王觀燁，章靜

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430000）

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某港口排水涵洞水力計(jì)算淺析

王觀燁，章靜

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430000）

文章提出根據(jù)規(guī)劃或已有排水涵洞作為參考往往導(dǎo)致涵洞尺寸偏大，造價(jià)偏高，并通過工程實(shí)例進(jìn)行分析，得出排水涵洞進(jìn)行水力計(jì)算，優(yōu)化設(shè)計(jì)是必須的。并提出一些工程中的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，為今后類似項(xiàng)目提供參考借鑒。

排水涵洞；流量；流速；水力坡度

0　前言

排水涵洞的水力計(jì)算是確定排水涵洞設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，排水涵洞設(shè)計(jì)是否合適將直接決定排水涵洞的水力條件和工程造價(jià)。在設(shè)計(jì)過程中，有時(shí)因?yàn)橥獠凯h(huán)境資料不全，為了方便起見，設(shè)計(jì)中采取根據(jù)規(guī)劃資料設(shè)計(jì)或者校核已有排水涵洞進(jìn)行設(shè)計(jì)。而很多時(shí)候規(guī)劃或已有的排水涵洞設(shè)計(jì)尺寸偏大，造成不必要的浪費(fèi)。本文擬結(jié)合重慶港江津港區(qū)珞璜作業(yè)區(qū)改擴(kuò)建工程排水涵洞設(shè)計(jì)，探討排水涵洞水力計(jì)算的一些方法。

1　工程概況

重慶港江津港區(qū)珞璜作業(yè)區(qū)改擴(kuò)建工程排水涵洞設(shè)計(jì)作為重慶港江津港區(qū)珞璜作業(yè)區(qū)改擴(kuò)建工程的配套項(xiàng)目，其內(nèi)有若干現(xiàn)狀溪溝穿過港口用地。根據(jù)重慶港江津港區(qū)珞璜作業(yè)區(qū)改擴(kuò)建工程相關(guān)設(shè)計(jì)資料和地形圖分析，港口北側(cè)現(xiàn)狀地形較復(fù)雜，其高差變化大，標(biāo)高在202～485m范圍內(nèi)。為滿足港口用地要求，順著現(xiàn)有溪溝方向設(shè)置一條排水涵洞，將現(xiàn)狀的溪溝歸順后，通過排水涵洞排入長江。排水涵洞設(shè)在港口堆場及道路下方，排水涵洞總長度為552m。

2　排水流量計(jì)算

2.1匯水面積

根據(jù)業(yè)主提供的1∶10000地形圖等高線，以分水嶺作為匯水面積邊界，統(tǒng)計(jì)出匯入本項(xiàng)目的排水面積為448.5ha。

2.2設(shè)計(jì)流量計(jì)算

為加強(qiáng)排水計(jì)算的準(zhǔn)確性，擬采用4種計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，并相互比照。第一種采用小流域公式法，對(duì)洪峰流量進(jìn)行計(jì)算；第二種采用極限強(qiáng)度法，按重慶暴雨強(qiáng)度公式對(duì)雨水量進(jìn)行計(jì)算；第三種采用交通部公路科學(xué)研究院徑流簡化公式對(duì)雨水量進(jìn)行計(jì)算；第四種采用痕跡調(diào)查法，了解最大雨水量，進(jìn)行復(fù)核。這4種方法相互對(duì)比后，采用較大的設(shè)計(jì)流量值。同時(shí)對(duì)上游既有排水涵洞構(gòu)造孔徑進(jìn)行調(diào)查，復(fù)核現(xiàn)有排水構(gòu)筑物是否滿足要求。

2.2.1小流域公式法

式中：Qs為設(shè)計(jì)洪峰流量（m3/s）；m為面積指數(shù)，當(dāng)F≤1km2時(shí)，m＝1；當(dāng)1km2≤F≤10km2時(shí)，m＝0.85（西南地區(qū)）；P為重現(xiàn)期，根據(jù)《城市防洪工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ50-92）和本地區(qū)控制性詳細(xì)規(guī)劃，本次設(shè)計(jì)按P=100年設(shè)防；Kp為流量模數(shù)，根據(jù)重現(xiàn)期和所屬地區(qū)，本次設(shè)計(jì)采用K100=23。

2.2.2極限強(qiáng)度法（暴雨強(qiáng)度公式）

根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（2014年版）要求，對(duì)于匯水面積超過2km2時(shí)，雨水設(shè)計(jì)流量宜采用數(shù)學(xué)模型法進(jìn)行確定，而現(xiàn)階段國內(nèi)數(shù)學(xué)模型法用于工程實(shí)例中還處于摸索階段，因此本次設(shè)計(jì)中采用原暴雨強(qiáng)度公式。

式中：Qs為雨水設(shè)計(jì)流量（L/s）；q為采用重慶地區(qū)暴雨強(qiáng)度公式，（L/s·ha）；ψ為平均徑流系數(shù)，根據(jù)規(guī)劃及現(xiàn)狀地形，本次設(shè)計(jì)ψ=0.35；F為匯水面積（ha）；P為暴雨重現(xiàn)期（y），根據(jù)《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50014-2014），按P=100年設(shè)計(jì)；t為降雨歷時(shí)（min），t=t1+t2，t1為地面集水時(shí)間（min），t1=5min；t2為管渠內(nèi)雨水流行時(shí)間（min）。

