穿河涵洞在某工程中的设计和应用
2014-01-21刘泓崴
刘泓崴
(新疆巴音郭楞蒙古自治州水利水电勘测设计院，新疆巴音郭楞841000)
穿河涵洞在某工程中的设计和应用
刘泓崴
(新疆巴音郭楞蒙古自治州水利水电勘测设计院，新疆巴音郭楞841000)
灌区水利工程建设关系着灌区的经济发展与人们的正常生活。近年来，我国新疆各灌区的水利工程改扩建项目越来越多，无论从工程规模还是从技术要求方面，都给相关的设计与施工带来了一定难度。穿河涵洞作为河道工程的节点，能够有效保护河道下游构筑物的安全、可靠运行。文章结合若羌县吾塔木乡渡槽改建工程实例，对穿河涵洞的设计及应用问题进行探讨。
穿河涵洞;河道工程;涵洞设计;设计;应用
1 工程概况
若羌县吾塔木乡渡槽改建工程位于巴音郭楞蒙古自治州若羌县境内。该工程座落于若羌县城以南8 km处的吾塔木乡干渠上，横穿若羌河，该处属若羌河中游段，河床宽约300 m。本工程设计流量为2 m3/s，加大流量为2.5 m3/s。工程主要包括渠道、陡坡、涵洞及排沙设施等。
2 穿河涵洞的设计
吾塔木乡渡槽改建工程位于吾塔木乡干渠上，是一座横穿整个若羌河的无压盖板涵洞，担负着若羌县吾塔木乡全乡的农田灌溉任务。本次设计主要由排砂设施工程和渡槽改建工程两部分组成。工程主要建筑物包括涵洞、陡坡、渠道、防洪堤和排砂设施等组成。
2.1 涵洞的设计
2.1.1 纵坡设计
根据吾塔木乡渡槽改建工程所在位置的地形和测量资料可知，涵洞的进出口高程都有调节的余地。为了不让水流中的泥沙在涵洞中产生淤积，涵洞的纵坡不宜过缓，再根据“吾塔木乡渡槽改建工程1∶500地形图”及测量河床横断面图，把涵洞的纵坡初定为1/110。为了保证涵洞的安全运行，其盖板顶距河床的最小距离为2 m，确定涵洞的进出口高程分别为939.55 m和936.72 m。通过水力计算可知，该纵坡满足设计要求，最终确定渡槽纵坡为1/110。
2.1.2 断面形式及衬砌方式的选择
吾塔木乡渡槽改建工程中设计的涵洞为无压盖板矩形涵洞。虽然涵洞洞顶填土厚度不大，当地浆砌石料充足，石料的强度比混凝土高，耐磨性能比混凝土好，但设计流量较小，流速偏小，泥沙在涵洞内会产生淤积，给工程管理运行带来不便，所以设计采用混凝土矩形盖板涵洞比较经济和实用［1］。涵洞水力要素可按明渠均匀流进行计算，水力要素见表1。
表1 涵洞水力要素表
根据计算确定涵洞底板采用0.4 m厚C20现浇混凝土，边墙采用0.5 m厚C20现浇混凝土直墙型式，涵洞顶铺设0.20 m厚钢筋混凝土盖板。
2.1.3 水力计算及结构尺寸
2.1.3.1 涵洞长度的确定
本次改建工程设计时，为了不影响涵洞所在河床现状的过流情况，维持河床现状不变，在涵洞进出口端的河堤堤顶预留了2 m的宽度，最终确定涵洞总长度为311 m。
2.1.3.2 过水能力计算
式中:Q为涵洞设计流量，2.0m3/s;i为洞身比降，1/110;n为洞身糙率，0.017;R为水力半径，R=A/x;A为涵洞过水断面面积，m2;x为湿周长，m。
计算得，涵洞底宽1.80 m，高度0.9 m。为涵洞有足够的空间进行清淤，确定涵洞底宽为1.8 m，高度1.8 m。另外，为保证涵洞在洪水期安全，还应对涵洞进行防冲设计，设计在涵洞下游挡土墙末端垂直河床方向设一防冲墙，并在涵洞盖板顶铺设0.3 m厚抗磨层。设计按建筑物的防洪标准设计，计算得在正常洪水，东渡槽河床过水时，冲刷深度最深，即 hd=4.07 m。考虑到涵洞盖板顶在河床内的最小埋深为2 m，所以设计涵洞盖板顶至防冲墙末端底的高度为4 m，即河床至防冲墙末端底部的最小深度为6 m。
