穿堤涵洞进口高程优化设计分析

王 新，胥 慧

(1.黑龙江省三江工程建设管理局，哈尔滨 150010;2.黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080)

穿堤涵洞作为排水闸站的一个重要组成部分，起着排除内涝通道功能，同时兼顾防洪作用。穿堤涵洞的轴线布置一般与堤防走向垂直，这时不但涵洞长度最短，而且下泄水流最平顺。涵洞的流态与进口水深、出口水深以及洞高因素有关，决定过流能力计算公式的选取，进而影响工程投资。涵洞流态根据进口水深、出口水深以及洞高的关系，分为4种流态，表1列举了4种流态的判别标准。合理设计穿堤涵洞对整个排水闸站的运行安全及工程经济都尤为重要。

表1 4种流态的判别标准

1 工程简介

坤南排水闸站位于望奎县火箭下堤防桩号1+857处，自排设计流量为6.28m3/s，强排设计流量4.40m3/s。内水设计水位130.27m(p=20%)，承泄区水位132.37m(p=10%)。泵房底板高程126.89。排水闸站强排自排根据内外水位的关系进行确定，当内水水位高过外江水位时，采取自排方式，反之采用强排方式。强排时涵洞为淹没压力流，满足自排前提下进行验证即可。本文选取自排工况进行涵洞设计，由于涵洞进口高程直接影响洞前水深，因此，比较不同的涵洞进口高程，对穿堤涵洞进行优化设计。

2 穿堤涵洞设计

穿堤涵洞水力设计在前苏联时期就已全面系统介绍了计算方法和公式，目前这一计算已经较为成熟，从实际工程角度考虑，合理适当简化问题，经过计算比选，得出经济安全的涵洞断面尺寸。本文设计的涵洞为矩形断面形式。计算工况见表2。

表2 计算工况

2.1 流态判别

穿堤涵洞设计首先判别涵洞流态，由于内外江水位发生频率不一定相同，不能确定下游水位。因此，依据涵洞流态的判别条件，可知每种计算工况对应可能发生的流态都不相同，工况ⅰ仅可能发生无压流；工况ⅱ可能发生半压力流或淹没压力流；工况ⅲ可能发生非淹没压力流或淹没压力流[2]。

2.2 长、短洞判别

对于无压流涵洞，流态还与洞身长度L有关，即短洞与长洞的流态不同，虽然基本的流量计算公式相同，但是计算方法却不同。因此，正确判别长短洞是计算无压涵洞过流能力的关键。本文计算采用《灌溉与排水渠系建筑物设计规范》一书中规定的标准：L<8H时为短洞，反之为长洞。其他流态均不区分长短洞之别。坤南排水闸站根据工程的实际情况判断计算工况ⅰ应属于无压长洞。

2.3 净空要求

无压涵洞洞身高度必须保证在水位变化情况下，涵洞能水流保持为无压流状态。避免由于流量或水位发生急剧变化时，使涵洞内水面以上的空气压缩或变稀薄对洞身造成不利影响。因此，对于无压涵洞设计必须考虑洞内水面以上的净空要求。本文计算时采用的净空高度h0≥D/6，净空面积A0在10%-30%之间。

2.4 计算公式

涵洞过流能力根据不同流态分别计算，具体过流能力计算公式及主要相关参数含义见表3。

表3 涵洞过流能力计算公式

3 计算结果分析

涵洞设计除了保证过流能力外还要满足本身的结构尺寸，矩形涵洞高宽比H/B或宽高比B/H一般不超过1.2。采用控制因素法，根据已知条件及涵洞过流能力公式试算出三种工况对应的洞高H、洞长L、洞宽B以及计算过流量Q，具体计算结果见表4。

表中的计算结果均满足穿堤涵洞的过流要求，且工况ⅰ无压流满足净空要求。根据表4中的计算结构绘制每种工况下的内外水位差对应的涵洞过流量图，见图1-3。工况ⅰ涵洞内水流只可能是无压流，由图1不同内外水位差对应的流量关系可以看出，涵洞的过流能力随着内外水位差的变大而增强，而且变幅逐渐减小，当水位差达到0.5m以上，过流能力保持不变[3]。

工况ⅱ涵洞内水流可能出现半压力流或淹没压力流，由图2不同内外水位差对应的流量关系可以看出，涵洞的过流能力随着内外水位差的变大而增强，当水位差为0.68m时，即下游水深h与涵洞洞高D相等，图2上过流能力曲线出现突变点，过流量突然增大，对应的流态从淹没压力流转变为半压力流，待涵洞内水流呈半压力流后，内外水位差继续变大，但过流能力保持不变。

表4 各个工况下不同下游水位对应涵洞过流能力

图1 工况ⅰ不同内外水位差对应的流量关系图

工况ⅲ涵洞内水流可能出现非淹没压力流或淹没压力流，由图3不同内外水位差对应的流量关系可以看出，涵洞的过流能力随着内外水位差的变大而增强，当水位差为1.18m时，即下游水深h与涵洞洞高D相等，图上过流能力曲线出现突变点，过流流量突然减小，对应的流态从淹没压力流转变为非淹没压力流，待涵洞内水流呈非淹没压力流后，内外水位差继续变大，但过流能力保持不变。

图2 工况ⅱ不同内外水位差对应的流量关系图

图3 工况ⅲ不同内外水位差对应的流量关系图

综合考虑上述结果进一步分析，工况ⅰ涵洞内水流流态稳定，始终保持无压流状态，流量变化范围小，并且工程土方开挖量小，节省投资。工况ⅱ、ⅲ涵洞内水流流态随着下游水位变化，流量变化范围大，并且工程土方开挖量也大，投资多。因此，综合比较之下，工况ⅰ较工况ⅱ、ⅲ合理。

4 结 语

本文针对坤南排水闸站穿堤涵洞实际工程，判别涵洞内水流可能发生的流态，并且经过过流能力计算，得出不同涵洞进口高程的流量计算结果，分析的过流流量与内外水位差的关系。综上所述，合理抬高穿堤涵洞进口高程无论是水流条件还是工程投资都具有一定的优势。