某工程河道箱涵上游攔漂設(shè)施的設(shè)計研究

任鑫龍 魏鉑佳 杜榮祥

1 工程概況

1.1 主體工程布置

某工程在河道填筑施工平臺，平臺底部埋設(shè)3孔混凝土箱涵，每孔凈尺寸為2.75 m×3.0 m，涵長62.0 m，進出口高差2.05 m，縱向坡度3.31%。箱涵設(shè)計洪水標準為20年一遇洪水，相應(yīng)洪峰流量為135 m3/s。

1.2 工程背景

經(jīng)過汛期的一場洪水，河床中推移質(zhì)數(shù)量陡增，且洪水攜帶植物的殘骸沿河道下泄。本次洪水經(jīng)過涵洞的洪峰流量為80 m3/s，但涵洞上游水位已經(jīng)接近設(shè)計水位，且上游河床在洪水作用下迅速抬升近2 m，涵洞進口擁堵有大量樹干等漂浮物，致使涵洞泄洪能力下降，上游水位抬升，威脅平臺的安全及其下游側(cè)人員財產(chǎn)的安全。同時，由于洪水攜帶大量塊石通過涵洞，對涵洞底板造成破壞，汛后涵洞出口的底板表層混凝土破壞，鋼筋已經(jīng)外露。

1.3 工程設(shè)計重點

考慮到攔截塊石的操作性不強，且河道的沖積物相關(guān)資料匱乏，確定了設(shè)施的功能以攔截漂木為主。

2 設(shè)計條件

本段河道比降為0.037，糙率0.06，根據(jù)河道水文資料和涵洞泄流曲線，可知涵洞設(shè)計洪水標準為20年一遇，相應(yīng)洪峰流量135 m3/s，假定涵洞進口高程為零，對應(yīng)上游水位8.20 m。

3 攔漂建筑物布置

實施方案以攔截漂木為主，大多數(shù)塊石可通過攔漂設(shè)施，但是考慮到水流通過設(shè)施時流速減緩，易引起塊石堆積，必須結(jié)合攔擋和清理方式來保證洪水下泄順暢。石渣和漂浮物的清理，應(yīng)在洪水過程中和結(jié)束后隨時進行。

3.1 平面布置

平面位置的選定，遵循三點原則：第一，不能離涵洞口太近，避免影響水流流態(tài)削弱箱涵過流能力；第二，設(shè)施上游有較大空間可攔蓄漂浮物；第三，洞口與設(shè)施之間不應(yīng)有大型沖溝，保證涵洞上游大部分的漂浮物可被攔截。

由于河道右岸進山道路在洞口上游200 m范圍內(nèi)高程較高，避免了由于攔漂設(shè)施抬高水位，紊亂水流而沖毀道路。故擬定在隧洞出口上游200 m范圍內(nèi)設(shè)置一道平面布置為弧形的攔漂建筑物。

在涵洞上游180 m處選定一條平面軸線位置，見圖1所示。攔漂擋渣設(shè)施軸線全長約80 m，弧線半徑80 m，水平角度為56.46°。此斷面處河道現(xiàn)狀高程為5.00～16.00 m?；【€兩端延長線范圍內(nèi)進行砂礫石填筑，使河水通過攔漂設(shè)施集中過濾。由于攔漂設(shè)施軸線為弧線，河道中央向上游凸出，易引起水流夾帶砂石沖向兩岸，因此，須對設(shè)施兩段岸坡進行防護，擬采用混凝土灌砌石護坡進行防護。

圖1 攔漂柵平面位置圖

3.2 斷面設(shè)計

本設(shè)施以攔截漂浮物為主，不攔截河道中的推移質(zhì)，包括漂卵礫石等，應(yīng)使其繼續(xù)順河道下泄。斷面形式的設(shè)計，應(yīng)首先保證建筑物自身的安全穩(wěn)定性，還要具備過濾河道中漂浮的樹干、樹枝能力，對于粒徑較小的塊石可使其順利通過。

本方案攔漂設(shè)施較為簡易，目標明確，主要攔截漂浮物和粒徑大于80 cm的塊石，洪水和小塊石可順利下泄。

3.2.1 水力計算

河道水面線的推求是基于河道恒定非均勻流法進行推算，河道恒定非均勻流計算公式的主要理論依據(jù)是伯努利能量守恒方程式，從下游斷面向上游推算水位，得到整個河段的不同流量對應(yīng)的水位。公式形式如下：

在設(shè)計流量下，涵洞口水位8.20 m，洞前水深8.2 m，經(jīng)推求水面線計算，洞口前200 m范圍內(nèi)水面均為8.20 m，洞口前流速緩慢，攔漂設(shè)施前后水位相差不大，故按照上述計算水位即可。

3.2.2 建筑物設(shè)計

攔漂擋渣設(shè)施為攔漂柱組成的柵欄墻，在出口上游180 m位置的河道，沿半徑80 m的弧線，間隔1.0 m設(shè)置203 mm外徑的鋼管樁，樁長8 m，埋深5 m，外露3 m，樁頂部采用H型鋼焊接固定，連接成為整體，樁后鋼管設(shè)支撐，每隔5.0 m設(shè)置一道支撐，詳見圖2。

圖2 攔漂柵平面布置圖

4 基礎(chǔ)處理

首先對河道按照設(shè)計高程進行開挖清理，澆筑1.0 m厚混凝土底板，主河槽部分寬9.0 m，上游2.0 m，下游7.0 m，主河槽兩側(cè)較高河道部分，混凝土基礎(chǔ)寬5.0 m，上游2.0 m，下游3.0 m，混凝土內(nèi)預(yù)留PVC管，方便下一步進行鉆孔，靜壓灌注水泥漿。鉆孔直接采用鋼管樁，管壁預(yù)留出漿孔，鉆孔結(jié)束后直接進行灌漿。護底鋼筋籠在灌漿前先行鋪設(shè)好，在灌漿孔位置鋼筋籠內(nèi)預(yù)埋設(shè)PVC管。

樁后的斜支撐，其基礎(chǔ)亦需要進行加固處理，可采用斜孔（沿斜撐軸線方向）靜壓灌水泥漿。

5 施工工序

由于本設(shè)施布置在河道中，且包括混凝土澆筑、灌漿等施工程序，須對河道水流進行疏導(dǎo)，故本工程應(yīng)選在枯水期，分兩期導(dǎo)流的方式，進行施工。施工工序大致如下：明渠開挖→河道改線→河床開挖清理→混凝土基礎(chǔ)澆筑→鋼管樁（斜支撐）鉆孔→灌注水泥漿→橫向焊接+斜支撐固定→施工另半幅→上游錨固。

6 結(jié)語

在水利工程中，河道漂浮物妨礙水利工程的運行安全，對本工程而言，上游的漂木、滾石將箱涵上游水位嚴重壅高，不僅對橫跨在河道上的施工平臺產(chǎn)生威脅，更對其下游的變電站和施工營地等設(shè)施構(gòu)成極大的威脅。嚴格地控制上游運行水位，有效地清理河道污物，是保障運行安全的前提。本工程的實施，是總結(jié)洪水期的經(jīng)驗教訓(xùn)，在以往治漂研究的基礎(chǔ)上，充分利用河流天然水利特征綜合治漂，并制定了洪水期調(diào)度管理制度，極大地提高清漂效率，保障了工程設(shè)施的安全。同時也為其他河道建筑物的漂浮物處理積累了寶貴的經(jīng)驗，為安全生產(chǎn)保駕護航。