費縣祊河典型管涵與箱涵水力設計分析

王 亮

(山東省臨沂市費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，在排水結構上有著舉足輕重的地位。然而受地質條件的制約，涵洞的施工設計方法需要根據當地建材情況和以往工程經驗進行修正，目前尚無統一的設計方法，因此探討不同工程地質條件下，涵洞設計方法具有重要意義[1-6]。

王周奇[7]從水庫放水涵洞除險加固方案的類型選擇、結構特點以及涵洞的長度與造價的關系確定等方面，分析論述了水庫放水涵洞的設計施工要點；周龍[8]對常見的涵洞類型進行總結，并對如何進行洞身以及洞口形式的選擇展開研究；江端輝[9]在分析涵洞設計的重要意義以及設計原則的基礎上，并指出涵洞設計中存在的缺陷，并提出相應的設計對策；王新等[10]針對坤南排水閘站穿堤涵洞進口位置具體情況，判別涵洞內水流流態并計算過流能力，進一步分析內外水位差和過流能力關系。文獻[11-15]還對水利工程相關涵洞設計方法進行了淺要分析。

當前少有文獻對水利工程相關的涵洞設計方法進行具體闡述，因此本文以費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構型式方案比較，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算方法，研究成果可為相關工程提供參考。

2 工程概況

祊河發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。本次費縣祊河治理工程治理范圍：自費縣X210縣道起至上游平邑縣界止，河道治理長度9.536km，對應祊河中泓樁號(59+015～68+551)。本次治理工程區采砂造成河岸坍塌，堤防斷面減小，造成險工。無防汛道路，不能日常快速巡護，造成這種亂采亂挖不能有效制止，也造成防汛搶險的困難。本次設計治理段河道現狀防洪能力不足20年一遇，已不能適應當地社會和國民經濟發展的需要，同時嚴重威脅人民生命財產安全，因此對河道進行治理是十分必要的。

3 管涵典型設計

3.1 方案比選

根據當地建材情況和以往工程經驗，擬定了蓋板涵洞和鋼筋混凝土圓管涵洞2種結構型式進行方案比較。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埋石混凝土結構，邊墩厚0.8m，底板厚0.2m，蓋板采用C25鋼筋混凝土結構，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鋼筋混凝土結構，壁厚0.12m。以上2個方案的工程量及直接投資比較見表1。經技術經濟比較，鋼筋混凝土圓管涵洞具有結構簡單、施工方便、抗滲性能好和工程投資小等優點。因此本次設計選擇方案Ⅱ，即鋼筋混凝土圓管涵洞方案。

表1 涵洞結構型式方案比較

管涵采用φ1.0m的預制鋼筋混凝土管，管座采用C25素混凝土，進出口擋墻采用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C15混凝土墊層厚0.1m，消力池坎高0.5m，寬0.5m；延至設計河底，為防止河水沖刷，基礎1.5m，并在末端設置C25混凝土封堵。

3.2 過流能力計算

涵洞的排澇面積為0.16km2，計算其排水流量為0.6m3/s，初擬涵洞為φ1.0m的鋼筋混凝土圓管涵洞，共1孔，計算復核其過流能力。涵洞的過流能力根據GB 50288—2018《灌溉與排水工程設計標準》中附錄M推薦的公式計算。當涵洞進口水深h≤1.2D(洞高)時，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，可近似采用m=0.36；ε—側收縮系數，可近似取ε=0.95；H0—包括行近流速水頭在內的進口水深，m；g—重力加速度，g=9.81，m/s2；σ—淹沒系數，可按表M.0.3-1查得；hs—洞進口內水深，m；v—上游行近流速，m/s；α—動能修正系數，可采用α=1.05。因計算排水流量較小，設計管涵進口渠道渠底寬度不小于2.6m，計算水深小于涵洞洞徑D，本次按1.2D確定為涵洞進口水深，出口水深h

3.3 消力池底板厚度計算

(5)

式中，t—消力池底板始端厚度，m；ΔH—泄水時的上、下游水位差，m；k1—消力池底板計算系數，采用0.18；q—單寬流量，m3/s；本次設計涵洞設置消力池，消力池陡坡段長度根據高程確定，水平段長5m、厚0.5m，池坎高0.5m、寬0.5m，采用C25素混凝土結構，消力池末端設C25砼封堵。

3.4 防滲長度計算

涵洞底板的防滲長度按下式計算：

L=C·ΔH

(6)

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

表2 擬建管涵設計計算表

4 箱涵典型設計

選擇祊河右岸樁號59+375處箱涵進行典型設計，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。八字翼墻設置有Ф100PVC排水管。

4.1 過流能力計算

涵洞的排澇面積為1.47km2，計算其排水流量為4.81m3/s，初擬涵洞為2×2箱涵，共2孔，計算復核其過流能力。涵洞的過流能力根據GB 50288—2018《灌溉與排水工程設計標準》中附錄M推薦的公式計算。計算式見第3節公式1-4。

消能計算公式

消力池深度計算公式：

(7)

收縮水深計算公式：

(8)

躍后水深計算公式：

(9)

出池落差計算公式：

(10)

消力池長度計算公式：

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，取0.75；Lj—水躍長度，m。

消力池底板厚度計算公式：

(13)

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

經計算，消力池深0.27m，消力池長11.31m，躍前水深0.07m，躍后水深2.07m。由此計算得祊河右岸中泓樁號59+375處箱涵需要設置消力池。消力池陡坡段長度根據高程確定，水平段長5m、厚0.5m，池坎高0.5m，寬0.5m，采用C25素混凝土結構，消力池末端設C25砼封堵。

4.2 防滲長度計算

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

表3 箱涵消力池計算成果表

5 結論

蓋板涵洞和鋼筋混凝土圓管涵洞兩種結構是水利工程重要的排水結構型式，本文結合費縣祊河涵洞工程實例，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算方法。研究結果認為，相比于蓋板涵洞，鋼筋混凝土圓管涵洞具有結構簡單、施工方便、抗滲性能好和工程投資小等優點，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，在進行過水能力設計時，如果管涵計算排水流量較小，設計管涵進口渠道渠底寬度不小于2.6m，計算水深小于涵洞洞徑D，按1.2D確定為涵洞進口水深，出口水深h