淺談涵洞中的水流形態(tài)和工作特點(diǎn)

蘭敬軍

摘要：涵洞的水流形態(tài)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(yīng)的上下游水位等各種因素。涵洞的水流形態(tài)可分為無壓、半有壓和有壓三種。各種水流形態(tài)的涵洞，具有不同的工作特點(diǎn)。

關(guān)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(jù)有關(guān)資料介紹:小橋涵工程數(shù)量約占橋涵總數(shù)的70%~80%，平原地區(qū)，每公里約有1~3座;山區(qū)和丘陵地區(qū)，每公里平均約有4~6座。小橋涵工程造價(jià)可以占到橋涵總額的50%以上。

1.1 涵洞的構(gòu)造

涵洞由洞身、進(jìn)口建筑物和出口建筑物三部分組成。有翼墻的涵洞進(jìn)口建筑物由進(jìn)口翼墻、護(hù)底和涵前鋪砌結(jié)構(gòu)組成。無翼墻的涵洞進(jìn)口建筑物由護(hù)底和涵前鋪砌結(jié)構(gòu)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(hù)底和出口防沖鋪砌或消能設(shè)施構(gòu)成。無翼墻的涵洞出口建筑物由護(hù)底和出口防沖鋪砌或消能設(shè)施構(gòu)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(shè)消能設(shè)施。而在實(shí)際工程當(dāng)中臨界坡涵洞使用最廣泛，為了保證結(jié)構(gòu)安全耐用，也常設(shè)有防沖鋪砌和消能設(shè)施。

1.2 涵洞的分類

涵洞按構(gòu)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(yù)制管，根據(jù)地基情況可采用有底座基礎(chǔ)，或直接放在地基上，當(dāng)涵洞直徑很小時(shí)，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(cè)墻及蓋板組成。側(cè)墻與底板可做成整體式、也可做成分離式。拱涵由拱圈、側(cè)墻、護(hù)拱和底板構(gòu)成，側(cè)墻、底板和護(hù)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(xiàn)場(chǎng)澆鑄的鋼筋混凝土構(gòu)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(tài)，從而產(chǎn)生不同的涵洞水力計(jì)算圖式。因此，涵洞按過水的水力性質(zhì)不同，可分為無壓力式涵洞、半壓力式涵洞和壓力式涵洞。當(dāng)涵洞入口水流深度小于洞口高度，并在洞身全長范圍內(nèi)水面都不觸及洞頂，洞內(nèi)具有自由水面時(shí)，為無壓力式涵洞。當(dāng)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(nèi)(進(jìn)水口除外)具有自由水面，為半壓力式涵洞。當(dāng)涵洞進(jìn)水口水深大于洞口高度，并在洞身全長范圍內(nèi)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(jì)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(dāng)流量一定時(shí)，能率E(即斷面單位能量)隨水深的增加而增大，勢(shì)能大而動(dòng)能小，水深流緩，水流處于緩流狀態(tài)，稱為緩流;如果能率隨水深的增加而減少，勢(shì)能小而動(dòng)能大，水淺流急，水流處于急流狀態(tài)，稱為急流;能率達(dá)到最小值，即緩流與急流的分界處水流處于臨界狀態(tài)，稱為臨界流。當(dāng)流量一定時(shí)，臨界流的總能量最小，當(dāng)總能量一定時(shí)，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(shè)計(jì)的涵洞，孔徑比按緩流設(shè)計(jì)的小，凈高低。而且當(dāng)流量一定時(shí)，其總能量比按急流設(shè)計(jì)的小，可以減少其沖刷能力，以達(dá)到安全渲泄設(shè)計(jì)流量的目的。因此設(shè)計(jì)涵洞，臨界流是最理想的水流類型。實(shí)際工程中的涵洞一般按臨界流和緩流兩種情況來設(shè)計(jì)。

2 無壓涵洞的水流形態(tài)及工作特點(diǎn)

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(nèi)將呈現(xiàn)出不同的水流現(xiàn)象，表現(xiàn)出不同的工作特點(diǎn)。

從上游進(jìn)入涵洞的水流，在平面上將產(chǎn)生收縮，同時(shí)產(chǎn)生跌落，并在進(jìn)口后形成收縮斷面。收縮斷面至出口前這段水流現(xiàn)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(chǎn)生淹沒水躍，則水流將保持急流狀態(tài)出洞。在急流情況下，下游的影響不會(huì)傳到上游，即隨洞長增加所產(chǎn)生的洞壁摩阻作用對(duì)流量不產(chǎn)生影響，因此不論洞的長短，通過的流量完全由進(jìn)流情況確定。進(jìn)口水流情況相當(dāng)于寬頂堰流。

