費(fèi)縣祊河典型管涵與箱涵水力設(shè)計(jì)分析

王 亮

(山東省臨沂市費(fèi)縣水利工程保障中心，山東 臨沂 273400)

1 概述

涵洞是水利工程重要組成部分之一，在排水結(jié)構(gòu)上有著舉足輕重的地位。然而受地質(zhì)條件的制約，涵洞的施工設(shè)計(jì)方法需要根據(jù)當(dāng)?shù)亟ú那闆r和以往工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修正，目前尚無統(tǒng)一的設(shè)計(jì)方法，因此探討不同工程地質(zhì)條件下，涵洞設(shè)計(jì)方法具有重要意義[1-6]。

王周奇[7]從水庫放水涵洞除險(xiǎn)加固方案的類型選擇、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及涵洞的長度與造價(jià)的關(guān)系確定等方面，分析論述了水庫放水涵洞的設(shè)計(jì)施工要點(diǎn)；周龍[8]對常見的涵洞類型進(jìn)行總結(jié)，并對如何進(jìn)行洞身以及洞口形式的選擇展開研究；江端輝[9]在分析涵洞設(shè)計(jì)的重要意義以及設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上，并指出涵洞設(shè)計(jì)中存在的缺陷，并提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)對策；王新等[10]針對坤南排水閘站穿堤涵洞進(jìn)口位置具體情況，判別涵洞內(nèi)水流流態(tài)并計(jì)算過流能力，進(jìn)一步分析內(nèi)外水位差和過流能力關(guān)系。文獻(xiàn)[11-15]還對水利工程相關(guān)涵洞設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了淺要分析。

當(dāng)前少有文獻(xiàn)對水利工程相關(guān)的涵洞設(shè)計(jì)方法進(jìn)行具體闡述，因此本文以費(fèi)縣祊河綜合治理工程為例，先擬定了蓋板涵洞和鋼筋混凝土圓管涵洞兩種結(jié)構(gòu)型式方案比較，之后探討了管涵和箱涵的過流能力、消力池底板厚度和防滲長度計(jì)算方法，研究成果可為相關(guān)工程提供參考。

2 工程概況

祊河發(fā)源于鄒城東部南王村西山峪，河口高程98.9m，落差18.2m，平均比降0.77‰。縣內(nèi)流域面積467.84km2，河面平均寬度384.1m，系常年性河流。有上冶、龍王口2座中型水庫和眾多小型水庫。本次費(fèi)縣祊河治理工程治理范圍：自費(fèi)縣X210縣道起至上游平邑縣界止，河道治理長度9.536km，對應(yīng)祊河中泓樁號(59+015～68+551)。本次治理工程區(qū)采砂造成河岸坍塌，堤防斷面減小，造成險(xiǎn)工。無防汛道路，不能日?？焖傺沧o(hù)，造成這種亂采亂挖不能有效制止，也造成防汛搶險(xiǎn)的困難。本次設(shè)計(jì)治理段河道現(xiàn)狀防洪能力不足20年一遇，已不能適應(yīng)當(dāng)?shù)厣鐣蛧窠?jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，同時(shí)嚴(yán)重威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全，因此對河道進(jìn)行治理是十分必要的。

3 管涵典型設(shè)計(jì)

3.1 方案比選

根據(jù)當(dāng)?shù)亟ú那闆r和以往工程經(jīng)驗(yàn)，擬定了蓋板涵洞和鋼筋混凝土圓管涵洞2種結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行方案比較。方案Ⅰ：蓋板涵洞方案。新建1孔1.2m×1.2m蓋板涵洞，洞身長16m，邊墩和底板均采用C25埋石混凝土結(jié)構(gòu)，邊墩厚0.8m，底板厚0.2m，蓋板采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，板厚0.2m，凈跨1.2m。方案Ⅱ：鋼筋混凝土圓管涵洞方案。新建1孔φ1.0m混凝土圓涵，洞身長18m，圓管采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，壁厚0.12m。以上2個(gè)方案的工程量及直接投資比較見表1。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，鋼筋混凝土圓管涵洞具有結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、抗?jié)B性能好和工程投資小等優(yōu)點(diǎn)。因此本次設(shè)計(jì)選擇方案Ⅱ，即鋼筋混凝土圓管涵洞方案。

