青龍河穿堤建筑物工程布置相關分析與探討

楊大魁

(遼寧省朝陽市凌源市水務局河道管理所，遼寧 凌源122500)

1 工程概況

工程治理范圍上游起點東營子，終點下游虎頭石，河道中心線長度28.8 km，青龍河規(guī)劃河段兩岸分布著凌源市前進鄉(xiāng)、三道河子鄉(xiāng)、刀爾登鎮(zhèn)、楊杖子鎮(zhèn)4個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，保護5.9 萬人口、1.4 萬間房屋、8 333 hm2耕地和7 467 hm2林地。依據(jù)國家《防洪標準》(GB50201—94)的規(guī)定:以鄉(xiāng)村為主的防護區(qū)，應根據(jù)其人口或耕地確定相應的防洪標準。

對于防護區(qū)耕地面積≤2 萬hm2，人口≤20 萬人，防洪標準應確定為20 ～10 a(洪水重現(xiàn)期，下同)，防護區(qū)等級應列為Ⅳ級。據(jù)此，確定青龍河兩岸各鄉(xiāng)鎮(zhèn)段防洪標準為20 a一遇，其余農(nóng)村段防洪標準為10 a一遇。

青龍河綜合整治工程兩岸穿堤建筑物共有9處，根據(jù)相應的流域面積擬采用鋼筋混凝土箱涵及混凝土預制圓管涵［1］。

2 穿堤建筑物工程布置

青龍河綜合整治工程兩岸穿堤建筑物共有9處，主要解決堤外洪水問題，本次設計堤防工程為4級，排洪建筑物級別為4 級，建筑物的防洪標準為10 a一遇，根據(jù)相應的流域面積擬采用鋼筋混凝土箱涵及混凝土預制圓管涵。

擬定箱涵建筑物的位置、相應設計流量詳見表1。

表1 穿堤建筑物情況表

在水流匯流處的堤防均設穿堤涵洞，形式為鋼筋混凝土方涵，在除外洪匯流處的地勢低洼處，路截斷處等設置1 m管徑的預制鋼筋混凝土圓管涵。方涵采用設計流量進行計算，流態(tài)采用短洞無壓流，涵洞出口直接結(jié)合堤防采用一字形翼墻［2］。

3 水力計算

以YD7(三道河子)位置處的涵洞為例進行計算說明。

YD7 位于青龍河右岸防洪堤SY0 +004(堤樁號)處，排洪建筑物級別為4 級，其防洪標準同右岸堤防防洪標準，設計洪水為10 a一遇，相應設計流量15.2 m3/s。堤防現(xiàn)狀地面高程為340.13 m，相應堤防高程為344.66 m，涵洞出口處10 a 水位為343.56 m，對應水深2.77 m，堤防高為4.53 m。

3.1 工程規(guī)模的確定

3.1.1 涵洞進出口底高程確定

根據(jù)地形條件，為減少開挖量并使進出口水流平順，涵洞進出口高程按溝底自然高程布置，涵洞上游地面高程340.13 m，堤頂寬4 m，背水邊坡為1∶2，涵洞縱向底坡i =0.005，涵底高程為340.13m，穿堤涵洞總長度為7.63 m。

三道河子鄉(xiāng)段堤防標準斷面圖見圖1。

圖1 三道河子鄉(xiāng)段堤防標準斷面圖

3.1.2 涵洞流態(tài)及洞型選擇

根據(jù)設計的同頻率外河水位，結(jié)合堤防布置要求，涵洞水流流態(tài)為無壓流態(tài)。為增加整體性，穿堤涵洞選用鋼筋混凝土箱涵結(jié)構(gòu)［3］。

3.1.3 涵洞孔徑尺寸確定:

涵洞采用1 孔，單孔寬b =2.4 m，洞高a =2.4 m，進口采用一字墻布置形式，流量系數(shù)m =0.34，i =0.005，n =0.017，為保證為無壓流，涵前最大水深H =1.15a=2.76 m。

