结合工程设计实例浅谈涵洞水力设计过程

熊　明

（江西省水利水电建设有限公司　江西　南昌　330000）



结合工程设计实例浅谈涵洞水力设计过程

熊明

（江西省水利水电建设有限公司江西南昌330000）

摘要本文以笔者参与的某水库涵洞水力设计项目为例，分析了涵洞在泄流能力和下游消能两方面的解决措施，提出要根据具体水位和最大泄水能力来考虑闸门的开启度，另外可以在消力池出口处增设消力坎来弥补消力池在长度和深度方面的不足，以供广大读者参考。

关键词涵洞；消力池；闸门

涵洞是水库、铁路、公路等各大工程中非常重要的部分，涵洞的安全设计关系到人们基本生活的稳定、人们对基础设施的安全使用，所以对涵洞水力设计过程进行研究有着很大的理论意义和实践意义。本文主要以笔者参与的新疆某平原水库为例，分析其涵洞水力设计工程的主要注意事项和关键部分。

1　关于涵洞工程的基本概况

该水库位于新疆石河子市北部地区，属于平原水库，库容1.8亿m3，涵洞属于钢筋混凝土的箱型涵洞结构，其闸坝为平面钢闸门。该水库的具体水位为392.00m，涵洞的具体底板高程在不同位置大小不同，在涵洞进口处大小为380.70m，在闸门处大小为380.70m，在涵洞出口处大小为380.49m，整个涵洞的长度为49.30m。涵洞出口处还有扩散段，扩散段底部有长度为2.0m的水平段，水平段与消力池底部相连，消力池呈现矩形平面扩散式结构，深度为0.88m，消力池后面用10m长的海漫段与下游渠道连接。

新疆地处内陆地区，该地的主要气候特征包括：降雨量少、蒸发量大、气候比较干燥、呈现旱荒漠等特征，所以该地的水资源相对比较紧张。该水库的修建就是为了满足工农业涌水的需要，解决该地的干旱等问题。作为平原水库，该水库的坝线比较长，高度比较低，所以要采用坝下埋管的涵洞形式来实现放水。

这种涵洞一般将闸口井建设在坝顶附近，可以实现免设工作桥，增加闸井稳定性的作用。涵洞闸前为有压段，而闸后为无压段，有压段会产生水头损失，因此具体工作时的水流状态和无压隧洞的状态不一样。涵洞断面相对较小，出口流量比较大，所以效能较为关键，如果没有很好地处理，则会影响下游渠道的正常使用。笔者结合自身所参与的该水库某涵洞扩建工程中的水力模型试验，对涵洞的泄流能力和下游消能的措施进行相应的分析。

2　有关涵洞水力设计的模型试验

2.1模型设计

模型试验的目的是验证在各种条件下涵洞的泄流能力和下游效能问题，并根据分析的结果提出合理科学的解决措施，所以结合这种试验任务，在试验中可以利用重力相似准则来设计正态整体定床模型。

2.2模型试验

2.2.1关于泄流能力的试验

泄流能力试验主要是通过放入流量的变化来调整闸门的开启度，对水库的水位变化进行分析。在不对下游效能进行考虑时，如果水库的水位稳定，那么出库和入库的天然水流量就达到了平衡状态，这时需要对水的流量和闸门开启度进行记录。在具体试验中可以测试不同的水位条件下流量和闸门开启度的大小，这样就可以得出涵洞中各种流量对应的最大水深[1]。

通过试验可以总结出：在各种流量条件下，涵洞中的水深均在临界水深以下，而无压部分以急流形式呈现，闸孔处以自由出流形成呈现。根据有关规范要求，涵洞内要保证自由水面流态，此种情况下，则需要涵洞水面上部的空间大于涵洞断面面积的15%，其高度应该在0.4m以上。在通常情况下，该水库水位大约为392.0 m，这时涵洞的最大泄水能力达到110m3/s，相应地，则需要开启1.66m的闸门。

2.2.2有关消能效果的试验

效能效果试验主要包括不加消力墩和消力坎的原方案效果试验、在消力池中加消力墩的消能试验、在消力池出口处加消力坎的消能试验[2]。

第一组试验将原方案效能效果试验中水库水位定位为392.0m，天然水流量界限主要包括20m3/s、30m3/s和70m3/s。如果天然水流量小于20m3/s，消力池内可以实现完全水跃；如果天然水流量大于30m3/s，消力池内的水流会冲出，甚至会发生挑流现象；如果天然水流量等于70m3/s，挑流高度则会达到一定极限。

第二组试验将原方案效能效果试验中水库水位定位为386.2m，天然水流量界限主要包括40m3/s、50m3/s。如果天然水流量小于40m3/s，消力池内可以实现完全水跃；如果天然水流量大于50m3/s，消力池内的水流则会冲出，甚至会发生挑流现象，但是高度会小于高水位。