2.2.3交通部公路科學(xué)研究院徑流簡化公式

式中：F為匯水面積（km2）；ψ為地貌系數(shù)，查《涵洞設(shè)計(jì)細(xì)則》附錄表B-5，取0.13；h為徑流厚度（mm），查《涵洞設(shè)計(jì)細(xì)則》附錄表B-9，取百年一遇值46；z為滯留徑流厚度（mm），查《涵洞設(shè)計(jì)細(xì)則》附錄表B-10，取10；β為洪峰傳播的流量折減系數(shù)，查《涵洞設(shè)計(jì)細(xì)則》附錄表B-11，取1.0；γ為匯水區(qū)降雨量不均勻的折減系數(shù)，查《涵洞設(shè)計(jì)細(xì)則》附錄表B-12，取1.0；δ為湖泊或小水庫調(diào)節(jié)作用影響洪峰流量的折減系數(shù)，查《涵洞設(shè)計(jì)細(xì)則》附錄表B-13，取1.0。

計(jì)算結(jié)果為：93.4m3/s

2.2.4痕跡調(diào)查法，利用歷史洪水位推算設(shè)計(jì)流量

式中：Q為歷史洪水流量（m3/s）；Ac、At為河槽河灘過水面積（m2）；Vc、Vt為河槽河灘平均流速（m/s）；nc、nt為河槽河灘粗糙率，均取0.015；Rc、Rt為河槽河灘水力半徑；I為水力坡度，取0.0015。

水渠過水?dāng)嗝姘凑諏?.4m、高3m計(jì)算。

計(jì)算結(jié)果為：94.5m3/s。

具體計(jì)算結(jié)果見下表。

經(jīng)過比較，幾個(gè)公式計(jì)算結(jié)果較為接近，考慮港區(qū)的重要性，取計(jì)算結(jié)果的大值，為暴雨強(qiáng)度公式計(jì)算結(jié)果，101m3/s。

3　涵洞水力坡度的確定

由水力學(xué)公式可以知道，排水涵洞在相同過水?dāng)嗝嫦?，隨著水力坡度的增大，過水能力隨著增大。因此在過水能力相同，水力坡度越大，則涵洞所需過水?dāng)嗝嬖叫?，工程造價(jià)越低。通過比較本項(xiàng)目各種工況，最不利工況：項(xiàng)目建成后受長江100年一遇洪水頂托，且發(fā)生100年一遇洪水。本項(xiàng)目百年一遇出口處洪水位：197.65m（黃海高程）；場地高程：202m（黃海高程），為安全計(jì)算，取進(jìn)口水位為201.5m；本項(xiàng)目涵洞長度為552m。

在最不利工況下，排水涵洞為淹沒出流。同時(shí)由于本項(xiàng)目主要解決碼頭背面山區(qū)流經(jīng)碼頭的溪水，本工程范圍內(nèi)無其他排水匯入，故排水涵洞段采用統(tǒng)一尺寸橫斷面，則排水涵洞內(nèi)水流近似認(rèn)為恒定均勻流。涵洞水力坡度最大可?。?/p>

I=H/L=（201.5-197.65）/552=0.007

4　涵洞橫斷面的確定

本項(xiàng)目流量為101m3/s，排水涵洞水力坡度I取0.007，粗糙系數(shù) n查《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50045-2006）（2014年版）取0.02，因?yàn)楹词茄蜎]出流，橫斷面面積考慮淤積10%。

根據(jù)公式：Q=A×V；V=1/nR2/3I1/2知，涵洞不同橫斷面對(duì)應(yīng)流量數(shù)據(jù)如下。

經(jīng)綜合比較，涵洞橫斷面選用：1拱5m×4m，拱高1.75m。

對(duì)比本項(xiàng)目上游省道106上設(shè)置的排水涵洞，其橫斷面尺寸為2拱5m×4.4m，拱高2.3m。本項(xiàng)目排水涵洞經(jīng)過水力計(jì)算，橫斷面僅為上游排水涵洞橫斷面面積的50%不到，在保證排水安全的情況下，極大的節(jié)省了工程投資，更為經(jīng)濟(jì)合理。通過不同的計(jì)算方法，互相印證，綜合取值。達(dá)到既滿足使用要求，又經(jīng)濟(jì)節(jié)約。

5　結(jié)語

城市化進(jìn)程的加快，城市道路的升級(jí)改造，市政設(shè)計(jì)中排水涵洞增多，排水涵洞設(shè)計(jì)對(duì)項(xiàng)目具有舉足輕重的影響。通過水力計(jì)算優(yōu)化設(shè)計(jì)將會(huì)使項(xiàng)目產(chǎn)生良好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。

JTG/T D65-04-2007，公路涵洞設(shè)計(jì)細(xì)則[S].

TU992

B

1007-7359(2016)03-0224-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.03.081

王觀燁（1980-），男，湖北武漢人，畢業(yè)于武漢科技大學(xué)，學(xué)士；工程師，國家注冊(cè)設(shè)備工程師。