浅谈涵洞中的水流形态和工作特点
兰敬军
摘要：涵洞的水流形态决定于涵洞的断面形状、尺寸、洞长、底坡、洞口形式、流量及相应的上下游水位等各种因素。涵洞的水流形态可分为无压、半有压和有压三种。各种水流形态的涵洞，具有不同的工作特点。
关键词：涵洞；无压涵洞；缓坡涵洞
1 涵洞
涵洞是铁路、公路工程中的重要组成部分。据有关资料介绍:小桥涵工程数量约占桥涵总数的70%~80%，平原地区，每公里约有1~3座;山区和丘陵地区，每公里平均约有4~6座。小桥涵工程造价可以占到桥涵总额的50%以上。
1.1 涵洞的构造
涵洞由洞身、进口建筑物和出口建筑物三部分组成。有翼墙的涵洞进口建筑物由进口翼墙、护底和涵前铺砌结构组成。无翼墙的涵洞进口建筑物由护底和涵前铺砌结构组成。涵身位于填土下面，是涵洞过水的主要部分。有翼墙的涵洞出口建筑物由出口翼墙、护底和出口防冲铺砌或消能设施构成。无翼墙的涵洞出口建筑物由护底和出口防冲铺砌或消能设施构成。通常与有压、半有压或陡坡涵洞相比，无压缓坡涵洞出口流速不大，故出口多做一段防冲铺砌。有压、半有压或陡坡涵洞出口流速则较大，常需设消能设施。而在实际工程当中临界坡涵洞使用最广泛，为了保证结构安全耐用，也常设有防冲铺砌和消能设施。
1.2 涵洞的分类
涵洞按构造形式可分为管涵、盖板涵、拱涵和箱涵等。管涵多采用钢筋混凝土预制管，根据地基情况可采用有底座基础，或直接放在地基上，当涵洞直径很小时，也可采用素混凝土制作的管涵，但在定型图中一般不采用。盖板涵由地板、侧墙及盖板组成。侧墙与底板可做成整体式、也可做成分离式。拱涵由拱圈、侧墙、护拱和底板构成，侧墙、底板和护拱一般采用素混凝土，拱圈多采用钢筋混凝土。箱涵一般采用现场浇铸的钢筋混凝土构成。
水流通过涵洞的深度不同，直接影响涵洞过水的水力状态，从而产生不同的涵洞水力计算图式。因此，涵洞按过水的水力性质不同，可分为无压力式涵洞、半压力式涵洞和压力式涵洞。当涵洞入口水流深度小于洞口高度，并在洞身全长范围内水面都不触及洞顶，洞内具有自由水面时，为无压力式涵洞。当涵洞洞口水流深度大于洞口高度，水流充满洞口，但在洞身全长范围内(进水口除外)具有自由水面，为半压力式涵洞。当涵洞进水口水深大于洞口高度，并在洞身全长范围内都充满水流且无自由水面，为压力式涵洞。
1.3 涵洞的水流类型
涵洞的主要作用是排水，因此涵洞水力计算是很重要的。涵洞的水流类型有缓流、急流和临界流三种。当流量一定时，能率E(即断面单位能量)随水深的增加而增大，势能大而动能小，水深流缓，水流处于缓流状态，称为缓流;如果能率随水深的增加而减少，势能小而动能大，水浅流急，水流处于急流状态，称为急流;能率达到最小值，即缓流与急流的分界处水流处于临界状态，称为临界流。当流量一定时，临界流的总能量最小，当总能量一定时，临界流的流量最大;临界流介于缓流和急流之间。按临界流设计的涵洞，孔径比按缓流设计的小，净高低。而且当流量一定时，其总能量比按急流设计的小，可以减少其冲刷能力，以达到安全渲泄设计流量的目的。因此设计涵洞，临界流是最理想的水流类型。实际工程中的涵洞一般按临界流和缓流两种情况来设计。
2 无压涵洞的水流形态及工作特点
水流在通过涵洞的全部长度上都具有自由水面，称为无压流。无压涵洞由于底坡、长度及涵前或出口水位不同，涵内将呈现出不同的水流现象，表现出不同的工作特点。
从上游进入涵洞的水流，在平面上将产生收缩，同时产生跌落，并在进口后形成收缩断面。收缩断面至出口前这段水流现象主要取决于底坡、洞长和出口水位。
2.1 陡坡涵洞（i＞ik）
在陡坡涵洞中，收缩断面以后，水面曲线趋向于正常水深h0，只要涵洞为自由出流，下游水深就不足以使洞中水流产生淹没水跃，则水流将保持急流状态出洞。在急流情况下，下游的影响不会传到上游，即随洞长增加所产生的洞壁摩阻作用对流量不产生影响，因此不论洞的长短，通过的流量完全由进流情况确定。进口水流情况相当于宽顶堰流。