假定涵洞為陡坡短洞，不考慮外河同頻率洪水時，按自由出流公式計算(δc =1.0 )。

當通過設計流量Q =15.2 m3/s時，所需的涵前水深為:H03/2=4.037，H0=2.55 m ＜2.875 m，滿足無壓流態(tài)的要求。

長短洞界限長度為Lk= (64 － 163m)H =21.879 m ＞7.63 m，屬于短洞。

經(jīng)過計算得出涵洞設計情況見下表2。

3.2 消能計算

所有排洪涵洞均為底流式消能，采用熊啟鈞編制《涵洞》電算程序進行計算，以YD7 三道河子涵洞為例，計算詳細過程如下:

表2 涵洞情況表

3.2.1 計算公式

式中:T0為由消力池底板頂算起的總勢能，m;H 為從進口洞底算起的進口水深，m;P 為從出口洞底至消力池底的跌差，m;L 為洞身長度，m;i 為不洞底坡度，m;v1為上游行進流速，m/s;α 為水流動能校正系數(shù)，采用1.0;q 為單寬流量消力池進出口的寬度，m3/s·m;hc為收縮斷面處的水深，m;h″c為躍后水深，m;b1為消力池首端寬度，m;b2為消力池末端寬度，m;Φ 為流速系數(shù)，Φ =0.95;g 為重力加速度，g=9.81 m/s2;△Z 為出池落差，m;σ0為水躍淹沒系數(shù)，(1.05 ～1.10)m;d 為消力池深，m;Lsj為消力池長度，m;hs為下游水深，m;β 為水躍長度校正系數(shù)，(0.7 ～0.8)m。

3.2.2 收縮水深及躍后水深

已知:設計流量Q =15.21 m3/s，涵前水深為2.55 m，行進流速取1.084 m/s，涵洞長度為7.63 m，涵洞規(guī)格為2.4 m ×2.4 m，孔數(shù)1 孔，洞底縱坡為i=0.005，跌差P =0.4 m，池首端寬度2.86 m，池尾端寬度為12.84 m，尾水渠hs =1.58 m。

1)上游總能頭的計算:

2)收縮水深hc的計算:

此處α =1.0，φ 為0.95，通過試算得收縮水深hc為1.06 m。

3)躍后水深h″c的計算:

3.2.3 消力池長的確定

消力池的長度從涵洞出口至堤腳處。

3.2.4 海漫長度的確定

經(jīng)計算，9 處排洪涵的消能設施見表3。

表3 消能設施情況表

經(jīng)過計算消力池深d =0，說明不需要建消力池。對于計算不需要建消力池的涵洞，為了減少水流對下游的沖刷的可能性，本次設計設置深0.5 m的消力池。

3.2.5 滲流穩(wěn)定分析

根據(jù)上下游水位差和地基土壤的滲徑系數(shù)來確定地下滲徑的最小長度。

式中:Lmin為地下滲徑的最小長度，m;C 為滲徑系數(shù)，中砂取5.0;△H 為上下游水位差，m。

經(jīng)計算，Lmin為17.287 m，小于涵洞水平長度28.3 m，滿足滲流穩(wěn)定要求。9 處排洪涵的計算情況見表4。根據(jù)堤防工程設計及建筑物總體布置，本次設計排水涵閘經(jīng)驗算防滲長度均滿足要求。

表4 排洪涵滲透情況計算表

3.2.6 地基處理

為保證排洪涵基礎的穩(wěn)定性，對天然表層沉積土和淤泥土應予以清除，設計要求，涵洞基礎鋪設1.5 m厚砂礫石。穿堤建筑物規(guī)格統(tǒng)計表見表5。

表5 穿堤建筑物規(guī)格統(tǒng)計表

4 結(jié) 語

通過穿堤建筑物合理的布置，確保堤防外側(cè)洪水正常排洪，經(jīng)過詳細的計算，得到最經(jīng)濟的斷面型式，既節(jié)約了資金，又確保了工程安全。

［1］夏夢河，陳吉江. 山區(qū)溪道水力計算有關問題探討［J］.地方水利技術(shù)的應用與實踐，2005(01):59 －61.

［2］呂朋輝. 十家子河防洪工程布置及建筑物設計分析［J］.內(nèi)蒙古水利，2014(04):136 －137.

［3］袁志明. 水利工程涵洞設計若干問題探討［J］. 水利規(guī)劃與設計，2013(11):27 －28.