汲东干渠李大冲渠下涵拆除重建工程设计分析

2024-04-08安徽省水利水电勘测设计研究总院股份有限公司安徽合肥230088

安徽建筑 2024年3期

赵艳（安徽省水利水电勘测设计研究总院股份有限公司，安徽合肥 230088）

水是生命之源、生产之要、生态之基，水利事关战略全局、事关长远发展、事关人民福祉。尊重自然、顺应自然、保护自然，是全面建设社会主义现代化国家的内在要求。目前我国水利建设还存在一些问题[1]，例如农田水利设施老化严重、配套不全，灌溉规模不足。为此通过实施灌区续建配套与节水改造，提高灌溉水利用系数，提高农业综合生产能力，为保障国家粮食安全做出了重大贡献[2]。渠下涵作为水利工程中常见的建筑物，对工程建设及社会经济发展有着重要的作用。

1 工程设计

1.1 工程概况

淠史杭灌区是新中国建设的特大型灌区，灌区由淠河灌区、史河灌区和杭埠河灌区组成，位于安徽省中西部大别山余脉的丘陵地带，总设计灌溉面积798666.7hm2，其中安徽省733333.4 hm2、河南省65333.3hm2。

李大冲渠下涵位于六安市叶集区姚李镇，穿越汲东干渠，主要承担龙湾村及周边2km2流域的排水任务。该渠下涵始建于1975 年，由群众自建，1988 年拆除重建，2011年11月加固处理。

李大冲渠下涵现状涵身为Φ1.0m预制圆管涵，单孔，长125m，老、下涵上游设计水位55.3m，下游设计水位50.92m，集水面积2km2。原设计标准5年一遇，设计流量为2.5m3/s；原校核标准50年一遇，校核流量为3.5m3/s。

自李大冲渠下涵1988 年拆除重建至今已运行30 余年，虽在2011 年进行加固，但仍存在诸多的安全问题。李大冲渠下涵进出口渠道淤积较深，且泄流能力不足；该渠下涵为φ1.0m 的圆涵，涵身狭窄，管理人员无法进入涵身进行日常管理维护及检修，运行多年涵体内部损毁程度无法知晓。因此本次工程拟拆除重建李大冲渠下涵。

1.2 工程布置

1.2.1 渠下涵轴线位置选择

渠下涵现状排区内沟渠排洪渠系已经形成，根据现场地形条件，涵洞轴线垂直渠堤，渠下涵正向进、出水。根据现场地质条件，本次设计拟原址拆除重建渠下涵。涵洞轴线选定按现状涵洞轴线布置与河沟方向基本一致。

1.2.2 建筑物选型

在灌排渠系中，通常采用的涵洞形式主要有箱涵、盖板涵、拱涵及圆管涵四种。箱涵为矩形断面现浇整体式钢筋混凝土结构，其优点为结构承载能力高、施工方便、工艺简单、流量及洞径较大和内水压力较大。渠下涵考虑采用钢筋混凝土箱涵结构。

1.2.3 总体布置

洞身布置需满足相应的设计条件，且应满足堤防的安全。穿堤排水涵的纵坡设计采用不陡于沟道纵坡设计，且顺接上下游沟道。

涵洞结构采用钢筋混凝土箱涵，洞身长度应满足堤防总体平面布置。因洞身较长，为适应地基变形，洞身进行分缝处理，缝内设铜止水，缝中填塞止水伸缩材料[3]。

涵洞进口设圆弧挡墙顺接现状边坡以平顺入涵水流，上游不小于5 倍水深范围内采用预制块护坡，护底采用现浇混凝土护砌。考虑沟道现状坡降较大且运行多年未出现淤积，上游不再设沉砂池。

