穿堤涵洞進口高程優化設計分析

王 新，胥 慧

(1.黑龍江省三江工程建設管理局，哈爾濱 150010;2.黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080)

穿堤涵洞作為排水閘站的一個重要組成部分，起著排除內澇通道功能，同時兼顧防洪作用。穿堤涵洞的軸線布置一般與堤防走向垂直，這時不但涵洞長度最短，而且下泄水流最平順。涵洞的流態與進口水深、出口水深以及洞高因素有關，決定過流能力計算公式的選取，進而影響工程投資。涵洞流態根據進口水深、出口水深以及洞高的關系，分為4種流態，表1列舉了4種流態的判別標準。合理設計穿堤涵洞對整個排水閘站的運行安全及工程經濟都尤為重要。

表1 4種流態的判別標準

1 工程簡介

坤南排水閘站位于望奎縣火箭下堤防樁號1+857處，自排設計流量為6.28m3/s，強排設計流量4.40m3/s。內水設計水位130.27m(p=20%)，承泄區水位132.37m(p=10%)。泵房底板高程126.89。排水閘站強排自排根據內外水位的關系進行確定，當內水水位高過外江水位時，采取自排方式，反之采用強排方式。強排時涵洞為淹沒壓力流，滿足自排前提下進行驗證即可。本文選取自排工況進行涵洞設計，由于涵洞進口高程直接影響洞前水深，因此，比較不同的涵洞進口高程，對穿堤涵洞進行優化設計。

2 穿堤涵洞設計

穿堤涵洞水力設計在前蘇聯時期就已全面系統介紹了計算方法和公式，目前這一計算已經較為成熟，從實際工程角度考慮，合理適當簡化問題，經過計算比選，得出經濟安全的涵洞斷面尺寸。本文設計的涵洞為矩形斷面形式。計算工況見表2。

表2 計算工況

2.1 流態判別

穿堤涵洞設計首先判別涵洞流態，由于內外江水位發生頻率不一定相同，不能確定下游水位。因此，依據涵洞流態的判別條件，可知每種計算工況對應可能發生的流態都不相同，工況ⅰ僅可能發生無壓流；工況ⅱ可能發生半壓力流或淹沒壓力流；工況?？赡馨l生非淹沒壓力流或淹沒壓力流[2]。

2.2 長、短洞判別

對于無壓流涵洞，流態還與洞身長度L有關，即短洞與長洞的流態不同，雖然基本的流量計算公式相同，但是計算方法卻不同。因此，正確判別長短洞是計算無壓涵洞過流能力的關鍵。本文計算采用《灌溉與排水渠系建筑物設計規范》一書中規定的標準：L<8H時為短洞，反之為長洞。其他流態均不區分長短洞之別。坤南排水閘站根據工程的實際情況判斷計算工況ⅰ應屬于無壓長洞。

2.3 凈空要求

無壓涵洞洞身高度必須保證在水位變化情況下，涵洞能水流保持為無壓流狀態。避免由于流量或水位發生急劇變化時，使涵洞內水面以上的空氣壓縮或變稀薄對洞身造成不利影響。因此，對于無壓涵洞設計必須考慮洞內水面以上的凈空要求。本文計算時采用的凈空高度h0≥D/6，凈空面積A0在10%-30%之間。

2.4 計算公式

涵洞過流能力根據不同流態分別計算，具體過流能力計算公式及主要相關參數含義見表3。

表3 涵洞過流能力計算公式

3 計算結果分析

涵洞設計除了保證過流能力外還要滿足本身的結構尺寸，矩形涵洞高寬比H/B或寬高比B/H一般不超過1.2。采用控制因素法，根據已知條件及涵洞過流能力公式試算出三種工況對應的洞高H、洞長L、洞寬B以及計算過流量Q，具體計算結果見表4。

表中的計算結果均滿足穿堤涵洞的過流要求，且工況ⅰ無壓流滿足凈空要求。根據表4中的計算結構繪制每種工況下的內外水位差對應的涵洞過流量圖，見圖1-3。工況ⅰ涵洞內水流只可能是無壓流，由圖1不同內外水位差對應的流量關系可以看出，涵洞的過流能力隨著內外水位差的變大而增強，而且變幅逐漸減小，當水位差達到0.5m以上，過流能力保持不變[3]。

工況ⅱ涵洞內水流可能出現半壓力流或淹沒壓力流，由圖2不同內外水位差對應的流量關系可以看出，涵洞的過流能力隨著內外水位差的變大而增強，當水位差為0.68m時，即下游水深h與涵洞洞高D相等，圖2上過流能力曲線出現突變點，過流量突然增大，對應的流態從淹沒壓力流轉變為半壓力流，待涵洞內水流呈半壓力流后，內外水位差繼續變大，但過流能力保持不變。

表4 各個工況下不同下游水位對應涵洞過流能力

圖1 工況ⅰ不同內外水位差對應的流量關系圖

工況ⅲ涵洞內水流可能出現非淹沒壓力流或淹沒壓力流，由圖3不同內外水位差對應的流量關系可以看出，涵洞的過流能力隨著內外水位差的變大而增強，當水位差為1.18m時，即下游水深h與涵洞洞高D相等，圖上過流能力曲線出現突變點，過流流量突然減小，對應的流態從淹沒壓力流轉變為非淹沒壓力流，待涵洞內水流呈非淹沒壓力流后，內外水位差繼續變大，但過流能力保持不變。

圖2 工況ⅱ不同內外水位差對應的流量關系圖

圖3 工況ⅲ不同內外水位差對應的流量關系圖

綜合考慮上述結果進一步分析，工況ⅰ涵洞內水流流態穩定，始終保持無壓流狀態，流量變化范圍小，并且工程土方開挖量小，節省投資。工況ⅱ、ⅲ涵洞內水流流態隨著下游水位變化，流量變化范圍大，并且工程土方開挖量也大，投資多。因此，綜合比較之下，工況ⅰ較工況ⅱ、ⅲ合理。

4 結 語

本文針對坤南排水閘站穿堤涵洞實際工程，判別涵洞內水流可能發生的流態，并且經過過流能力計算，得出不同涵洞進口高程的流量計算結果，分析的過流流量與內外水位差的關系。綜上所述，合理抬高穿堤涵洞進口高程無論是水流條件還是工程投資都具有一定的優勢。