通过以上效能试验发现，目前的消力池并不能实现很好的效能，水流会影响下游渠道的正常运行，所以必须对其进行改造。

2.2.3有关原消力池中加消力墩的消能试验

在消力池中加4排消力墩，尺寸为：棱长40cm的正方体。在增设了消力墩之后，可以对水流产生掺混作用，增强了消力池的效能效果[3]。但是，在增加消力墩之后，仍然存有远驱式水跃的现象，甚至还出现了二次水跃现象，主要是因为增设的消力墩会产生挑流和掺气作用，对流量的挑流会起到催化作用，并且其高度与水库水位之间呈现正比例关系，即随着水位的提升而提升。所以，在消力池中增设消力墩只能起到部分效能的作用，但是消力池本身的长度和深度不足的问题还是没有得到很好的解决。

2.2.4有关消力池出口处加消力坎的消能试验

本试验中对消力池出口处加设消力坎主要是为了实现提高坎前水位的目的，避免消力池中发生水跃现象，实现很好的效能效果。确定科学合理的坎高是增设消力坎的关键，具体高度的确定并不能通过相关资料获得，而是要在试验中多次反复尝试。所以，在本文中的增设消力坎中，进行了4种不同坎高的试验，高度分别为0.53m、0.90m、1.08m、1.26m，然后再加上原来消力池的深度，最终综合深度分别为1.41m、1.78m、1.96m、2.14m。

通过试验最终总结出，如果坎高为0.53m时，消力池会发生远驱式水跃，并且会出现跃出消力池的现象，这就说明坎高不够；当坎高为0.90m时，消力池还会发生远驱式水跃，但是跃前断面在第二排消力墩处，会出现翻出消力池的现象，这说明坎高依旧不够，仍然需要加大高度；如果坎高为1.08m时，消力池就不会出现远驱式水跃，水跃只是在消力池内进行淹没式水跃，这说明坎高达到了效能的要求；当坎高为1.26m时，消力池会发生掺气水流溢出消力池的现象，这就说明水面出现了很大的波动，没有实现很好的效能效果[4]。通过多次试验发现，1.08m的坎高是比较科学合理的高度，可以很好地实现预设的效果。

通过以上分析可以看出，在消力池内增设消力墩虽然可以实现提高效能效果的目的，降低水跃后的深度，但是这种效能效果并不是很明显，再加上消力墩会产生挑流和掺气作用，对流量的挑流会起到催化作用，这样就会对消力池造成气蚀破坏。然而，通过在消力池出口处增设消力坎可以有效改善效能效果，很好地弥补消力池深度和长度的不足，实现效能的目的。

3　涵洞设计中存在的问题及解决措施

在涵洞的设计过程中，容易在一些较为基础的地方出现设计失误，进而导致涵洞在使用过程中出现一些问题。总的来说，涵洞在设计过程中表现出的问题主要有：涵洞形式选择不当，对无压力涵或压力涵的断面形式选择不合理；在钢筋配置和混凝土设计时，对强度设计存在不合理，导致在较大水压作用下，涵洞容易出现损坏；出水洞口设计没有超过翼墙尾端，加固措施不到位，导致涵洞底部被冲刷严重；墙体基础埋设设计不合理，导致基础埋深过浅，对最大冻深和最大冲刷考虑不彻底，导致涵洞容易出现损害。

对于这些存在与设计环节中的问题，需要在设计过程中对设计要素进行全面审查，切实避免这些问题出现。在涵洞设计过程中，需要根据相应的水文资料，对涵洞的泄水能力进行计算，保证其具备足够的泄水能力。在没有水文资料的情况下，需要进行实地调查，以确保涵洞设计的基本参数。涵洞断面设计、混凝土强度设计等，都需要结合水文实际，充分考虑安全因素，对其进行放大设计，保证涵洞在面对意外情况时具有良好的性能。出水口设计、墙体埋深等，要充分考量安全因素，根据最大冲刷和标准冻深等因素进行确定。总之，在涵洞设计的水力设计过程中，要充分考虑各方面的因素，对涵洞进行全面可靠的水力设计。

4　结语

通过以上分析可以看出，在对涵洞水力进行设计时，要从涵洞的泄流能力和下游消能两方面着手考虑。在水库的水位处于不同的水位，要进行具体分析才能计算出应该开启闸门的高度；而下游的效能问题则可以在消力池出口处增设消力坎，弥补消力池长度和深度的不足，更好地实现效能目标。陕西水利

参考文献：

[1]任宝良.涵洞水力计算方法探讨[J].西安交通大学学报，2012，10（27）：89.90.

[2]刘振贤.阜阳现代产业园区排涝涵洞水力计算[J]江淮水利科技，2013,08（25）：73.74.

[3]何以文，石正宝.无压涵洞水力计算方法[J].硅谷，2008,05（23）：59.60.

[4]吴保生.过路涵洞设计中的泥石流模拟计算[J].泥沙研究，2011,08（30）；20.21.

（责任编辑：唐红云）

中图分类号：U41

文献标识码：B