結合工程設計實例淺談涵洞水力設計過程

熊　明

（江西省水利水電建設有限公司　江西　南昌　330000）

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結合工程設計實例淺談涵洞水力設計過程

熊明

（江西省水利水電建設有限公司江西南昌330000）

摘要本文以筆者參與的某水庫涵洞水力設計項目為例，分析了涵洞在泄流能力和下游消能兩方面的解決措施，提出要根據具體水位和最大泄水能力來考慮閘門的開啟度，另外可以在消力池出口處增設消力坎來彌補消力池在長度和深度方面的不足，以供廣大讀者參考。

關鍵詞涵洞；消力池；閘門

涵洞是水庫、鐵路、公路等各大工程中非常重要的部分，涵洞的安全設計關系到人們基本生活的穩定、人們對基礎設施的安全使用，所以對涵洞水力設計過程進行研究有著很大的理論意義和實踐意義。本文主要以筆者參與的新疆某平原水庫為例，分析其涵洞水力設計工程的主要注意事項和關鍵部分。

1　關于涵洞工程的基本概況

該水庫位于新疆石河子市北部地區，屬于平原水庫，庫容1.8億m3，涵洞屬于鋼筋混凝土的箱型涵洞結構，其閘壩為平面鋼閘門。該水庫的具體水位為392.00m，涵洞的具體底板高程在不同位置大小不同，在涵洞進口處大小為380.70m，在閘門處大小為380.70m，在涵洞出口處大小為380.49m，整個涵洞的長度為49.30m。涵洞出口處還有擴散段，擴散段底部有長度為2.0m的水平段，水平段與消力池底部相連，消力池呈現矩形平面擴散式結構，深度為0.88m，消力池后面用10m長的海漫段與下游渠道連接。

新疆地處內陸地區，該地的主要氣候特征包括：降雨量少、蒸發量大、氣候比較干燥、呈現旱荒漠等特征，所以該地的水資源相對比較緊張。該水庫的修建就是為了滿足工農業涌水的需要，解決該地的干旱等問題。作為平原水庫，該水庫的壩線比較長，高度比較低，所以要采用壩下埋管的涵洞形式來實現放水。

這種涵洞一般將閘口井建設在壩頂附近，可以實現免設工作橋，增加閘井穩定性的作用。涵洞閘前為有壓段，而閘后為無壓段，有壓段會產生水頭損失，因此具體工作時的水流狀態和無壓隧洞的狀態不一樣。涵洞斷面相對較小，出口流量比較大，所以效能較為關鍵，如果沒有很好地處理，則會影響下游渠道的正常使用。筆者結合自身所參與的該水庫某涵洞擴建工程中的水力模型試驗，對涵洞的泄流能力和下游消能的措施進行相應的分析。

2　有關涵洞水力設計的模型試驗

2.1模型設計

模型試驗的目的是驗證在各種條件下涵洞的泄流能力和下游效能問題，并根據分析的結果提出合理科學的解決措施，所以結合這種試驗任務，在試驗中可以利用重力相似準則來設計正態整體定床模型。

2.2模型試驗

2.2.1關于泄流能力的試驗

泄流能力試驗主要是通過放入流量的變化來調整閘門的開啟度，對水庫的水位變化進行分析。在不對下游效能進行考慮時，如果水庫的水位穩定，那么出庫和入庫的天然水流量就達到了平衡狀態，這時需要對水的流量和閘門開啟度進行記錄。在具體試驗中可以測試不同的水位條件下流量和閘門開啟度的大小，這樣就可以得出涵洞中各種流量對應的最大水深[1]。

通過試驗可以總結出：在各種流量條件下，涵洞中的水深均在臨界水深以下，而無壓部分以急流形式呈現，閘孔處以自由出流形成呈現。根據有關規范要求，涵洞內要保證自由水面流態，此種情況下，則需要涵洞水面上部的空間大于涵洞斷面面積的15%，其高度應該在0.4m以上。在通常情況下，該水庫水位大約為392.0 m，這時涵洞的最大泄水能力達到110m3/s，相應地，則需要開啟1.66m的閘門。

2.2.2有關消能效果的試驗

效能效果試驗主要包括不加消力墩和消力坎的原方案效果試驗、在消力池中加消力墩的消能試驗、在消力池出口處加消力坎的消能試驗[2]。

第一組試驗將原方案效能效果試驗中水庫水位定位為392.0m，天然水流量界限主要包括20m3/s、30m3/s和70m3/s。如果天然水流量小于20m3/s，消力池內可以實現完全水躍；如果天然水流量大于30m3/s，消力池內的水流會沖出，甚至會發生挑流現象；如果天然水流量等于70m3/s，挑流高度則會達到一定極限。

第二組試驗將原方案效能效果試驗中水庫水位定位為386.2m，天然水流量界限主要包括40m3/s、50m3/s。如果天然水流量小于40m3/s，消力池內可以實現完全水躍；如果天然水流量大于50m3/s，消力池內的水流則會沖出，甚至會發生挑流現象，但是高度會小于高水位。

