汲東干渠李大沖渠下涵拆除重建工程設(shè)計(jì)分析

趙 艷 （安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088）

水是生命之源、生產(chǎn)之要、生態(tài)之基，水利事關(guān)戰(zhàn)略全局、事關(guān)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展、事關(guān)人民福祉。尊重自然、順應(yīng)自然、保護(hù)自然，是全面建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化國(guó)家的內(nèi)在要求。目前我國(guó)水利建設(shè)還存在一些問題[1]，例如農(nóng)田水利設(shè)施老化嚴(yán)重、配套不全，灌溉規(guī)模不足。為此通過實(shí)施灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造，提高灌溉水利用系數(shù)，提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力，為保障國(guó)家糧食安全做出了重大貢獻(xiàn)[2]。渠下涵作為水利工程中常見的建筑物，對(duì)工程建設(shè)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要的作用。

1 工程設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

淠史杭灌區(qū)是新中國(guó)建設(shè)的特大型灌區(qū)，灌區(qū)由淠河灌區(qū)、史河灌區(qū)和杭埠河灌區(qū)組成，位于安徽省中西部大別山余脈的丘陵地帶，總設(shè)計(jì)灌溉面積798666.7hm2，其中安徽省733333.4 hm2、河南省65333.3hm2。

李大沖渠下涵位于六安市葉集區(qū)姚李鎮(zhèn)，穿越汲東干渠，主要承擔(dān)龍灣村及周邊2km2流域的排水任務(wù)。該渠下涵始建于1975 年，由群眾自建，1988 年拆除重建，2011年11月加固處理。

李大沖渠下涵現(xiàn)狀涵身為Φ1.0m預(yù)制圓管涵，單孔，長(zhǎng)125m，老、下涵上游設(shè)計(jì)水位55.3m，下游設(shè)計(jì)水位50.92m，集水面積2km2。原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)5年一遇，設(shè)計(jì)流量為2.5m3/s；原校核標(biāo)準(zhǔn)50年一遇，校核流量為3.5m3/s。

自李大沖渠下涵1988 年拆除重建至今已運(yùn)行30 余年，雖在2011 年進(jìn)行加固，但仍存在諸多的安全問題。李大沖渠下涵進(jìn)出口渠道淤積較深，且泄流能力不足；該渠下涵為φ1.0m 的圓涵，涵身狹窄，管理人員無法進(jìn)入涵身進(jìn)行日常管理維護(hù)及檢修，運(yùn)行多年涵體內(nèi)部損毀程度無法知曉。因此本次工程擬拆除重建李大沖渠下涵。

1.2 工程布置

1.2.1 渠下涵軸線位置選擇

渠下涵現(xiàn)狀排區(qū)內(nèi)溝渠排洪渠系已經(jīng)形成，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形條件，涵洞軸線垂直渠堤，渠下涵正向進(jìn)、出水。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件，本次設(shè)計(jì)擬原址拆除重建渠下涵。涵洞軸線選定按現(xiàn)狀涵洞軸線布置與河溝方向基本一致。

1.2.2 建筑物選型

在灌排渠系中，通常采用的涵洞形式主要有箱涵、蓋板涵、拱涵及圓管涵四種。箱涵為矩形斷面現(xiàn)澆整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)為結(jié)構(gòu)承載能力高、施工方便、工藝簡(jiǎn)單、流量及洞徑較大和內(nèi)水壓力較大。渠下涵考慮采用鋼筋混凝土箱涵結(jié)構(gòu)。

1.2.3 總體布置

洞身布置需滿足相應(yīng)的設(shè)計(jì)條件，且應(yīng)滿足堤防的安全。穿堤排水涵的縱坡設(shè)計(jì)采用不陡于溝道縱坡設(shè)計(jì)，且順接上下游溝道。

涵洞結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土箱涵，洞身長(zhǎng)度應(yīng)滿足堤防總體平面布置。因洞身較長(zhǎng)，為適應(yīng)地基變形，洞身進(jìn)行分縫處理，縫內(nèi)設(shè)銅止水，縫中填塞止水伸縮材料[3]。