2.2 緩坡涵洞(i＜ik）

在緩坡涵洞中，當(dāng)涵洞出口水位較低時(shí)，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(fā)展到臨界水深人，全洞為急流，此時(shí)洞長不影響過流能力，進(jìn)口相當(dāng)于自由寬頂堰流。若涵洞稍長，水面曲線在洞內(nèi)發(fā)展到了臨界水深氣，水流將通過波狀水躍過渡到緩流，這時(shí)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(dāng)涵洞再長，由于洞內(nèi)阻力增大，流速減小，緩流段水面進(jìn)一步奎高，致使收縮斷面淹沒，過流能力受到淹沒影響，這時(shí)進(jìn)口相當(dāng)于淹沒寬頂堰流。當(dāng)洞長再增加，洞內(nèi)將產(chǎn)生均勻流，這時(shí)洞內(nèi)過流能力受均勻流控制。下游水位對(duì)無壓涵洞洞內(nèi)水流狀態(tài)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(dāng)涵洞下游水位ht>h0時(shí)，洞內(nèi)將產(chǎn)生奎水曲線，即水深以尾部最深，收縮斷面處最淺。

當(dāng)涵洞下游水深ht位于臨界水深hk和正常水深h0之間時(shí)，hk

以上兩種情況均使進(jìn)口受到淹沒，進(jìn)口相當(dāng)于淹沒寬頂堰流。

(b) i>ik:當(dāng)hout>(l.2～1.4)hk+iL+z時(shí)，收縮斷面將受到淹沒，洞內(nèi)產(chǎn)生壅水曲線，進(jìn)口相當(dāng)于淹沒寬頂堰流。

3 半有壓涵洞的水流形態(tài)及工作特點(diǎn)

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

半有壓流洞內(nèi)水流，依涵洞底坡、長度和進(jìn)出口水位不同而呈不同狀態(tài)。

3.1 半有壓緩坡涵洞(i

在半有壓緩坡涵洞中，當(dāng)上游水深不大時(shí)，水流在涵洞進(jìn)口產(chǎn)生收縮，水流現(xiàn)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(dāng)涵洞長度較短，水深尚未發(fā)展到hk時(shí)，水流便以急流流出洞口，這時(shí)全洞只在進(jìn)口處水流貼頂，其余均具有自由水面。當(dāng)涵洞長度達(dá)到一定數(shù)值后，增加的水深發(fā)展到hk，這時(shí)在洞內(nèi)將產(chǎn)生波狀水躍，當(dāng)躍后水深hc>a(a為涵洞高)時(shí)，則躍后緩流將貼洞頂，水流一旦貼頂，則進(jìn)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(tài)。這種半有壓流態(tài)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(dāng)涵洞上游水深不大時(shí)，在進(jìn)口收縮斷面以后，水面曲線趨向于正常水深h0，當(dāng)水深達(dá)到洞高a時(shí)，便產(chǎn)生貼頂。當(dāng)洞較長時(shí)，將發(fā)生不穩(wěn)定流態(tài)，即洞內(nèi)將出現(xiàn)時(shí)而為無壓，時(shí)而為有壓的現(xiàn)象，對(duì)涵洞的使用和結(jié)構(gòu)都將產(chǎn)生不利的影響。涵洞下游水位將對(duì)半有壓洞內(nèi)水流狀態(tài)產(chǎn)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(duì)半有壓洞內(nèi)水流狀態(tài)產(chǎn)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(jìn)口淹沒，水流進(jìn)入涵洞產(chǎn)生收縮，收縮斷面后水深以急流狀態(tài)向正常水深趨近，達(dá)洞出口時(shí)水深為hout，出口水深hout的共軛水深hout”和下游水深間的關(guān)系可分為以下三種情況。

當(dāng)下游水深ht

當(dāng)ht>hout”時(shí)，在洞口發(fā)生淹沒式水躍。

當(dāng)ht>hout”時(shí)，ht>ha(a為涵洞高)，則半有壓流轉(zhuǎn)變?yōu)槌隹谘蜎]的有壓流。

4 有壓涵洞的水流形態(tài)及工作特點(diǎn)

水流充滿整個(gè)涵洞，沒有自由水面，即涵洞內(nèi)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(shí)，洞內(nèi)為有壓流;當(dāng)涵洞進(jìn)口水位較高時(shí)，雖然下游水位低于出口洞頂，但水流仍充滿整個(gè)涵洞，沒有自由水面，這時(shí)洞內(nèi)也為有壓流。底坡較大的有壓涵，易發(fā)生有害的不穩(wěn)定流態(tài)，對(duì)涵洞使用和結(jié)構(gòu)受力都將產(chǎn)生不利的影響。

參考文獻(xiàn)

[1]顏竹丘.水能利用.水利水電出版社.1986.11.

[2]彭靜.丁壩水流及沖刷.黃河水利出版社.2004.11.

[3]王英華.水工建筑物.中國水利水電出版社.2004.09.