青龙河穿堤建筑物工程布置相关分析与探讨

杨大魁

(辽宁省朝阳市凌源市水务局河道管理所，辽宁 凌源122500)

1 工程概况

工程治理范围上游起点东营子，终点下游虎头石，河道中心线长度28.8 km，青龙河规划河段两岸分布着凌源市前进乡、三道河子乡、刀尔登镇、杨杖子镇4个乡镇，保护5.9 万人口、1.4 万间房屋、8 333 hm2耕地和7 467 hm2林地。依据国家《防洪标准》(GB50201—94)的规定:以乡村为主的防护区，应根据其人口或耕地确定相应的防洪标准。

对于防护区耕地面积≤2 万hm2，人口≤20 万人，防洪标准应确定为20 ～10 a(洪水重现期，下同)，防护区等级应列为Ⅳ级。据此，确定青龙河两岸各乡镇段防洪标准为20 a一遇，其余农村段防洪标准为10 a一遇。

青龙河综合整治工程两岸穿堤建筑物共有9处，根据相应的流域面积拟采用钢筋混凝土箱涵及混凝土预制圆管涵［1］。

2 穿堤建筑物工程布置

青龙河综合整治工程两岸穿堤建筑物共有9处，主要解决堤外洪水问题，本次设计堤防工程为4级，排洪建筑物级别为4 级，建筑物的防洪标准为10 a一遇，根据相应的流域面积拟采用钢筋混凝土箱涵及混凝土预制圆管涵。

拟定箱涵建筑物的位置、相应设计流量详见表1。

表1 穿堤建筑物情况表

在水流汇流处的堤防均设穿堤涵洞，形式为钢筋混凝土方涵，在除外洪汇流处的地势低洼处，路截断处等设置1 m管径的预制钢筋混凝土圆管涵。方涵采用设计流量进行计算，流态采用短洞无压流，涵洞出口直接结合堤防采用一字形翼墙［2］。

3 水力计算

以YD7(三道河子)位置处的涵洞为例进行计算说明。

YD7 位于青龙河右岸防洪堤SY0 +004(堤桩号)处，排洪建筑物级别为4 级，其防洪标准同右岸堤防防洪标准，设计洪水为10 a一遇，相应设计流量15.2 m3/s。堤防现状地面高程为340.13 m，相应堤防高程为344.66 m，涵洞出口处10 a 水位为343.56 m，对应水深2.77 m，堤防高为4.53 m。

3.1 工程规模的确定

3.1.1 涵洞进出口底高程确定

根据地形条件，为减少开挖量并使进出口水流平顺，涵洞进出口高程按沟底自然高程布置，涵洞上游地面高程340.13 m，堤顶宽4 m，背水边坡为1∶2，涵洞纵向底坡i =0.005，涵底高程为340.13m，穿堤涵洞总长度为7.63 m。

三道河子乡段堤防标准断面图见图1。

图1 三道河子乡段堤防标准断面图

3.1.2 涵洞流态及洞型选择

根据设计的同频率外河水位，结合堤防布置要求，涵洞水流流态为无压流态。为增加整体性，穿堤涵洞选用钢筋混凝土箱涵结构［3］。

3.1.3 涵洞孔径尺寸确定:

涵洞采用1 孔，单孔宽b =2.4 m，洞高a =2.4 m，进口采用一字墙布置形式，流量系数m =0.34，i =0.005，n =0.017，为保证为无压流，涵前最大水深H =1.15a=2.76 m。

假定涵洞为陡坡短洞，不考虑外河同频率洪水时，按自由出流公式计算(δc =1.0 )。

当通过设计流量Q =15.2 m3/s时，所需的涵前水深为:H03/2=4.037，H0=2.55 m ＜2.875 m，满足无压流态的要求。

长短洞界限长度为Lk= (64 － 163m)H =21.879 m ＞7.63 m，属于短洞。

经过计算得出涵洞设计情况见下表2。

3.2 消能计算

所有排洪涵洞均为底流式消能，采用熊启钧编制《涵洞》电算程序进行计算，以YD7 三道河子涵洞为例，计算详细过程如下:

表2 涵洞情况表

3.2.1 计算公式

式中:T0为由消力池底板顶算起的总势能，m;H 为从进口洞底算起的进口水深，m;P 为从出口洞底至消力池底的跌差，m;L 为洞身长度，m;i 为不洞底坡度，m;v1为上游行进流速，m/s;α 为水流动能校正系数，采用1.0;q 为单宽流量消力池进出口的宽度，m3/s·m;hc为收缩断面处的水深，m;h″c为跃后水深，m;b1为消力池首端宽度，m;b2为消力池末端宽度，m;Φ 为流速系数，Φ =0.95;g 为重力加速度，g=9.81 m/s2;△Z 为出池落差，m;σ0为水跃淹没系数，(1.05 ～1.10)m;d 为消力池深，m;Lsj为消力池长度，m;hs为下游水深，m;β 为水跃长度校正系数，(0.7 ～0.8)m。

3.2.2 收缩水深及跃后水深

已知:设计流量Q =15.21 m3/s，涵前水深为2.55 m，行进流速取1.084 m/s，涵洞长度为7.63 m，涵洞规格为2.4 m ×2.4 m，孔数1 孔，洞底纵坡为i=0.005，跌差P =0.4 m，池首端宽度2.86 m，池尾端宽度为12.84 m，尾水渠hs =1.58 m。

1)上游总能头的计算:

2)收缩水深hc的计算:

此处α =1.0，φ 为0.95，通过试算得收缩水深hc为1.06 m。

3)跃后水深h″c的计算:

3.2.3 消力池长的确定

消力池的长度从涵洞出口至堤脚处。

3.2.4 海漫长度的确定

经计算，9 处排洪涵的消能设施见表3。

表3 消能设施情况表

经过计算消力池深d =0，说明不需要建消力池。对于计算不需要建消力池的涵洞，为了减少水流对下游的冲刷的可能性，本次设计设置深0.5 m的消力池。

3.2.5 渗流稳定分析

根据上下游水位差和地基土壤的渗径系数来确定地下渗径的最小长度。

式中:Lmin为地下渗径的最小长度，m;C 为渗径系数，中砂取5.0;△H 为上下游水位差，m。

经计算，Lmin为17.287 m，小于涵洞水平长度28.3 m，满足渗流稳定要求。9 处排洪涵的计算情况见表4。根据堤防工程设计及建筑物总体布置，本次设计排水涵闸经验算防渗长度均满足要求。

表4 排洪涵渗透情况计算表

3.2.6 地基处理

为保证排洪涵基础的稳定性，对天然表层沉积土和淤泥土应予以清除，设计要求，涵洞基础铺设1.5 m厚砂砾石。穿堤建筑物规格统计表见表5。

表5 穿堤建筑物规格统计表

4 结 语

通过穿堤建筑物合理的布置，确保堤防外侧洪水正常排洪，经过详细的计算，得到最经济的断面型式，既节约了资金，又确保了工程安全。

［1］夏梦河，陈吉江. 山区溪道水力计算有关问题探讨［J］.地方水利技术的应用与实践，2005(01):59 －61.

［2］吕朋辉. 十家子河防洪工程布置及建筑物设计分析［J］.内蒙古水利，2014(04):136 －137.

［3］袁志明. 水利工程涵洞设计若干问题探讨［J］. 水利规划与设计，2013(11):27 －28.