涵洞進(jìn)口設(shè)圓弧擋墻順接現(xiàn)狀邊坡以平順入涵水流，上游不小于5 倍水深范圍內(nèi)采用預(yù)制塊護(hù)坡，護(hù)底采用現(xiàn)澆混凝土護(hù)砌。考慮溝道現(xiàn)狀坡降較大且運(yùn)行多年未出現(xiàn)淤積，上游不再設(shè)沉砂池。

涵洞出口翼墻采用直線段接端墻，翼墻結(jié)合消力池同時(shí)設(shè)計(jì)。翼墻末端順接現(xiàn)狀溝道，溝道現(xiàn)澆混凝土擋墻，底部設(shè)漿砌石海漫及拋石防沖槽。

李大沖渠下涵進(jìn)出口按照原軸線布置，渠下涵原址擬拆除重建，進(jìn)、出口順接現(xiàn)狀溝道，涵洞下穿汲東干渠，涵洞軸線與干渠軸線平面上正交。

1.3 工程地質(zhì)

李大沖渠下涵揭露的基巖主要為下第三系戚家橋組安山巖（Eq）砂礫巖，在地表、河床和堤身尚分布有第四系（Q）沖積物及人工填土。地層自上而下分別為0-1 人工填土、3 層重粉質(zhì)壤土、1 層重粉質(zhì)壤土、1 層粉質(zhì)黏土（Qal3）、⑥層砂礫巖（Eq）。

渠下涵涵洞下游臨近出口段15m范圍內(nèi)基礎(chǔ)揭露①3層土，該層土允許承載力80kPa，厚度0.6～1.0m。本次設(shè)計(jì)擬采用10%的水泥土換填處理，換填范圍為涵基外輪廓線以外1.5m。

1.4 工程設(shè)計(jì)

1.4.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)

考慮該渠下涵所在溝渠為農(nóng)田排水溝，主要承擔(dān)龍灣村及周邊流域的排水任務(wù)。根據(jù)規(guī)范，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)30 年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)100年一遇。

地質(zhì)資料工程區(qū)基本地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅵ度，基本地震動(dòng)峰值加速度反應(yīng)譜特征周期為0.35s，為設(shè)計(jì)地震第一組。

根據(jù)《水利水電工程合理使用年限及耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 654-2014），確定2級(jí)、3級(jí)建筑物工程合理使用年限為50年。

1.4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

①洞身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)狀李大沖渠下涵軸線垂直下穿汲東干渠，水流方由南向北，進(jìn)水口位于干渠右岸堤腳。本次設(shè)計(jì)拆除重建渠下涵進(jìn)、出口仍按原軸線布置，涵洞洞身采用C30 鋼筋混凝土箱型涵洞結(jié)構(gòu)，共1 孔，孔凈寬1.5m，凈高1.8m，邊墩、頂板及底板厚均為0.5m。進(jìn)口底板頂高程為53.50m，出口底板頂高程為51.00m，涵底坡率為1.7%，順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)144m。為適應(yīng)涵基變形，順?biāo)鞣较蚨瓷矸譃?6 節(jié)，其中進(jìn)、出口控制段長(zhǎng)均為9.00m，中間涵身段共14 節(jié)，單節(jié)長(zhǎng)9.00m。洞身上部填土按汲東干渠堤防標(biāo)準(zhǔn)斷面進(jìn)行設(shè)計(jì)，洞頂填土深度為2.77m～10.75m。

②涵洞進(jìn)、出口連接段及岸坡防護(hù)

進(jìn)口新建C25 混凝土鋪蓋，長(zhǎng)3.0m，厚度0.5m，齒墻深度1.0m，其下鋪設(shè)厚0.1m 素混凝土墊層。進(jìn)口段河道自然邊坡雜草叢生、淤積嚴(yán)重，設(shè)計(jì)采用C25 現(xiàn)澆混凝土護(hù)底，厚0.2m，兩岸邊坡采用預(yù)制混凝土實(shí)體連鎖塊護(hù)砌，厚0.12m，下設(shè)碎石墊層厚0.1m，坡比1:1.5。勒腳尺寸為0.3m×0.5m（寬×深），順?biāo)飨蜷g距8m 設(shè)置一道格埂，格埂及壓頂尺寸為0.3m×0.4m（寬×深），進(jìn)口河道護(hù)砌總長(zhǎng)約30m。