涵洞出口翼墙采用直线段接端墙，翼墙结合消力池同时设计。翼墙末端顺接现状沟道，沟道现浇混凝土挡墙，底部设浆砌石海漫及抛石防冲槽。

李大冲渠下涵进出口按照原轴线布置，渠下涵原址拟拆除重建，进、出口顺接现状沟道，涵洞下穿汲东干渠，涵洞轴线与干渠轴线平面上正交。

1.3 工程地质

李大冲渠下涵揭露的基岩主要为下第三系戚家桥组安山岩（Eq）砂砾岩，在地表、河床和堤身尚分布有第四系（Q）冲积物及人工填土。地层自上而下分别为0-1 人工填土、3 层重粉质壤土、1 层重粉质壤土、1 层粉质黏土（Qal3）、⑥层砂砾岩（Eq）。

渠下涵涵洞下游临近出口段15m范围内基础揭露①3层土，该层土允许承载力80kPa，厚度0.6～1.0m。本次设计拟采用10%的水泥土换填处理，换填范围为涵基外轮廓线以外1.5m。

1.4 工程设计

1.4.1 主要设计参数指标

考虑该渠下涵所在沟渠为农田排水沟，主要承担龙湾村及周边流域的排水任务。根据规范，设计标准30 年一遇，校核洪水标准100年一遇。

地质资料工程区基本地震动峰值加速度为0.05g，相应地震基本烈度为Ⅵ度，基本地震动峰值加速度反应谱特征周期为0.35s，为设计地震第一组。

根据《水利水电工程合理使用年限及耐久性设计规范》（SL 654-2014），确定2级、3级建筑物工程合理使用年限为50年。

1.4.2 结构设计

①洞身结构设计

现状李大冲渠下涵轴线垂直下穿汲东干渠，水流方由南向北，进水口位于干渠右岸堤脚。本次设计拆除重建渠下涵进、出口仍按原轴线布置，涵洞洞身采用C30 钢筋混凝土箱型涵洞结构，共1 孔，孔净宽1.5m，净高1.8m，边墩、顶板及底板厚均为0.5m。进口底板顶高程为53.50m，出口底板顶高程为51.00m，涵底坡率为1.7%，顺水流方向长144m。为适应涵基变形，顺水流方向洞身分为16 节，其中进、出口控制段长均为9.00m，中间涵身段共14 节，单节长9.00m。洞身上部填土按汲东干渠堤防标准断面进行设计，洞顶填土深度为2.77m～10.75m。

②涵洞进、出口连接段及岸坡防护

进口新建C25 混凝土铺盖，长3.0m，厚度0.5m，齿墙深度1.0m，其下铺设厚0.1m 素混凝土垫层。进口段河道自然边坡杂草丛生、淤积严重，设计采用C25 现浇混凝土护底，厚0.2m，两岸边坡采用预制混凝土实体连锁块护砌，厚0.12m，下设碎石垫层厚0.1m，坡比1:1.5。勒脚尺寸为0.3m×0.5m（宽×深），顺水流向间距8m 设置一道格埂，格埂及压顶尺寸为0.3m×0.4m（宽×深），进口河道护砌总长约30m。

涵洞出口设消力池，设计池长15.0m，池深1.0m，底板厚0.5m。消力池下游接M10 浆砌石海漫，长20m，厚0.4m，下设碎石垫层厚0.1m。海漫末端接抛石防冲槽长5.0m，深1.5m。消力池下游90m 范围左、右岸岸坡采用混凝土挡墙，高1.9m，墙顶接现状地面坡比1:1.5，顺水流向间距10m设置一道分缝，缝内设闭孔泡沫板。

③进、出口翼墙设计

进口翼墙采用C25混凝土重力式挡土墙，挡土墙最大挡土高3.3m，墙顶宽0.5m，底板宽3.15m。翼墙平面上呈圆弧型布置，左、右岸圆弧段呈对称布置，圆弧半径3.0m；出口翼墙采用C25 钢筋混凝土，翼墙呈八字型布置，扩散角约11.4°，尾部折向岸坡，顺水流向的布置长度为15m。

