 1.895 ) 3 / 8 . ]]> 参考值见表7-5。
表7-4  圆形涵洞管径计算公式

表7-5  圆涵断面尺寸  单位：cm  n＝0.015


2.方形涵洞盖板厚度
盖板涵主要承受土压力，其结构尺寸决定于填土高度、跨度以及使用的材料。作用在单位长度盖板上的均布荷载为：
                           q＝ρgH
式中q——盖板上均布荷载，kN/m；
ρ——填土饱和密度，kg/m³；
g——重力加速度，g＝9.8×10^-3kN/kg；
H——盖板以上填土高度，m。
①当盖板与侧墙分开时，盖板可认为是简支于侧墙顶上的简支梁。因此，跨中最大弯矩M_max和支座处最大剪力Q_max可按下式计算：
                               M max = 1 8 qL 0 2 ]]>
                               Q max = 1 2 qL 0 ]]>
式中L₀——盖板计算跨度，若涵洞过水断面宽度为L，则L₀＝1.05L。
②当盖板与侧墙连在一起，形成整体，即箱形时，盖板可认为是两端固定于侧墙顶上的超静定梁。因此，两端最大弯矩M_max和支座处最大剪力Q_max可按下式计算：
                                M max = 1 12 qL 0 2 ]]>
                                Q max = 1 2 qL 0 ]]>
式中L₀——盖板计算跨度，若卧管过水断面宽度为L，则L₀＝1.05L。
盖板的最大弯矩和最大剪力求出后，按不同材料分别计算盖板厚度和配筋等。
2.1条石或素混凝土盖板
根据最大弯矩和最大剪力分别求出盖板厚度，选用较大值为盖板厚度。其计算公式为：
按最大弯矩计算盖板厚度
                                 d = 6 M max b [ σ b ] ]]>
按最大剪力计算盖板厚度
                    d = 1.5 Q max b [ σ τ ] ]]>
式中M_max——盖板跨中最大弯矩，kN·m；
Q_max——盖板支座处最大剪力，kN；
[σ_b]——条石或混凝土弯曲时允许拉应力，kN/m²；
[σ_τ]——条石或混凝土允许剪应力，kN/m²；
b——盖板单位宽度，取b＝1m。
当采用C15混凝土、600号条石时，参数C15混凝土的[σ_b]＝539kN/m²；600号条石的[σ_b]＝441kN/m²，[σ_τ]＝343kN/m²，条石或素混凝土盖板厚度参考值如下：
表8-1  方形涵洞条石及混凝土盖板厚度(简支梁)  单位：cm

表8-2  方形涵洞条石及混凝土盖板厚度(两端固定梁梁)  单位：cm

2.2钢筋混凝土盖板
(1)设计参数
设盖板截面宽b＝1m，取保护层厚度a＝5cm，最小配筋率ρ＝0.2％，截面系数γ＝0.423，取安全系数K＝1.7，C15轴心抗拉强度R＝1274kpa，安全系数K_z＝2.5。
钢筋混凝土板保护层厚度a＝3～5cm，经济配筋率为0.4％～0.8％，安全系数K一般取1.6或1.7，与主拉应力有关的安全系数K_z一般取2.4～2.7。
(2)荷载计算
盖板上均布土压力
                      q＝ρgH
盖板计算跨度
                      L₀＝1.05L
盖板跨中最大弯矩
                       M max = 1 8 q L 0 2 ]]>
盖板支座处最大剪力
                      Q max = 1 2 qL 0 ]]>
(3)截面厚度
盖板截面有效高度
                    
