劉 克

穿堤排水涵洞過流能力計(jì)算

劉 克

排澇泵站是沿江濱湖平原地區(qū)和低洼圩區(qū)防洪除澇工程中經(jīng)常采用的一種交叉建筑物，穿堤排水涵洞在泵站中起著非常重要的作用。它的過流能力計(jì)算是確定其斷面大小的重要依據(jù)，是影響到整個(gè)泵站水力設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文通過實(shí)例分析計(jì)算穿堤排水涵洞的過流能力，結(jié)果表明，必須先對(duì)過涵洞水流的流態(tài)進(jìn)行分析，再對(duì)其過流能力進(jìn)行計(jì)算。

沿江濱湖（海）平原地區(qū)和低洼圩區(qū)，汛期每遇到暴雨，降水形成的徑流不能通過排水溝道及時(shí)排出，易形成內(nèi)澇。特別是水網(wǎng)圩區(qū)，外河水位往往高過田面，不能自流排出，唯有興建泵站提水排澇。在地下水位較高或土壤有鹽堿化危害的地區(qū)，為防止農(nóng)作物受漬和土壤泛堿，有時(shí)亦須建排水泵站，降低地下水位或排鹽洗堿。排澇泵站的主要任務(wù)就是排澇、排漬，減輕洪澇災(zāi)害。

泵站工程的建筑物主要包括進(jìn)水建筑物、泵房和出水建筑物。進(jìn)水建筑物包括前池、進(jìn)水池和進(jìn)水管道裝置。泵房是安裝水泵、動(dòng)力機(jī)及其輔助設(shè)備和站附屬設(shè)備的建筑物，是泵站建筑物的主體工程。而堤后式泵房是設(shè)計(jì)中經(jīng)常采用的一種形式，這種設(shè)計(jì)可以有效地保障泵站遭遇洪水時(shí)安全運(yùn)行，并且節(jié)省投資，在后期運(yùn)行中便于管理和維護(hù)。出水建筑物包括出水管裝置和出水池，出水池一般為開敞式，后接排水涵洞通往外河，依靠堤防和防洪閘抵擋外江洪水。排水涵洞一般采用鋼筋混凝土矩形形式。

穿堤排水涵洞在排澇泵站運(yùn)行中起著相當(dāng)重要的作用。當(dāng)外江河水位高于內(nèi)水位時(shí)，在排水區(qū)內(nèi)通過排水溝道匯集到集水池內(nèi)的澇水須通過泵站抽水經(jīng)有壓穿堤涵排入外江河中。

排水涵洞的過流能力計(jì)算

所有形式的涵洞工程設(shè)計(jì)中，過流能力計(jì)算都是涵洞水力設(shè)計(jì)的主要任務(wù)之一，它是確定涵洞斷面大小的重要依據(jù)。本文述及涵洞的過流能力計(jì)算方法為：先根據(jù)設(shè)計(jì)流量大小及進(jìn)、出口水深情況擬定一個(gè)洞高，然后計(jì)算確定洞寬，如所得洞寬值過窄或過寬，與洞高不成比例，則需另擬定一個(gè)洞寬值重新計(jì)算。

首先根據(jù)涵洞進(jìn)口水深H、出口水深h及初步擬定的涵洞高D判別涵洞的流態(tài)，可分為無(wú)壓流、半壓力流、非淹沒壓力流及淹沒壓力流4種，用相應(yīng)的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。

式中：Q為涵洞設(shè)計(jì)流量（m3/s）；δ為淹沒系數(shù)；m為無(wú)壓流時(shí)的流量系數(shù)（m取0.32～0.36）；B為箱涵底寬；H0為計(jì)入行近流速水頭在內(nèi)的進(jìn)口水深（m）。

m3為淹沒壓力流時(shí)的流量系數(shù)A為涵洞斷面面積；i為洞底坡降；L為涵洞長(zhǎng)度；Σξ為從進(jìn)口到出口各種局部水頭損失系數(shù)之和，主要包括攔污柵、進(jìn)口、閘門槽、出口、漸變段、轉(zhuǎn)彎段等部位；h為從涵洞出口洞底算起的下游水深（m）；C為謝才系數(shù)R為水力半徑（m）。