涵洞出口設(shè)消力池，設(shè)計(jì)池長(zhǎng)15.0m，池深1.0m，底板厚0.5m。消力池下游接M10 漿砌石海漫，長(zhǎng)20m，厚0.4m，下設(shè)碎石墊層厚0.1m。海漫末端接拋石防沖槽長(zhǎng)5.0m，深1.5m。消力池下游90m 范圍左、右岸岸坡采用混凝土擋墻，高1.9m，墻頂接現(xiàn)狀地面坡比1:1.5，順?biāo)飨蜷g距10m設(shè)置一道分縫，縫內(nèi)設(shè)閉孔泡沫板。

③進(jìn)、出口翼墻設(shè)計(jì)

進(jìn)口翼墻采用C25混凝土重力式擋土墻，擋土墻最大擋土高3.3m，墻頂寬0.5m，底板寬3.15m。翼墻平面上呈圓弧型布置，左、右岸圓弧段呈對(duì)稱布置，圓弧半徑3.0m；出口翼墻采用C25 鋼筋混凝土，翼墻呈八字型布置，擴(kuò)散角約11.4°，尾部折向岸坡，順?biāo)飨虻牟贾瞄L(zhǎng)度為15m。

④汲東干渠恢復(fù)護(hù)砌

本次設(shè)計(jì)對(duì)復(fù)堤后堤身迎水測(cè)采用C25 現(xiàn)澆混凝土護(hù)砌，護(hù)砌范圍為涵洞軸線上、下游各40m，護(hù)坡自設(shè)計(jì)渠底高程護(hù)至渠道設(shè)計(jì)水位以上0.6m，護(hù)坡厚0.12m。勒腳尺寸為0.5m×0.8m（寬×深），格埂及壓頂尺寸為0.3×0.4m（寬×高），迎水面混凝土護(hù)坡頂至堤頂及背水坡設(shè)草皮護(hù)坡。干渠渠道護(hù)底采用C25 實(shí)體預(yù)制塊，厚0.15m，下設(shè)砂石墊層厚0.1m 及土工膜。護(hù)底范圍沿涵洞軸線上、下游各25m，恢復(fù)護(hù)砌總長(zhǎng)度50m。護(hù)坡縱、橫向間隔5.0m 設(shè)2cm 寬伸縮縫，縫內(nèi)填瀝青杉板，護(hù)底縱、橫向間隔20.0m設(shè)格埂，格埂尺寸為0.3m×0.4m（寬×高）。

1.4.3 水力計(jì)算

①水流流態(tài)判別

根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50288-2018）附錄M，涵洞水流流態(tài)判別依據(jù)如下。

進(jìn)口水深H≤1.2D（D 為洞高，H、D單位均為m）時(shí)，當(dāng)出口水深h＜D，為無壓流；當(dāng)h≥D，為淹沒壓力流。

1.2D＜H≤1.5D 時(shí)，當(dāng)h＜D，為半壓力流；當(dāng)h≥D，為淹沒壓力流。

H＞1.5D 時(shí)，當(dāng)h＜D，為非淹沒壓力流，當(dāng)h≥D，為淹沒壓力流。

李大沖渠下涵水流流態(tài)非淹沒壓力流[4]。

②過流能力復(fù)核

非淹沒壓力流涵洞過流能力計(jì)算公式為：

式中：Q為涵洞的過流能力（m3/s）；m2為流量系數(shù)；A為洞身斷面面積（m2）；H0為計(jì)行進(jìn)水頭的進(jìn)口水深（m）；i為洞底比降；L為涵洞長(zhǎng)度（m）；β2為修正系數(shù)，可取0.85；D為洞高（m）；g為重力加速度，g=9.81m/s2。