表1 涵洞結(jié)構(gòu)型式方案比較

管涵采用φ1.0m的預(yù)制鋼筋混凝土管，管座采用C25素混凝土，進(jìn)出口擋墻采用C25埋石混凝土擋墻，出口型式采用八字翼墻，翼墻與軸線夾角為12°，消力池分為陡坡段和水平段，陡坡段采用C25混凝土，厚0.4m，下設(shè)C15混凝土墊層厚0.1m，陡坡段坡比為1∶4，水平段采用C25混凝土，厚0.5m，下設(shè)C15混凝土墊層厚0.1m，消力池坎高0.5m，寬0.5m；延至設(shè)計(jì)河底，為防止河水沖刷，基礎(chǔ)1.5m，并在末端設(shè)置C25混凝土封堵。

3.2 過流能力計(jì)算

涵洞的排澇面積為0.16km2，計(jì)算其排水流量為0.6m3/s，初擬涵洞為φ1.0m的鋼筋混凝土圓管涵洞，共1孔，計(jì)算復(fù)核其過流能力。涵洞的過流能力根據(jù)GB 50288—2018《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中附錄M推薦的公式計(jì)算。當(dāng)涵洞進(jìn)口水深h≤1.2D(洞高)時(shí)，出口水深h

(1)

(2)

(3)

hs=h-iL短洞)

(4)

式中，Q—涵洞過流量，m3/s；B—洞寬，m；m—流量系數(shù)，可近似采用m=0.36；ε—側(cè)收縮系數(shù)，可近似取ε=0.95；H0—包括行近流速水頭在內(nèi)的進(jìn)口水深，m；g—重力加速度，g=9.81，m/s2；σ—淹沒系數(shù)，可按表M.0.3-1查得；hs—洞進(jìn)口內(nèi)水深，m；v—上游行近流速，m/s；α—?jiǎng)幽苄拚禂?shù)，可采用α=1.05。因計(jì)算排水流量較小，設(shè)計(jì)管涵進(jìn)口渠道渠底寬度不小于2.6m，計(jì)算水深小于涵洞洞徑D，本次按1.2D確定為涵洞進(jìn)口水深，出口水深h

3.3 消力池底板厚度計(jì)算

(5)

式中，t—消力池底板始端厚度，m；ΔH—泄水時(shí)的上、下游水位差，m；k1—消力池底板計(jì)算系數(shù)，采用0.18；q—單寬流量，m3/s；本次設(shè)計(jì)涵洞設(shè)置消力池，消力池陡坡段長度根據(jù)高程確定，水平段長5m、厚0.5m，池坎高0.5m、寬0.5m，采用C25素混凝土結(jié)構(gòu)，消力池末端設(shè)C25砼封堵。

3.4 防滲長度計(jì)算

涵洞底板的防滲長度按下式計(jì)算：

L=C·ΔH

(6)

式中，C—允許滲徑系數(shù)，取C=4.5；ΔH—上、下游水位差，排澇時(shí)取ΔH=0.50m；防洪時(shí)取ΔH=3.1m。計(jì)算防滲長度分別為2.25m和13.95m，實(shí)際布置防滲長度為41.676m，滿足設(shè)計(jì)要求。擬建涵管建基面基礎(chǔ)底面坐落在(1-1)層中粗砂的上部，本次設(shè)計(jì)對涵管兩側(cè)及上下游1m范圍內(nèi)的中粗砂地層采取翻壓措施處理。擬建管涵設(shè)計(jì)計(jì)算見表2。