從上述公式中可知，涵洞流態(tài)若為淹沒壓力流，它的設(shè)計(jì)流量Q正比于以涵洞進(jìn)口斷面底板高程起算且計(jì)入行近流速水頭的上游水深H0的1/2次方，即Q∝H01/2；要求計(jì)算涵洞流態(tài)若為無(wú)壓流，則涵洞的設(shè)計(jì)流量Q正比于H0的3/2次方，即Q∝H03/2。由以上分析可以看出，以涵洞進(jìn)口斷面底板高程起算的上游水深H的選取對(duì)涵洞的過流能力有較大影響。泵站機(jī)組工作進(jìn)行排水時(shí)，涵洞進(jìn)口水深H的值取外河5年一遇水位加涵洞上、下游水頭差與洞底高程之差。根據(jù)現(xiàn)行水閘設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定，我們通常設(shè)計(jì)中，平原地區(qū)涵閘的上、下游水頭差一般可以取為0.1～0.3m，故根據(jù)工程實(shí)際和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本地區(qū)排水涵洞過流能力計(jì)算時(shí)過涵水位落差常采用0.1m，然后根據(jù)判斷出的水流形態(tài)選取相應(yīng)的流量計(jì)算公式求出各種工況下能夠通過設(shè)計(jì)流量的涵洞過水?dāng)嗝?，最終確定的涵洞斷面應(yīng)該是以上計(jì)算結(jié)果中的最大值。

計(jì)算實(shí)例

選取山東省淮河流域重點(diǎn)平原洼地治理工程外資項(xiàng)目中某一排澇站進(jìn)行計(jì)算。本泵站是山東省淮河流域重點(diǎn)平原洼地治理工程外資項(xiàng)目中的一座建筑物，屬于南四湖濱湖洼地區(qū)，涉及的河流為鄆城新河，該地區(qū)在多雨季節(jié)堤防內(nèi)的水位常常低于河道洪水位，使得排水溝內(nèi)的澇水不能通過自流進(jìn)入鄆城新河，久之便形成內(nèi)澇，因此需在排水溝出口處修建提排泵站將澇水排人堤外江河等承泄區(qū)。

該泵站出水口為鄆城新河，泵站建在左岸堤防后，型式為提排閘站。泵站規(guī)模為?。?）型，泵站等別為Ⅳ級(jí)，永久性建筑物4級(jí)。進(jìn)水池內(nèi)水位：36.80m；出水池運(yùn)行水位：40.70m。泵房的形式為濕室型泵房，凈寬5.50m，總寬6.00m，泵室基礎(chǔ)為C25鋼筋砼結(jié)構(gòu)，安裝2臺(tái)700QZ-100型潛水軸流泵，設(shè)計(jì)揚(yáng)程4.2m。排水涵洞接出水池出口，軸線與河堤軸線垂直。堤頂高程為41.6m，寬4.0m，內(nèi)邊坡1∶2.5，外邊坡1∶2.0。初擬涵洞為1孔鋼筋混凝土箱涵，洞身總長(zhǎng)8.0m，共分1節(jié)，底板厚0.4m，邊墩厚0.3m，頂板厚0.3m，洞底高程38.1m。提排設(shè)計(jì)流量為2.61m3/s。

初擬泵站排水涵洞斷面為1.5×2.0m（洞寬×洞高），根據(jù)選定條件對(duì)其進(jìn)行過流能力計(jì)算。泵站機(jī)組將內(nèi)水提至出水池，水流經(jīng)過穿堤排澇涵洞及防洪閘進(jìn)入鄆城新河，泵站的排澇流量為2.61m3/s，排水涵洞上游水深H取鄆城新河5年一遇水位與洞底高差即2.6m，從出口洞底算起的出口水深h按與進(jìn)口水深10cm水頭差取即2.5m采用。

（1）流態(tài)判別

當(dāng)水流通過穿堤涵洞判斷為無(wú)壓流時(shí)：

1.2D（D為洞高）=1.2×2=2.4m

當(dāng)水流通過穿堤涵洞判斷為強(qiáng)排流時(shí)：

1.5D（D為洞高）=1.5×2=3.0m

故1.2D ＜H＜1.5D，h=2.5m＞D，故該水流為淹沒壓力流。

（2）根據(jù)淹沒壓力流公式計(jì)算

由此可見按擬定斷面采用淹沒壓力流公式計(jì)算得到的過流量滿足涵洞過流能力要求。

結(jié)語(yǔ)

穿堤排水涵洞的過流能力計(jì)算應(yīng)先全面分析過涵洞水流的性質(zhì)，再判別其流態(tài)，根據(jù)確定的流態(tài)選取相應(yīng)的公式進(jìn)行過流能力計(jì)算。在實(shí)際工作中，還應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際水文、地形條件和泵站的布置情況作具體的分析。

劉 克

濟(jì)寧市黃淮水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院

劉克（1978-）男，本科，工程師，主要從事水利工程設(shè)計(jì)。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.16.010