穿堤涵洞進(jìn)口高程優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

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)

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(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)。

2 穿堤涵洞設(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

2.1 流態(tài)判別

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]。

2.2 長、短洞判別

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。

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(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。

2.4 計(jì)算公式

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

3 計(jì)算結(jié)果分析

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。

4 結(jié) 語

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。