表2 擬建管涵設(shè)計(jì)計(jì)算表

4 箱涵典型設(shè)計(jì)

選擇祊河右岸樁號59+375處箱涵進(jìn)行典型設(shè)計(jì)，涵洞出口灘地較短，出口型式采用八字翼墻，縮短出口長度，在河道開挖斷面做好防沖措施。八字翼墻設(shè)置有Ф100PVC排水管。

4.1 過流能力計(jì)算

涵洞的排澇面積為1.47km2，計(jì)算其排水流量為4.81m3/s，初擬涵洞為2×2箱涵，共2孔，計(jì)算復(fù)核其過流能力。涵洞的過流能力根據(jù)GB 50288—2018《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中附錄M推薦的公式計(jì)算。計(jì)算式見第3節(jié)公式1-4。

消能計(jì)算公式

消力池深度計(jì)算公式：

(7)

收縮水深計(jì)算公式：

(8)

躍后水深計(jì)算公式：

(9)

出池落差計(jì)算公式：

(10)

消力池長度計(jì)算公式：

Lsj=Ls+βLj

(11)

(12)

式中，Lsj—消力池長度，m；Ls—消力池斜坡段水平投影長度，m；β—水躍長度校正系數(shù)，取0.75；Lj—水躍長度，m。

消力池底板厚度計(jì)算公式：

(13)

式中，t—消力池底板始端厚度，m；ΔH′—泄水時(shí)的上、下游水位差，m；k1—消力池底板計(jì)算系數(shù)，采用0.18；q—單寬流量，m2/s；

經(jīng)計(jì)算，消力池深0.27m，消力池長11.31m，躍前水深0.07m，躍后水深2.07m。由此計(jì)算得祊河右岸中泓樁號59+375處箱涵需要設(shè)置消力池。消力池陡坡段長度根據(jù)高程確定，水平段長5m、厚0.5m，池坎高0.5m，寬0.5m，采用C25素混凝土結(jié)構(gòu)，消力池末端設(shè)C25砼封堵。

4.2 防滲長度計(jì)算

涵洞底板的防滲長度按式6計(jì)算。C為4.5，排澇時(shí)取ΔH=0.50m，防洪時(shí)取ΔH=2.9m。計(jì)算防滲長度分別為2.25m和13.05m，實(shí)際布置防滲長度為29.58m，滿足設(shè)計(jì)要求。為保證滲透水流方便排出，本次在涵洞進(jìn)口鋪蓋設(shè)置Ф100PVC排水管，間距1.0m梅花形布置，下設(shè)反濾墊層及反濾土工布。擬建箱涵建基面基礎(chǔ)底面坐落在(1-1)層中粗砂的上部，本次設(shè)計(jì)對箱涵兩側(cè)及上下游1m范圍內(nèi)的中粗砂地層采取翻壓措施處理。

表3 箱涵消力池計(jì)算成果表

5 結(jié)論

蓋板涵洞和鋼筋混凝土圓管涵洞兩種結(jié)構(gòu)是水利工程重要的排水結(jié)構(gòu)型式，本文結(jié)合費(fèi)縣祊河涵洞工程實(shí)例，研究了管涵和箱涵的過流能力、消力池底板厚度和防滲長度計(jì)算方法。研究結(jié)果認(rèn)為，相比于蓋板涵洞，鋼筋混凝土圓管涵洞具有結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、抗?jié)B性能好和工程投資小等優(yōu)點(diǎn)，因此與本例相似工況建議采用鋼筋混凝土圓管涵洞。另一方面，在進(jìn)行過水能力設(shè)計(jì)時(shí)，如果管涵計(jì)算排水流量較小，設(shè)計(jì)管涵進(jìn)口渠道渠底寬度不小于2.6m，計(jì)算水深小于涵洞洞徑D，按1.2D確定為涵洞進(jìn)口水深，出口水深h