穿堤排水涵洞過流能力計算

劉 克

穿堤排水涵洞過流能力計算

劉 克

排澇泵站是沿江濱湖平原地區和低洼圩區防洪除澇工程中經常采用的一種交叉建筑物，穿堤排水涵洞在泵站中起著非常重要的作用。它的過流能力計算是確定其斷面大小的重要依據，是影響到整個泵站水力設計的關鍵。本文通過實例分析計算穿堤排水涵洞的過流能力，結果表明，必須先對過涵洞水流的流態進行分析，再對其過流能力進行計算。

沿江濱湖（海）平原地區和低洼圩區，汛期每遇到暴雨，降水形成的徑流不能通過排水溝道及時排出，易形成內澇。特別是水網圩區，外河水位往往高過田面，不能自流排出，唯有興建泵站提水排澇。在地下水位較高或土壤有鹽堿化危害的地區，為防止農作物受漬和土壤泛堿，有時亦須建排水泵站，降低地下水位或排鹽洗堿。排澇泵站的主要任務就是排澇、排漬，減輕洪澇災害。

泵站工程的建筑物主要包括進水建筑物、泵房和出水建筑物。進水建筑物包括前池、進水池和進水管道裝置。泵房是安裝水泵、動力機及其輔助設備和站附屬設備的建筑物，是泵站建筑物的主體工程。而堤后式泵房是設計中經常采用的一種形式，這種設計可以有效地保障泵站遭遇洪水時安全運行，并且節省投資，在后期運行中便于管理和維護。出水建筑物包括出水管裝置和出水池，出水池一般為開敞式，后接排水涵洞通往外河，依靠堤防和防洪閘抵擋外江洪水。排水涵洞一般采用鋼筋混凝土矩形形式。

穿堤排水涵洞在排澇泵站運行中起著相當重要的作用。當外江河水位高于內水位時，在排水區內通過排水溝道匯集到集水池內的澇水須通過泵站抽水經有壓穿堤涵排入外江河中。

排水涵洞的過流能力計算

所有形式的涵洞工程設計中，過流能力計算都是涵洞水力設計的主要任務之一，它是確定涵洞斷面大小的重要依據。本文述及涵洞的過流能力計算方法為：先根據設計流量大小及進、出口水深情況擬定一個洞高，然后計算確定洞寬，如所得洞寬值過窄或過寬，與洞高不成比例，則需另擬定一個洞寬值重新計算。

首先根據涵洞進口水深H、出口水深h及初步擬定的涵洞高D判別涵洞的流態，可分為無壓流、半壓力流、非淹沒壓力流及淹沒壓力流4種，用相應的計算公式進行計算。

式中：Q為涵洞設計流量（m3/s）；δ為淹沒系數；m為無壓流時的流量系數（m取0.32～0.36）；B為箱涵底寬；H0為計入行近流速水頭在內的進口水深（m）。

m3為淹沒壓力流時的流量系數A為涵洞斷面面積；i為洞底坡降；L為涵洞長度；Σξ為從進口到出口各種局部水頭損失系數之和，主要包括攔污柵、進口、閘門槽、出口、漸變段、轉彎段等部位；h為從涵洞出口洞底算起的下游水深（m）；C為謝才系數R為水力半徑（m）。

從上述公式中可知，涵洞流態若為淹沒壓力流，它的設計流量Q正比于以涵洞進口斷面底板高程起算且計入行近流速水頭的上游水深H0的1/2次方，即Q∝H01/2；要求計算涵洞流態若為無壓流，則涵洞的設計流量Q正比于H0的3/2次方，即Q∝H03/2。由以上分析可以看出，以涵洞進口斷面底板高程起算的上游水深H的選取對涵洞的過流能力有較大影響。泵站機組工作進行排水時，涵洞進口水深H的值取外河5年一遇水位加涵洞上、下游水頭差與洞底高程之差。根據現行水閘設計規范的規定，我們通常設計中，平原地區涵閘的上、下游水頭差一般可以取為0.1～0.3m，故根據工程實際和設計經驗，本地區排水涵洞過流能力計算時過涵水位落差常采用0.1m，然后根據判斷出的水流形態選取相應的流量計算公式求出各種工況下能夠通過設計流量的涵洞過水斷面，最終確定的涵洞斷面應該是以上計算結果中的最大值。

計算實例

選取山東省淮河流域重點平原洼地治理工程外資項目中某一排澇站進行計算。本泵站是山東省淮河流域重點平原洼地治理工程外資項目中的一座建筑物，屬于南四湖濱湖洼地區，涉及的河流為鄆城新河，該地區在多雨季節堤防內的水位常常低于河道洪水位，使得排水溝內的澇水不能通過自流進入鄆城新河，久之便形成內澇，因此需在排水溝出口處修建提排泵站將澇水排人堤外江河等承泄區。

該泵站出水口為鄆城新河，泵站建在左岸堤防后，型式為提排閘站。泵站規模為小（1）型，泵站等別為Ⅳ級，永久性建筑物4級。進水池內水位：36.80m；出水池運行水位：40.70m。泵房的形式為濕室型泵房，凈寬5.50m，總寬6.00m，泵室基礎為C25鋼筋砼結構，安裝2臺700QZ-100型潛水軸流泵，設計揚程4.2m。排水涵洞接出水池出口，軸線與河堤軸線垂直。堤頂高程為41.6m，寬4.0m，內邊坡1∶2.5，外邊坡1∶2.0。初擬涵洞為1孔鋼筋混凝土箱涵，洞身總長8.0m，共分1節，底板厚0.4m，邊墩厚0.3m，頂板厚0.3m，洞底高程38.1m。提排設計流量為2.61m3/s。

初擬泵站排水涵洞斷面為1.5×2.0m（洞寬×洞高），根據選定條件對其進行過流能力計算。泵站機組將內水提至出水池，水流經過穿堤排澇涵洞及防洪閘進入鄆城新河，泵站的排澇流量為2.61m3/s，排水涵洞上游水深H取鄆城新河5年一遇水位與洞底高差即2.6m，從出口洞底算起的出口水深h按與進口水深10cm水頭差取即2.5m采用。

（1）流態判別

當水流通過穿堤涵洞判斷為無壓流時：

1.2D（D為洞高）=1.2×2=2.4m

當水流通過穿堤涵洞判斷為強排流時：

1.5D（D為洞高）=1.5×2=3.0m

故1.2D ＜H＜1.5D，h=2.5m＞D，故該水流為淹沒壓力流。

（2）根據淹沒壓力流公式計算

由此可見按擬定斷面采用淹沒壓力流公式計算得到的過流量滿足涵洞過流能力要求。

結語

穿堤排水涵洞的過流能力計算應先全面分析過涵洞水流的性質，再判別其流態，根據確定的流態選取相應的公式進行過流能力計算。在實際工作中，還應結合當地實際水文、地形條件和泵站的布置情況作具體的分析。

劉 克

濟寧市黃淮水利勘測設計院

劉克（1978-）男，本科，工程師，主要從事水利工程設計。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.16.010