某港口排水涵洞水力计算浅析

王观烨，章静

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北 武汉 430000）



某港口排水涵洞水力计算浅析

王观烨，章静

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北 武汉 430000）

文章提出根据规划或已有排水涵洞作为参考往往导致涵洞尺寸偏大，造价偏高，并通过工程实例进行分析，得出排水涵洞进行水力计算，优化设计是必须的。并提出一些工程中的计算经验，为今后类似项目提供参考借鉴。

排水涵洞；流量；流速；水力坡度

0　前言

排水涵洞的水力计算是确定排水涵洞设计的关键，排水涵洞设计是否合适将直接决定排水涵洞的水力条件和工程造价。在设计过程中，有时因为外部环境资料不全，为了方便起见，设计中采取根据规划资料设计或者校核已有排水涵洞进行设计。而很多时候规划或已有的排水涵洞设计尺寸偏大，造成不必要的浪费。本文拟结合重庆港江津港区珞璜作业区改扩建工程排水涵洞设计，探讨排水涵洞水力计算的一些方法。

1　工程概况

重庆港江津港区珞璜作业区改扩建工程排水涵洞设计作为重庆港江津港区珞璜作业区改扩建工程的配套项目，其内有若干现状溪沟穿过港口用地。根据重庆港江津港区珞璜作业区改扩建工程相关设计资料和地形图分析，港口北侧现状地形较复杂，其高差变化大，标高在202～485m范围内。为满足港口用地要求，顺着现有溪沟方向设置一条排水涵洞，将现状的溪沟归顺后，通过排水涵洞排入长江。排水涵洞设在港口堆场及道路下方，排水涵洞总长度为552m。

2　排水流量计算

2.1汇水面积

根据业主提供的1∶10000地形图等高线，以分水岭作为汇水面积边界，统计出汇入本项目的排水面积为448.5ha。

2.2设计流量计算

为加强排水计算的准确性，拟采用4种计算方法进行计算，并相互比照。第一种采用小流域公式法，对洪峰流量进行计算；第二种采用极限强度法，按重庆暴雨强度公式对雨水量进行计算；第三种采用交通部公路科学研究院径流简化公式对雨水量进行计算；第四种采用痕迹调查法，了解最大雨水量，进行复核。这4种方法相互对比后，采用较大的设计流量值。同时对上游既有排水涵洞构造孔径进行调查，复核现有排水构筑物是否满足要求。

2.2.1小流域公式法

式中：Qs为设计洪峰流量（m3/s）；m为面积指数，当F≤1km2时，m＝1；当1km2≤F≤10km2时，m＝0.85（西南地区）；P为重现期，根据《城市防洪工程设计规范》（CJJ50-92）和本地区控制性详细规划，本次设计按P=100年设防；Kp为流量模数，根据重现期和所属地区，本次设计采用K100=23。

2.2.2极限强度法（暴雨强度公式）

根据《室外排水设计规范》（2014年版）要求，对于汇水面积超过2km2时，雨水设计流量宜采用数学模型法进行确定，而现阶段国内数学模型法用于工程实例中还处于摸索阶段，因此本次设计中采用原暴雨强度公式。

式中：Qs为雨水设计流量（L/s）；q为采用重庆地区暴雨强度公式，（L/s·ha）；ψ为平均径流系数，根据规划及现状地形，本次设计ψ=0.35；F为汇水面积（ha）；P为暴雨重现期（y），根据《室外排水设计规范》（GB50014-2014），按P=100年设计；t为降雨历时（min），t=t1+t2，t1为地面集水时间（min），t1=5min；t2为管渠内雨水流行时间（min）。

2.2.3交通部公路科学研究院径流简化公式

式中：F为汇水面积（km2）；ψ为地貌系数，查《涵洞设计细则》附录表B-5，取0.13；h为径流厚度（mm），查《涵洞设计细则》附录表B-9，取百年一遇值46；z为滞留径流厚度（mm），查《涵洞设计细则》附录表B-10，取10；β为洪峰传播的流量折减系数，查《涵洞设计细则》附录表B-11，取1.0；γ为汇水区降雨量不均匀的折减系数，查《涵洞设计细则》附录表B-12，取1.0；δ为湖泊或小水库调节作用影响洪峰流量的折减系数，查《涵洞设计细则》附录表B-13，取1.0。

计算结果为：93.4m3/s

2.2.4痕迹调查法，利用历史洪水位推算设计流量

式中：Q为历史洪水流量（m3/s）；Ac、At为河槽河滩过水面积（m2）；Vc、Vt为河槽河滩平均流速（m/s）；nc、nt为河槽河滩粗糙率，均取0.015；Rc、Rt为河槽河滩水力半径；I为水力坡度，取0.0015。

水渠过水断面按照宽8.4m、高3m计算。

计算结果为：94.5m3/s。

具体计算结果见下表。

经过比较，几个公式计算结果较为接近，考虑港区的重要性，取计算结果的大值，为暴雨强度公式计算结果，101m3/s。

3　涵洞水力坡度的确定

由水力学公式可以知道，排水涵洞在相同过水断面下，随着水力坡度的增大，过水能力随着增大。因此在过水能力相同，水力坡度越大，则涵洞所需过水断面越小，工程造价越低。通过比较本项目各种工况，最不利工况：项目建成后受长江100年一遇洪水顶托，且发生100年一遇洪水。本项目百年一遇出口处洪水位：197.65m（黄海高程）；场地高程：202m（黄海高程），为安全计算，取进口水位为201.5m；本项目涵洞长度为552m。

在最不利工况下，排水涵洞为淹没出流。同时由于本项目主要解决码头背面山区流经码头的溪水，本工程范围内无其他排水汇入，故排水涵洞段采用统一尺寸横断面，则排水涵洞内水流近似认为恒定均匀流。涵洞水力坡度最大可取：

I=H/L=（201.5-197.65）/552=0.007

4　涵洞横断面的确定

本项目流量为101m3/s，排水涵洞水力坡度I取0.007，粗糙系数 n查《室外排水设计规范》（GB50045-2006）（2014年版）取0.02，因为涵洞是淹没出流，横断面面积考虑淤积10%。

根据公式：Q=A×V；V=1/nR2/3I1/2知，涵洞不同横断面对应流量数据如下。

经综合比较，涵洞横断面选用：1拱5m×4m，拱高1.75m。

对比本项目上游省道106上设置的排水涵洞，其横断面尺寸为2拱5m×4.4m，拱高2.3m。本项目排水涵洞经过水力计算，横断面仅为上游排水涵洞横断面面积的50%不到，在保证排水安全的情况下，极大的节省了工程投资，更为经济合理。通过不同的计算方法，互相印证，综合取值。达到既满足使用要求，又经济节约。

5　结语

城市化进程的加快，城市道路的升级改造，市政设计中排水涵洞增多，排水涵洞设计对项目具有举足轻重的影响。通过水力计算优化设计将会使项目产生良好的社会、经济效益。

JTG/T D65-04-2007，公路涵洞设计细则[S].

TU992

B

1007-7359(2016)03-0224-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.03.081

王观烨（1980-），男，湖北武汉人，毕业于武汉科技大学，学士；工程师，国家注册设备工程师。