2.2 缓坡涵洞(i＜ik）
在缓坡涵洞中，当涵洞出口水位较低时，收缩断面以后的水面曲线将逐渐趋于临界水深气，若涵洞较短，则水面曲线直到洞口还未发展到临界水深人，全洞为急流，此时洞长不影响过流能力，进口相当于自由宽顶堰流。若涵洞稍长，水面曲线在洞内发展到了临界水深气，水流将通过波状水跃过渡到缓流，这时涵洞前段水流为急流，后段水流为缓流，但仍不影响过流能力。当涵洞再长，由于洞内阻力增大，流速减小，缓流段水面进一步奎高，致使收缩断面淹没，过流能力受到淹没影响，这时进口相当于淹没宽顶堰流。当洞长再增加，洞内将产生均匀流，这时洞内过流能力受均匀流控制。下游水位对无压涵洞洞内水流状态的影响，依涵洞底坡和长短不同，可以分为以下几种情况。
(a)i 当涵洞下游水位ht>h0时，洞内将产生奎水曲线，即水深以尾部最深，收缩断面处最浅。 当涵洞下游水深ht位于临界水深hk和正常水深h0之间时，hk 以上两种情况均使进口受到淹没，进口相当于淹没宽顶堰流。 (b) i>ik:当hout>(l.2～1.4)hk+iL+z时，收缩断面将受到淹没，洞内产生壅水曲线，进口相当于淹没宽顶堰流。 3 半有压涵洞的水流形态及工作特点 水流在涵洞进口断面上全部被充满，洞内全部或部分具有自由水面，这种水流形态称为半有压流。 半有压流洞内水流，依涵洞底坡、长度和进出口水位不同而呈不同状态。 3.1 半有压缓坡涵洞(i 在半有压缓坡涵洞中，当上游水深不大时，水流在涵洞进口产生收缩，水流现象有如闸孔出流。收缩断面后水流深度逐渐增加，水面线趋向气，.当涵洞长度较短，水深尚未发展到hk时，水流便以急流流出洞口，这时全洞只在进口处水流贴顶，其余均具有自由水面。当涵洞长度达到一定数值后，增加的水深发展到hk，这时在洞内将产生波状水跃，当跃后水深hc>a(a为涵洞高)时，则跃后缓流将贴洞顶，水流一旦贴顶，则进口与贴顶间形成封闭气囊中的空气将不断被带走，以致最后消失，从而使涵洞少部分具有自由水面，形成半有压流态。这种半有压流态的过水能力与有压流相近。 3.2 半有压陡坡涵洞(i>ik) 在半有压陡坡涵洞中，当涵洞上游水深不大时，在进口收缩断面以后，水面曲线趋向于正常水深h0，当水深达到洞高a时，便产生贴顶。当洞较长时，将发生不稳定流态，即洞内将出现时而为无压，时而为有压的现象，对涵洞的使用和结构都将产生不利的影响。涵洞下游水位将对半有压洞内水流状态产生影响。以涵洞底坡和长短不同，可分为以下几种情况。 涵洞下游水位将对半有压洞内水流状态产生影响。以涵洞底坡和长短不同，可分为以下几种情况。 (a) i (b) i>ik:在半有压陡坡涵洞中，其进口淹没，水流进入涵洞产生收缩，收缩断面后水深以急流状态向正常水深趋近，达洞出口时水深为hout，出口水深hout的共轭水深hout”和下游水深间的关系可分为以下三种情况。 当下游水深ht 当ht>hout”时，在洞口发生淹没式水跃。 当ht>hout”时，ht>ha(a为涵洞高)，则半有压流转变为出口淹没的有压流。 4 有压涵洞的水流形态及工作特点 水流充满整个涵洞，没有自由水面，即涵洞内水流为有压流。有压流又可分为两种情况:涵洞出口淹没在下游水位以下，上游水位也淹没洞口时，洞内为有压流;当涵洞进口水位较高时，虽然下游水位低于出口洞顶，但水流仍充满整个涵洞，没有自由水面，这时洞内也为有压流。底坡较大的有压涵，易发生有害的不稳定流态，对涵洞使用和结构受力都将产生不利的影响。 参考文献 [1]颜竹丘.水能利用.水利水电出版社.1986.11. [2]彭静.丁坝水流及冲刷.黄河水利出版社.2004.11. [3]王英华.水工建筑物.中国水利水电出版社.2004.09.
