防洪工程大口径钢波纹排洪管设计

阿怀瑾，张 璐

（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安 710065）

1 工程概况

延安市方塔片区防洪工程位于黄土高原腹地，防洪总面积约799.50 hm2，工程主要分3个片区治理：东治理区汇流面积3.85 km2；南治理区汇流面积2.40 km2；西治理区汇流面积2.30 km2。工程建设任务是采取有效的工程措施，逐步提高防洪标准和城市整体防洪能力，使保护范围内免受20年一遇山洪危害，有效地保证防洪区内7.0万人民群众的生命财产安全，为区域经济快速发展提供重要保障和创造良好的投资环境。

该防洪工程共设置滞洪堤25座，蓄水池9座，排洪干管（钢波纹管）3.86 km，截洪支渠9.96 km，截流沟6.70 km，跌水35座，消力池2座。

2 水力计算

2.1 设计流量

该工程属黄土丘陵沟壑区，植被稀疏，山大、沟深、坡陡，河床比降大，洪水常携带大量泥沙，具有来势迅猛、历时短、暴涨暴落，峰高量小，破坏性大等特点。根据工程设计防洪标准，用暴雨强度公式计算的洪峰流量为56 m3/s。

2.2 设计管径

根据SL/T 778-2019《山洪沟防洪治理工程技术规范》，排洪管须按无压流进行计算，设计水位以上净空面积不小于过水面积的15%，管道设计流量按下式计算：

式中：Q——流量，m3/s；v——管内流速，m/s；A——过水面积，m2；n——糙率；R——水力半径，m；i——管道底坡。

目前，钢波纹管在国内主要是用在公路工程穿路涵洞和交通通道工程上，排洪管、雨水管等长距离管线工程使用较少，国内没有国家统一的标准，仅有陕西、山西、安徽、吉林等省出版的地方标准和中国工程建设标准化协会出版的团体标准T/CECS G：D66-01-2019《公路波纹钢涵洞技术规程》，其中对管道糙率的规定各不相同，且差异较大，综合考虑各项规范及实际情况，糙率取0.033进行计算。工程区管线通过部位地面平均坡度为6.0%，为保证管道与地面坡度一致，减少开挖工程量，管底纵坡按6.0%计算，计算结果见表1。

表1 钢波纹管管径计算

由表1可知，管径为3.0 m，通过设计流量时，管道上部净空面积不满足规范要求；当管径为4.0 m，通过设计流量时，剩余净空面积过大浪费较多；当管径为3.5 m，通过设计流量时，剩余净空面积为22.63%，满足规范要求，且工程区地处黄土高原，植被易被洪水夹带，3.5 m钢波纹管涵可保证漂浮物安全通过，不堵塞管道。

3 构造设计

3.1 最小覆土厚度

钢波纹管需验算最小覆土厚度，以满足钢波纹管在施工期、运行期特殊荷载作用下的结构安全要求，按下式进行计算取值：式中：Dh，Dv——钢波纹管涵洞结构的有效跨度、失高，m。经计算，最小覆土为0.60 m，设计最小埋深为2.67 m，满足最小覆土要求。涵洞剖面尺寸见图1。

图1 钢波纹管涵洞尺寸详图

3.2 柔度系数

钢波纹管在运输、安装过程中需要有足够的刚度，刚度用柔度系数来表示，柔度系数按下式计算：

式中：FF——钢波纹管结构柔度系数，mm/N；EI——钢波纹管结构的刚度系数；FFmax——钢波纹管结构的最大柔度系数，取0.114 mm/N。经计算，钢波纹管结构柔度系数为0.022 1 mm/N≤0.114 0 mm/N，满足要求。

4 结构设计

由于国内没有统一的规范标准，此次计算采用陕西省地方标准《公路钢波纹管涵洞技术规范》的相关内容。根据水力计算结果，设计管径取3.50 m，管线设计最大埋深为11.00 m。

4.1 恒载计算

管道恒载为上部填土重力（图2），每延米土的重力按下式计算：

图2 拱上填土的重力作用范围示意图

式中：W——拱上填土每延米重力，kN/m；γ——土的重度，取18 kN/m3；H——钢波纹管涵洞顶填土高度，m。计算结果为W=716.71 kN/m。

4.2 活载计算

管道所受活载主要为汽车荷载，计算参数参考JTG D60-2015《公路桥涵设计通用规范》选取，汽车荷载扩散到管顶的压力按下式计算：

式中：σL——汽车荷载扩散到管顶的压力，kPa；AL——车辆后轴重，取280 kN；ω，lt——沿车辆宽度和长度方向扩散后的尺寸，分别取15.22 m、27.72 m；mf——多车道折减系数，取1.2。计算结果为σL=0.80 kPa。

4.3 内力验算

内力验算不考虑地震作用，按下式计算：

式中：αD，αL——恒载、活载分项系数，分别取1.2，1.4；TD——土的重力引起的波纹钢板压力，kN/m；αL——汽车荷载引起的波纹钢板压力，kN/m；μ——车辆活载冲击系数，填土高度大于最小填土高度时，不考虑冲击影响；A——单位长度的波纹钢板截面积，取7.21；fy——波纹钢板材料屈服应力，取235.00 MPa；fb——临界屈服应力，计算得168.58 MPa。其中

式中：CS——考虑回填土性质与结构尺寸的土压力折减系数；Af——考虑结构起拱效应的土压力增大系数，取1.2；E，ES——钢波纹钢板材料和土体的弹性模量，分别为200 GPa、77.5 MPa。

根据以上计算参数求得式（7）为70.50 MPa＜（235.00，168.58）MPa，满足内力计算稳定要求。

5 防腐设计

出厂时，涵管及配套附件已经过镀锌处理，其镀锌厚度大于等于84μm。在没有盐碱水或有害工业废水浸泡及涵管内不经常流水的情况下，其镀膜即可防止锈蚀。否则，一般情况下，可在管节内外管壁喷涂一层含有石棉纤维的厚沥青，或涂刷两遍沥青和石油的拌合物，以加强防腐蚀作用。两种涂刷剂的配合比和涂刷方法如下：

1）含有石棉纤维的厚沥青涂料。涂料的溶剂是高质量的沥青，石棉粉的含量不小于30%。可用气压喷涂或毛刷刷涂，每次喷涂层厚7.0～8.0 mm，喷涂用量为1 kg/m2左右。被喷涂物表面应特别干爽，无油污。

2）沥青与煤油的拌和物涂料。涂料沥青与煤油之配合比为54∶56，使用此涂料时应涂刷2遍，使涂刷层总厚度达到0.4～0.5 mm，涂刷用量为0.6 kg/m2。有条件时用喷枪喷涂，效果更好，涂刷部位与上述相同。

6 结语

在相同流量情况下，根据混凝土抗冲刷流速比金属管低，混凝土涵洞纵坡不宜大于5%的要求，混凝土管道（渠道）所需要的尺寸比钢波纹管更大，材料用量也较多，不利于节能环保；同时混凝土管道（渠道）也无法适应地形变化，可能造成大量的土方工程量，提高工程造价；且预制混凝土管道最大口径为2.0 m，管节长，大多为3.0～5.0 m，无法满足大口径长距离排洪管道的要求，箱涵可适用于各种渠道，但需现浇，施工工期较长，施工质量无法保证，容易漏水。采用钢波纹管使得排洪干管施工既方便快捷又加快了施工进度，并且钢波纹管涵洞可随地形布置，整体工程量比混凝土管道（渠道）小，造价低，节省投资，值得在类似工程中推广应用和借鉴。