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，青龍河規劃河段兩岸分布著凌源市前進鄉、三道河子鄉、刀爾登鎮、楊杖子鎮4個鄉鎮，保護5.9 萬人口、1.4 萬間房屋、8 333 hm2耕地和7 467 hm2林地。依據國家《防洪標準》(GB50201—94)的規定:以鄉村為主的防護區，應根據其人口或耕地確定相應的防洪標準。

對于防護區耕地面積≤2 萬hm2，人口≤20 萬人，防洪標準應確定為20 ～10 a(洪水重現期，下同)，防護區等級應列為Ⅳ級。據此，確定青龍河兩岸各鄉鎮段防洪標準為20 a一遇，其余農村段防洪標準為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，流態采用短洞無壓流，涵洞出口直接結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 工程規模的確定

3.1.1 涵洞進出口底高程確定

根據地形條件，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。

三道河子鄉段堤防標準斷面圖見圖1。

圖1 三道河子鄉段堤防標準斷面圖

3.1.2 涵洞流態及洞型選擇

根據設計的同頻率外河水位，結合堤防布置要求，涵洞水流流態為無壓流態。為增加整體性，穿堤涵洞選用鋼筋混凝土箱涵結構［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，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，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，(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，(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，涵洞規格為2.4 m ×2.4 m，孔數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 滲流穩定分析

根據上下游水位差和地基土壤的滲徑系數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，中砂取5.0;△H 為上下游水位差，m。

經計算，Lmin為17.287 m，小于涵洞水平長度28.3 m，滿足滲流穩定要求。9 處排洪涵的計算情況見表4。根據堤防工程設計及建筑物總體布置，本次設計排水涵閘經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。穿堤建筑物規格統計表見表5。

表5 穿堤建筑物規格統計表

4 結 語

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

［1］夏夢河，陳吉江. 山區溪道水力計算有關問題探討［J］.地方水利技術的應用與實踐，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］. 水利規劃與設計，2013(11):27 －28.