④汲东干渠恢复护砌

本次设计对复堤后堤身迎水测采用C25 现浇混凝土护砌，护砌范围为涵洞轴线上、下游各40m，护坡自设计渠底高程护至渠道设计水位以上0.6m，护坡厚0.12m。勒脚尺寸为0.5m×0.8m（宽×深），格埂及压顶尺寸为0.3×0.4m（宽×高），迎水面混凝土护坡顶至堤顶及背水坡设草皮护坡。干渠渠道护底采用C25 实体预制块，厚0.15m，下设砂石垫层厚0.1m 及土工膜。护底范围沿涵洞轴线上、下游各25m，恢复护砌总长度50m。护坡纵、横向间隔5.0m 设2cm 宽伸缩缝，缝内填沥青杉板，护底纵、横向间隔20.0m设格埂，格埂尺寸为0.3m×0.4m（宽×高）。

1.4.3 水力计算

①水流流态判别

根据《灌溉与排水工程设计标准》（GB 50288-2018）附录M，涵洞水流流态判别依据如下。

进口水深H≤1.2D（D 为洞高，H、D单位均为m）时，当出口水深h＜D，为无压流；当h≥D，为淹没压力流。

1.2D＜H≤1.5D 时，当h＜D，为半压力流；当h≥D，为淹没压力流。

H＞1.5D 时，当h＜D，为非淹没压力流，当h≥D，为淹没压力流。

李大冲渠下涵水流流态非淹没压力流[4]。

②过流能力复核

非淹没压力流涵洞过流能力计算公式为：

式中：Q为涵洞的过流能力（m3/s）；m2为流量系数；A为洞身断面面积（m2）；H0为计行进水头的进口水深（m）；i为洞底比降；L为涵洞长度（m）；β2为修正系数，可取0.85；D为洞高（m）；g为重力加速度，g=9.81m/s2。

李大冲渠下涵过流能力计算成果见表1。经计算，本次设计李大冲渠下涵孔口尺寸为1.5m×1.8m（宽×高），过流能力满足要求。

表1 渠下涵过流复核计算

1.4.4 稳定计算

①李大冲渠下涵进口段抗滑稳定验算

计算荷载：建筑物自重、水重、水压力、扬压力等。

抗滑稳定安全系数Kc计算公式：

式中：f为底板与地基之间的摩擦系数，取0.28；∑G为作用在洞身上的全部竖向荷载（包括洞身基础底面上的扬压力在内，kN）；∑H为作用在洞身上的全部水平向荷载（kN）。

②洞身基底应力计算

洞底基底应力P计算公式：

式中：P为洞身基底应力（kPa）；∑M为作用在洞身上的全部竖向和水平向荷载对于基础底面垂直水流方向的形心轴的力矩（kN·m）；A为洞身基底面的面积（m²）；W为洞身基底面对于该底面垂直水流方向的形心轴的截面矩（m³）；其余符号意义同前。

计算结果见表2。根据计算结果，在两种工况下，洞身底应力最大值与最小值之比、抗滑稳定安全系数满足规范要求，涵洞建基面位于②1层重粉质壤土，允许承载力140kPa，基底应力满足地基承载力要求[5]。

表2 渠下涵稳定计算结果

1.4.5 结构计算

主要计算涵洞内力，主要荷载为结构自重、设备自重、水重、扬压力等。底板内力计算采用DKJ软件进行计算。

涵洞身采用C30 混凝土，配置III 级钢筋，李大冲渠下涵涵洞壁厚0.5m。本次选取堤防最高填土位置段涵洞进行结构计算，涵洞顶填土较高，涵洞受力以完建期为控制，作用在洞顶上的垂直荷载按填埋式计算，侧墙水平土压力按静止土压力计算，结构计算时，取单宽1.0m，采用平面框架计算，其完建期弯矩见图1。

图1 李大冲渠下涵涵身结构弯矩计算结果图

李大冲渠下涵涵洞底板顶部、底板底部、边墙临土侧、顶板顶部、顶板底部最大弯矩值分别为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 钢筋，配筋率分别为0.24%、0.22%、0.19%、0.19%、0.19%。结构的配筋率在正常的范围内，涵洞断面结构尺寸选择合理。