李大沖渠下涵過流能力計(jì)算成果見表1。經(jīng)計(jì)算，本次設(shè)計(jì)李大沖渠下涵孔口尺寸為1.5m×1.8m（寬×高），過流能力滿足要求。

表1 渠下涵過流復(fù)核計(jì)算

1.4.4 穩(wěn)定計(jì)算

①李大沖渠下涵進(jìn)口段抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算

計(jì)算荷載：建筑物自重、水重、水壓力、揚(yáng)壓力等。

抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kc計(jì)算公式：

式中：f為底板與地基之間的摩擦系數(shù)，取0.28；∑G為作用在洞身上的全部豎向荷載（包括洞身基礎(chǔ)底面上的揚(yáng)壓力在內(nèi)，kN）；∑H為作用在洞身上的全部水平向荷載（kN）。

②洞身基底應(yīng)力計(jì)算

洞底基底應(yīng)力P計(jì)算公式：

式中：P為洞身基底應(yīng)力（kPa）；∑M為作用在洞身上的全部豎向和水平向荷載對(duì)于基礎(chǔ)底面垂直水流方向的形心軸的力矩（kN·m）；A為洞身基底面的面積（m2）；W為洞身基底面對(duì)于該底面垂直水流方向的形心軸的截面矩（m3）；其余符號(hào)意義同前。

計(jì)算結(jié)果見表2。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在兩種工況下，洞身底應(yīng)力最大值與最小值之比、抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，涵洞建基面位于②1層重粉質(zhì)壤土，允許承載力140kPa，基底應(yīng)力滿足地基承載力要求[5]。

表2 渠下涵穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

1.4.5 結(jié)構(gòu)計(jì)算

主要計(jì)算涵洞內(nèi)力，主要荷載為結(jié)構(gòu)自重、設(shè)備自重、水重、揚(yáng)壓力等。底板內(nèi)力計(jì)算采用DKJ軟件進(jìn)行計(jì)算。

涵洞身采用C30 混凝土，配置III 級(jí)鋼筋，李大沖渠下涵涵洞壁厚0.5m。本次選取堤防最高填土位置段涵洞進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，涵洞頂填土較高，涵洞受力以完建期為控制，作用在洞頂上的垂直荷載按填埋式計(jì)算，側(cè)墻水平土壓力按靜止土壓力計(jì)算，結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，取單寬1.0m，采用平面框架計(jì)算，其完建期彎矩見圖1。

圖1 李大沖渠下涵涵身結(jié)構(gòu)彎矩計(jì)算結(jié)果圖

李大沖渠下涵涵洞底板頂部、底板底部、邊墻臨土側(cè)、頂板頂部、頂板底部最大彎矩值分別為110.4kN·m、120.0kN·m、99.60kN·m、99.6kN·m、94.10kN·m，依次可配Φ16@200、Φ 18@200、Φ14@200、Φ16@200、Φ16@200 鋼筋，配筋率分別為0.24%、0.22%、0.19%、0.19%、0.19%。結(jié)構(gòu)的配筋率在正常的范圍內(nèi)，涵洞斷面結(jié)構(gòu)尺寸選擇合理。

2 結(jié)語

李大沖渠下涵拆除重建工程是淠史杭灌區(qū)“十四五”續(xù)建配套與現(xiàn)代化改造項(xiàng)目的重要組成部分。灌區(qū)續(xù)建配套與現(xiàn)代化有利于促進(jìn)灌區(qū)進(jìn)行管理體制和運(yùn)行機(jī)制改革，為灌區(qū)的良性運(yùn)行提供了條件。

水利工程關(guān)乎農(nóng)業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展，而農(nóng)業(yè)是立國(guó)之本，關(guān)系民生民計(jì)。渠系建筑物作為水利工程中重要的組成部分，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改進(jìn)施工組織設(shè)計(jì)對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉、居民生活、生態(tài)環(huán)境有著重要的意義。