截面高度
                      h＝h₀+a(取整)
(4)计算配筋
配筋面积
                        A_s＝ρh₀b
计算出钢筋面积后，选择钢筋根数及面积。此受力钢筋沿卧管跨度方向布置在下层，垂直于受力钢筋的方向，在受力钢筋之上应布置分布钢筋，以便将荷载均匀地传递给受力钢筋，并便于在施工中固定受力钢筋的位置，同时也可抵抗温度和收缩产生的应力。单位长度上分布钢筋的截面面积不宜小于单位宽度上受力钢筋截面面积的15％，且不宜小于该方向板截面面积的0.15％；分布钢筋的间距不宜大于250mm，直径不宜小于6mm；对集中荷载较大的情况，分布钢筋的截面面积应适当增加，其间距不宜大于200mm。
(5)切应力校核
支座处主拉应力σ_z
                       σ z = Q max 0.9 h 0 b ≤ R K z ]]>
①当  σ z ≤ R K z ]]>时，盖板厚度和配筋可满足主拉应力的要求。
②当  σ z > R K z ]]>时，可采取将盖板厚度加大到满足主拉应力为止，即盖板厚度由切力控制，盖板有效厚度为
                        h 0 = Q max 0.9 b R K z ]]>
(6)验算最小配筋率配筋率
                 ρ = A s bh > max ( 0.2 % , 0.195 % ) ]]>
(7)验算配筋构造要求
钢筋净间距＝(板宽b-钢筋根数×钢筋直径)/(钢筋根数+1)>max(25mm，钢筋直径)
表8-3、表8-4可供参考。
表8-3  方形涵洞钢筋混凝土盖板尺寸(简支梁)  单位：cm

表8-4  方形涵洞钢筋混凝土盖板尺寸(两端固定梁)  单位：cm


3.方涵侧墙、基础尺寸
3.1分离式涵洞
(1)侧墙宽(单位长度侧墙)
侧墙受盖板及底板的支撑作用，一般将侧墙作为支撑在盖板及底板上的简支梁计算。通常厚度按最大弯矩确定。参考值见表9-1。
水平水压力
                                  q₁＝ρgH
                               q₂＝ρg(H+h)
                                  L₀＝1.05h
最大弯矩
                              M max = 1 8 ( q 1 + q 2 2 ) L 0 2 ]]>
最大剪力
                              Q max = 1 6 ( q 1 + 2 q 2 ) L 0 ]]>
侧墙厚度
                                 b = 6 M max [ σ b ] ]]>
式中H——填土高度，m；
h——侧墙净高，m；
[σ_b]——混凝土弯曲时允许拉应力，539kN/m²。
(2)基础厚度
基础即底板，可看做是倒置于两个边墙上的简支梁，梁的支座就是侧墙。底板底面所受的地基反力为梁的荷载，计算时可近似地认为地基反力是均布的，梁的计算跨度L₀＝1.05L。结构计算方法与盖板相同。假设底板所受均匀荷载为q₂＝ρg(H+h)时， M max = 1 8 q 2 L 0 2 , ]]>  Q max = 1 2 q 2 L 0 , ]]>厚度参考值见表9-1。
表9-1  方涵侧墙、基础尺寸(按简支梁)  单位：cm

3.2箱形(整体式)涵洞
(1)侧墙宽(单位长度侧墙)
当盖板、侧墙和基础形成整体的箱型结构时，侧墙可作为支撑在盖板及底板上的两端固定超静定梁计算。参考值见表9-2。
水平水压力
                                      q₁＝ρgH
                                    q₂＝ρg(H+h)
                                       L₀＝1.05h
最大弯矩
                                     M max = 1 12 q 2 L 0 2 ]]>
最大剪力
                                  Q max = 3 20 q 1 L 0 + 7 20 q 2 L 0 ]]>
侧墙宽
                                      b = 6 M max [ σ b ] ]]>
式中H——水深，m；
h——侧墙净高，m；
[σ_b]——混凝土弯曲时允许拉应力，539kN/m²。
(2)基础厚度
基础即底板，看做是倒置于两个边墙上两端固定的梁。结构计算方法与盖板相同。假设底板所受均匀荷载为q₂＝ρg(H+h)时， M max = 1 12 q 2 L 0 2 , ]]>  Q max = 1 2 q 2 L 0 , ]]>厚度参考值见表9-2。
表9-2  方涵侧墙、基础尺寸(两端固定梁)  单位：cm


4.圆涵壁厚及配筋
4.1壁厚
坝高和管径都较小的无压圆形涵洞，常使用素混凝土材料。根据《水土保持治沟骨干工程技术规范》(SL289-2003)管壁厚度用下式计算：
                              t = 0.06 PD 0 [ σ b ] ]]>
式中t——圆涵壁厚，m；
D₀——圆涵计算管径，D₀＝D+t，m；
D——圆涵内径，m；
D₁——圆涵外径，D₁＝D+2t，m；
P——单位长度管上垂直土压力，P＝ρ_cghD₁，kN/m；
ρ_c——填土密度，kg/m³；
h——圆涵顶部以上填土高度，m；
[σ_b]——混凝土弯曲时允许拉应力，kN/m²。
填土高度在6m以下时，管壁厚度可按管内径的1/12.5初拟；填土高度在6m以上时，管壁厚度可按管内径的1/10初拟。管壁厚度按构造要求，一般不宜小于8cm。
计算方法为试算法，过程见下表：
表10-1  圆涵管壁厚度试算过程表

