王 新,胥 慧
(1.黑龍江省三江工程建設(shè)管理局,哈爾濱 150010;2.黑龍江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院,哈爾濱 150080)
穿堤涵洞作為排水閘站的一個(gè)重要組成部分,起著排除內(nèi)澇通道功能,同時(shí)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(shí)不但涵洞長度最短,而且下泄水流最平順。涵洞的流態(tài)與進(jìn)口水深、出口水深以及洞高因素有關(guān),決定過流能力計(jì)算公式的選取,進(jìn)而影響工程投資。涵洞流態(tài)根據(jù)進(jìn)口水深、出口水深以及洞高的關(guān)系,分為4種流態(tài),表1列舉了4種流態(tài)的判別標(biāo)準(zhǔn)。合理設(shè)計(jì)穿堤涵洞對整個(gè)排水閘站的運(yùn)行安全及工程經(jīng)濟(jì)都尤為重要。
表1 4種流態(tài)的判別標(biāo)準(zhǔn)
坤南排水閘站位于望奎縣火箭下堤防樁號1+857處,自排設(shè)計(jì)流量為6.28m3/s,強(qiáng)排設(shè)計(jì)流量4.40m3/s。內(nèi)水設(shè)計(jì)水位130.27m(p=20%),承泄區(qū)水位132.37m(p=10%)。泵房底板高程126.89。排水閘站強(qiáng)排自排根據(jù)內(nèi)外水位的關(guān)系進(jìn)行確定,當(dāng)內(nèi)水水位高過外江水位時(shí),采取自排方式,反之采用強(qiáng)排方式。強(qiáng)排時(shí)涵洞為淹沒壓力流,滿足自排前提下進(jìn)行驗(yàn)證即可。本文選取自排工況進(jìn)行涵洞設(shè)計(jì),由于涵洞進(jìn)口高程直接影響洞前水深,因此,比較不同的涵洞進(jìn)口高程,對穿堤涵洞進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
穿堤涵洞水力設(shè)計(jì)在前蘇聯(lián)時(shí)期就已全面系統(tǒng)介紹了計(jì)算方法和公式,目前這一計(jì)算已經(jīng)較為成熟,從實(shí)際工程角度考慮,合理適當(dāng)簡化問題,經(jīng)過計(jì)算比選,得出經(jīng)濟(jì)安全的涵洞斷面尺寸。本文設(shè)計(jì)的涵洞為矩形斷面形式。計(jì)算工況見表2。
表2 計(jì)算工況
穿堤涵洞設(shè)計(jì)首先判別涵洞流態(tài),由于內(nèi)外江水位發(fā)生頻率不一定相同,不能確定下游水位。因此,依據(jù)涵洞流態(tài)的判別條件,可知每種計(jì)算工況對應(yīng)可能發(fā)生的流態(tài)都不相同,工況ⅰ僅可能發(fā)生無壓流;工況ⅱ可能發(fā)生半壓力流或淹沒壓力流;工況ⅲ可能發(fā)生非淹沒壓力流或淹沒壓力流[2]。
對于無壓流涵洞,流態(tài)還與洞身長度L有關(guān),即短洞與長洞的流態(tài)不同,雖然基本的流量計(jì)算公式相同,但是計(jì)算方法卻不同。因此,正確判別長短洞是計(jì)算無壓涵洞過流能力的關(guān)鍵。本文計(jì)算采用《灌溉與排水渠系建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》一書中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn):L<8H時(shí)為短洞,反之為長洞。其他流態(tài)均不區(qū)分長短洞之別。坤南排水閘站根據(jù)工程的實(shí)際情況判斷計(jì)算工況ⅰ應(yīng)屬于無壓長洞。