通過以上效能試驗發現，目前的消力池并不能實現很好的效能，水流會影響下游渠道的正常運行，所以必須對其進行改造。

2.2.3有關原消力池中加消力墩的消能試驗

在消力池中加4排消力墩，尺寸為：棱長40cm的正方體。在增設了消力墩之后，可以對水流產生摻混作用，增強了消力池的效能效果[3]。但是，在增加消力墩之后，仍然存有遠驅式水躍的現象，甚至還出現了二次水躍現象，主要是因為增設的消力墩會產生挑流和摻氣作用，對流量的挑流會起到催化作用，并且其高度與水庫水位之間呈現正比例關系，即隨著水位的提升而提升。所以，在消力池中增設消力墩只能起到部分效能的作用，但是消力池本身的長度和深度不足的問題還是沒有得到很好的解決。

2.2.4有關消力池出口處加消力坎的消能試驗

本試驗中對消力池出口處加設消力坎主要是為了實現提高坎前水位的目的，避免消力池中發生水躍現象，實現很好的效能效果。確定科學合理的坎高是增設消力坎的關鍵，具體高度的確定并不能通過相關資料獲得，而是要在試驗中多次反復嘗試。所以，在本文中的增設消力坎中，進行了4種不同坎高的試驗，高度分別為0.53m、0.90m、1.08m、1.26m，然后再加上原來消力池的深度，最終綜合深度分別為1.41m、1.78m、1.96m、2.14m。

通過試驗最終總結出，如果坎高為0.53m時，消力池會發生遠驅式水躍，并且會出現躍出消力池的現象，這就說明坎高不夠；當坎高為0.90m時，消力池還會發生遠驅式水躍，但是躍前斷面在第二排消力墩處，會出現翻出消力池的現象，這說明坎高依舊不夠，仍然需要加大高度；如果坎高為1.08m時，消力池就不會出現遠驅式水躍，水躍只是在消力池內進行淹沒式水躍，這說明坎高達到了效能的要求；當坎高為1.26m時，消力池會發生摻氣水流溢出消力池的現象，這就說明水面出現了很大的波動，沒有實現很好的效能效果[4]。通過多次試驗發現，1.08m的坎高是比較科學合理的高度，可以很好地實現預設的效果。

通過以上分析可以看出，在消力池內增設消力墩雖然可以實現提高效能效果的目的，降低水躍后的深度，但是這種效能效果并不是很明顯，再加上消力墩會產生挑流和摻氣作用，對流量的挑流會起到催化作用，這樣就會對消力池造成氣蝕破壞。然而，通過在消力池出口處增設消力坎可以有效改善效能效果，很好地彌補消力池深度和長度的不足，實現效能的目的。

3　涵洞設計中存在的問題及解決措施

在涵洞的設計過程中，容易在一些較為基礎的地方出現設計失誤，進而導致涵洞在使用過程中出現一些問題。總的來說，涵洞在設計過程中表現出的問題主要有：涵洞形式選擇不當，對無壓力涵或壓力涵的斷面形式選擇不合理；在鋼筋配置和混凝土設計時，對強度設計存在不合理，導致在較大水壓作用下，涵洞容易出現損壞；出水洞口設計沒有超過翼墻尾端，加固措施不到位，導致涵洞底部被沖刷嚴重；墻體基礎埋設設計不合理，導致基礎埋深過淺，對最大凍深和最大沖刷考慮不徹底，導致涵洞容易出現損害。

對于這些存在與設計環節中的問題，需要在設計過程中對設計要素進行全面審查，切實避免這些問題出現。在涵洞設計過程中，需要根據相應的水文資料，對涵洞的泄水能力進行計算，保證其具備足夠的泄水能力。在沒有水文資料的情況下，需要進行實地調查，以確保涵洞設計的基本參數。涵洞斷面設計、混凝土強度設計等，都需要結合水文實際，充分考慮安全因素，對其進行放大設計，保證涵洞在面對意外情況時具有良好的性能。出水口設計、墻體埋深等，要充分考量安全因素，根據最大沖刷和標準凍深等因素進行確定。總之，在涵洞設計的水力設計過程中，要充分考慮各方面的因素，對涵洞進行全面可靠的水力設計。

4　結語

通過以上分析可以看出，在對涵洞水力進行設計時，要從涵洞的泄流能力和下游消能兩方面著手考慮。在水庫的水位處于不同的水位，要進行具體分析才能計算出應該開啟閘門的高度；而下游的效能問題則可以在消力池出口處增設消力坎，彌補消力池長度和深度的不足，更好地實現效能目標。陜西水利

參考文獻：

[1]任寶良.涵洞水力計算方法探討[J].西安交通大學學報，2012，10（27）：89.90.

[2]劉振賢.阜陽現代產業園區排澇涵洞水力計算[J]江淮水利科技，2013,08（25）：73.74.

[3]何以文，石正寶.無壓涵洞水力計算方法[J].硅谷，2008,05（23）：59.60.

[4]吳保生.過路涵洞設計中的泥石流模擬計算[J].泥沙研究，2011,08（30）；20.21.

（責任編輯：唐紅云）

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