圆涵壁厚参考表格见表10-2：
表10-2  圆涵管壁厚度

4.2配筋
(1)基本计算参数和规定
①圆涵内径D，壁厚t，圆涵外径D₁＝D+2t；
②圆涵计算半径r₀＝1/2(D+t)，管长度L＝2000mm；
③混凝土强度等级C30，混凝土弯曲抗压强度R_w＝22MPa，混凝土抗裂强度R_f＝2.1MPa；
④钢筋使用乙级冷拔低碳钢筋，标准强度R_y＝550MPa，钢筋抗拉设计强度R_y＝360MPa，钢筋弹性模量E_g＝2.0×10⁵MPa；
⑤管内径D≤800mm时，环筋、纵筋均选用直径d＝4mm，并且纵筋是8根，长度为1950mm；管内径800mm<D<1200mm时，环筋、纵筋均选用直径d＝5mm，并且纵筋是12根，长度为1950mm；
⑥管的外压荷载p_c和破坏荷载p_p参考GB/T11836—1999中的规定。
⑦环筋的内、外混凝土保护层最小厚度：当壁厚小于30mm时，应不小于12mm；当壁厚大于30mm或小于100mm时，应不小于15mm；当壁厚大于100mm时，应不小于20mm。
⑧钢筋骨架的环向钢筋间距不得大于150mm，并不得大于壁厚的3倍，钢筋直径不得小于2.3mm，两端的环向钢筋应密缠1～2圈；钢筋骨架的纵向钢筋直径不得小于2.3mm，根数不得小于6根。手工绑扎骨架的纵向钢筋间距不得大于300mm；焊接骨架的纵向钢筋间距不得大于400mm。
(2)配筋简化计算方法
①求外荷载力矩M
                             M＝0.318×K₁×p_c×r₀(kg·cm/m)
式中0.318——2个相对集中力作用下的理论弯矩系数；
K₁——实用力矩转换系数，取值见下表。
表10-3  实用力矩转换系数表

②管壁纵向断面受压高度X
X = t 0 - 0.5 4 h 0 2 - 0.0000363 M ( cm ) ]]>
式中，t₀为受拉钢筋中心至截面受压边缘的距离，对单层配筋t₀＝0.6t；对管壁厚t<100mm的双层配筋t₀＝t-1.5mm；对管壁厚t≥100mm的双层配筋t₀＝t-2.0mm；
③内环筋或单层筋的配筋截面积As
                                As＝6.11×K₂X(cm²/m)
式中，K₂为安全系数，取K₂＝1.2，则上式变为
                                As＝7.332X(cm²/m)
(3)裂缝宽度δ_max的核算
                                 δ max = K 3 × φ × σ s E g × L f ( cm ) ]]>
式中：φ为裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数，取
                                φ = K 4 × ( 1 - 0.235 × R f × b × t 2 M ) ]]>
其中：σ_s为纵向受拉钢筋的拉应力，有
                              σ s = M 0.87 × t 0 × A s ( kg / cm 2 ) ]]>
L_f为平均裂缝间距，取
                             L f = K 5 × ( 6 + 0.06 × d × b × t 0 A s ) ( cm ) ]]>
K₃为短期试压荷载作用下取1.0，长期荷载作用下取2.0；
K₄为短期试压荷载作用下取1.1，长期荷载作用下取1.2；
K₅为外压荷载抗裂安全系数，取2.0；
b为单位长度的管体，取b＝100cm。
根据有关技术规范的要求，如果核算δ_max<0.02cm，则产品配筋满足结构设计的要求，反之，则配筋不能满足产品结构设计要求，需要重新根据实际情况进行设计计算。
(4)环筋的螺距和圈数
环筋螺距S和圈数N
                           S＝25πd²/A_s(cm)
                          N＝195/S+2(圈)
圆涵配筋可参考下表10-4：
表10-4  钢筋混凝土圆管壁厚和配筋量

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。