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(tài)。避免由于流量或水位發(fā)生急劇變化時(shí),使涵洞內(nèi)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(shè)計(jì)必須考慮洞內(nèi)水面以上的凈空要求。本文計(jì)算時(shí)采用的凈空高度h0≥D/6,凈空面積A0在10%-30%之間。
涵洞過流能力根據(jù)不同流態(tài)分別計(jì)算,具體過流能力計(jì)算公式及主要相關(guān)參數(shù)含義見表3。
表3 涵洞過流能力計(jì)算公式
涵洞設(shè)計(jì)除了保證過流能力外還要滿足本身的結(jié)構(gòu)尺寸,矩形涵洞高寬比H/B或?qū)捀弑菳/H一般不超過1.2。采用控制因素法,根據(jù)已知條件及涵洞過流能力公式試算出三種工況對應(yīng)的洞高H、洞長L、洞寬B以及計(jì)算過流量Q,具體計(jì)算結(jié)果見表4。
表中的計(jì)算結(jié)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(jù)表4中的計(jì)算結(jié)構(gòu)繪制每種工況下的內(nèi)外水位差對應(yīng)的涵洞過流量圖,見圖1-3。工況ⅰ涵洞內(nèi)水流只可能是無壓流,由圖1不同內(nèi)外水位差對應(yīng)的流量關(guān)系可以看出,涵洞的過流能力隨著內(nèi)外水位差的變大而增強(qiáng),而且變幅逐漸減小,當(dāng)水位差達(dá)到0.5m以上,過流能力保持不變[3]。
工況ⅱ涵洞內(nèi)水流可能出現(xiàn)半壓力流或淹沒壓力流,由圖2不同內(nèi)外水位差對應(yīng)的流量關(guān)系可以看出,涵洞的過流能力隨著內(nèi)外水位差的變大而增強(qiáng),當(dāng)水位差為0.68m時(shí),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(xiàn)突變點(diǎn),過流量突然增大,對應(yīng)的流態(tài)從淹沒壓力流轉(zhuǎn)變?yōu)榘雺毫α?,待涵洞?nèi)水流呈半壓力流后,內(nèi)外水位差繼續(xù)變大,但過流能力保持不變。
表4 各個(gè)工況下不同下游水位對應(yīng)涵洞過流能力
圖1 工況ⅰ不同內(nèi)外水位差對應(yīng)的流量關(guān)系圖
工況ⅲ涵洞內(nèi)水流可能出現(xiàn)非淹沒壓力流或淹沒壓力流,由圖3不同內(nèi)外水位差對應(yīng)的流量關(guān)系可以看出,涵洞的過流能力隨著內(nèi)外水位差的變大而增強(qiáng),當(dāng)水位差為1.18m時(shí),即下游水深h與涵洞洞高D相等,圖上過流能力曲線出現(xiàn)突變點(diǎn),過流流量突然減小,對應(yīng)的流態(tài)從淹沒壓力流轉(zhuǎn)變?yōu)榉茄蜎]壓力流,待涵洞內(nèi)水流呈非淹沒壓力流后,內(nèi)外水位差繼續(xù)變大,但過流能力保持不變。
圖2 工況ⅱ不同內(nèi)外水位差對應(yīng)的流量關(guān)系圖
圖3 工況ⅲ不同內(nèi)外水位差對應(yīng)的流量關(guān)系圖
綜合考慮上述結(jié)果進(jìn)一步分析,工況ⅰ涵洞內(nèi)水流流態(tài)穩(wěn)定,始終保持無壓流狀態(tài),流量變化范圍小,并且工程土方開挖量小,節(jié)省投資。工況ⅱ、ⅲ涵洞內(nèi)水流流態(tài)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。
本文針對坤南排水閘站穿堤涵洞實(shí)際工程,判別涵洞內(nèi)水流可能發(fā)生的流態(tài),并且經(jīng)過過流能力計(jì)算,得出不同涵洞進(jìn)口高程的流量計(jì)算結(jié)果,分析的過流流量與內(nèi)外水位差的關(guān)系。綜上所述,合理抬高穿堤涵洞進(jìn)口高程無論是水流條件還是工程投資都具有一定的優(yōu)勢。