2.2 陡坡设计
本工程通过计算确定陡坡水平长度为85 m，总落差为8.5 m，陡坡采用矩形盖板断面形式，底宽1.3 m，深1.1 m，边墙采用C20细粒混凝土砌卵石重力式挡土墙型式;陡坡末端接消力池，池长12.5 m，池深1.5 m，宽1.3 m，池底板采用C20现浇混凝土，厚0.6 m，底板末端设有齿墙，齿墙深2.1 m，厚0.5 m，边墙采用C20现浇埋石混凝土重力式挡土墙，墙高由1.86 m渐变为3.9 m;消力池后接矩形渐变段，长4.5 m，深1.8 m，底宽由1.3 m渐变为1.8 m，底板采用C20现浇混凝土衬砌，厚为0.3 m，渐变渠道边墙采用C20现浇埋石混凝土重力式挡土墙，墙高2.4 m。
2.3 渠道设计
2.3.1 边坡、纵坡
根据规范要求，渠道设计水深在＜1 m，土质为夹砂卵石或砂土时，渠道最小内边坡数取1.0，外边坡数取1.0。本工程上开挖边坡系数≥1.25，确定本工程设计渠道内边坡系数采用1.5，外边坡系数采用1.5。虽然涵洞的进口高程已经确定，但渠道和涵洞之间由陡坡衔接，所以该段渠道的纵坡可按照地形自然坡降进行调整。
2.3.2 衬砌方式的选择
衬砌方式采用C20细粒混凝土砌卵石衬砌;渠道采用梯形明渠，渠道全断面采用C20细粒混凝土砌卵石作为防渗与衬砌材料，C20细粒混凝土砌卵石衬砌厚度0.3 m;水泥采用抗硫酸盐水泥。
2.4 导流堤设计导
本次设计在涵洞进、出水口上下游河岸修建C20细粒混凝土砌卵石防洪堤，并修建C20细粒混凝土砌卵石基础防止淘刷，护堤总长130 m，其中左岸80 m，右岸50 m，断面型式采用“刀”形，基础深2.5 m，堤顶宽0.5 m，中部厚1.1 m，基础厚0.6 m，背水面边坡1∶0.4。
2.5 排砂系统设计
排砂系统工程位于若羌干渠引水渠首下游约2.5 km处，采用倒坡渠道防砂方案。
3 应用效果
3.1 应用效益
本次改建工程的实施完工，将改善灌区输水条件，提高了下游灌区的灌溉保证率，稳定了灌区农业经济的发展。在涵洞进出口端的河岸上下游修建防洪堤130 m，这样不仅保护了涵洞进出口，又增强防洪工程设施。
3.2 安全运行
若羌河在该段为微淤积河床，原工程为跨河渡槽，主要受到河床淤积和洪水带来的威胁。本次设计涵洞采用C20现浇钢筋混凝土矩形断面形式，并在涵洞盖板顶铺设了0.3 m厚的C20细粒混凝土砌卵石，以增加其抗磨性能，且涵洞下游侧设一C20细粒混凝土砌卵石防冲墙，所以能够降低洪水对涵洞造成的威胁。
3.3 工期短，确保灌溉
本工程采用穿河涵洞输水形式，主体工程的施工工期相对较短;并且该方案施工时灌区的用水可以利用现有的渡槽进行输水，不会影响灌区的灌溉用水，在灌溉期也可以进行施工，不用安排冬季施工，可缩短施工工期，涵洞上下游连接渠道在原吾塔木干渠下游侧，当来洪水时，原吾塔木干渠成为防洪堤，保护了该工程。
［1］毛建.TBM下穿河流涵洞施工技术分析［J］.科技传播，2011(01):159－160.
TV87
B
1007－7596(2014)07－0227－02
2013－11－27
刘泓崴(1979－)，男，甘肃武威人，工程师。
