楊大魁

(遼寧省朝陽(yáng)市凌源市水務(wù)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(diǎn)東營(yíng)子，終點(diǎn)下游虎頭石，河道中心線長(zhǎng)度28.8 km，青龍河規(guī)劃河段兩岸分布著凌源市前進(jìn)鄉(xiāng)、三道河子鄉(xiāng)、刀爾登鎮(zhèn)、楊杖子鎮(zhèn)4個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，保護(hù)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(guó)家《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB50201—94)的規(guī)定:以鄉(xiāng)村為主的防護(hù)區(qū)，應(yīng)根據(jù)其人口或耕地確定相應(yīng)的防洪標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)于防護(hù)區(qū)耕地面積≤2 萬hm2，人口≤20 萬人，防洪標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)確定為20 ～10 a(洪水重現(xiàn)期，下同)，防護(hù)區(qū)等級(jí)應(yīng)列為Ⅳ級(jí)。據(jù)此，確定青龍河兩岸各鄉(xiāng)鎮(zhèn)段防洪標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇，其余農(nóng)村段防洪標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)的流域面積擬采用鋼筋混凝土箱涵及混凝土預(yù)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(shè)計(jì)堤防工程為4級(jí)，排洪建筑物級(jí)別為4 級(jí)，建筑物的防洪標(biāo)準(zhǔn)為10 a一遇，根據(jù)相應(yīng)的流域面積擬采用鋼筋混凝土箱涵及混凝土預(yù)制圓管涵。

擬定箱涵建筑物的位置、相應(yīng)設(shè)計(jì)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(shè)穿堤涵洞，形式為鋼筋混凝土方涵，在除外洪匯流處的地勢(shì)低洼處，路截?cái)嗵幍仍O(shè)置1 m管徑的預(yù)制鋼筋混凝土圓管涵。方涵采用設(shè)計(jì)流量進(jìn)行計(jì)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(jì)算

以YD7(三道河子)位置處的涵洞為例進(jìn)行計(jì)算說明。

YD7 位于青龍河右岸防洪堤SY0 +004(堤樁號(hào))處，排洪建筑物級(jí)別為4 級(jí)，其防洪標(biāo)準(zhǔn)同右岸堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)洪水為10 a一遇，相應(yīng)設(shè)計(jì)流量15.2 m3/s。堤防現(xiàn)狀地面高程為340.13 m，相應(yīng)堤防高程為344.66 m，涵洞出口處10 a 水位為343.56 m，對(duì)應(yīng)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(jìn)出口底高程確定

根據(jù)地形條件，為減少開挖量并使進(jìn)出口水流平順，涵洞進(jìn)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(zhǎng)度為7.63 m。

三道河子鄉(xiāng)段堤防標(biāo)準(zhǔn)斷面圖見圖1。

圖1 三道河子鄉(xiāng)段堤防標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

3.1.2 涵洞流態(tài)及洞型選擇

根據(jù)設(shè)計(jì)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(jìn)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(shí)，按自由出流公式計(jì)算(δc =1.0 )。

當(dāng)通過設(shè)計(jì)流量Q =15.2 m3/s時(shí)，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(zhǎng)短洞界限長(zhǎng)度為L(zhǎng)k= (64 － 163m)H =21.879 m ＞7.63 m，屬于短洞。

經(jīng)過計(jì)算得出涵洞設(shè)計(jì)情況見下表2。

3.2 消能計(jì)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(jìn)行計(jì)算，以YD7 三道河子涵洞為例，計(jì)算詳細(xì)過程如下:

表2 涵洞情況表

3.2.1 計(jì)算公式

式中:T0為由消力池底板頂算起的總勢(shì)能，m;H 為從進(jìn)口洞底算起的進(jìn)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(zhǎng)度，m;i 為不洞底坡度，m;v1為上游行進(jìn)流速，m/s;α 為水流動(dòng)能校正系數(shù)，采用1.0;q 為單寬流量消力池進(jìn)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(zhǎng)度，m;hs為下游水深，m;β 為水躍長(zhǎng)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(shè)計(jì)流量Q =15.21 m3/s，涵前水深為2.55 m，行進(jìn)流速取1.084 m/s，涵洞長(zhǎng)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(jì)算:

2)收縮水深hc的計(jì)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(jì)算:

3.2.3 消力池長(zhǎng)的確定

消力池的長(zhǎng)度從涵洞出口至堤腳處。

3.2.4 海漫長(zhǎng)度的確定

經(jīng)計(jì)算，9 處排洪涵的消能設(shè)施見表3。

表3 消能設(shè)施情況表

經(jīng)過計(jì)算消力池深d =0，說明不需要建消力池。對(duì)于計(jì)算不需要建消力池的涵洞，為了減少水流對(duì)下游的沖刷的可能性，本次設(shè)計(jì)設(shè)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(zhǎng)度。

式中:Lmin為地下滲徑的最小長(zhǎng)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(jì)算，Lmin為17.287 m，小于涵洞水平長(zhǎng)度28.3 m，滿足滲流穩(wěn)定要求。9 處排洪涵的計(jì)算情況見表4。根據(jù)堤防工程設(shè)計(jì)及建筑物總體布置，本次設(shè)計(jì)排水涵閘經(jīng)驗(yàn)算防滲長(zhǎng)度均滿足要求。

表4 排洪涵滲透情況計(jì)算表

3.2.6 地基處理

為保證排洪涵基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，對(duì)天然表層沉積土和淤泥土應(yīng)予以清除，設(shè)計(jì)要求，涵洞基礎(chǔ)鋪設(shè)1.5 m厚砂礫石。穿堤建筑物規(guī)格統(tǒng)計(jì)表見表5。

表5 穿堤建筑物規(guī)格統(tǒng)計(jì)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(xì)的計(jì)算，得到最經(jīng)濟(jì)的斷面型式，既節(jié)約了資金，又確保了工程安全。

［1］夏夢(mèng)河，陳吉江. 山區(qū)溪道水力計(jì)算有關(guān)問題探討［J］.地方水利技術(shù)的應(yīng)用與實(shí)踐，2005(01):59 －61.

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

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