關(guān)于梯形排洪涵洞的應(yīng)用研究

□何翠方

南水北調(diào)中線邯石段是南水北調(diào)中線工程的重要組成部分，行政區(qū)域位于河北省南部。工程改變了區(qū)域內(nèi)交叉河流洪水流量和流態(tài)以及局部防洪格局，加大了局部區(qū)域防洪風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)防洪格局，部分跨南水北調(diào)總干渠建筑物下游排洪河道從村莊穿過，兩岸民房緊鄰河道，為工程的實(shí)施造成困難，本文針對(duì)此類河段處理措施進(jìn)行了深入分析，采用新型結(jié)構(gòu)形式，有效解決了毗鄰民宅無法實(shí)施的問題，取得了良好效果，以下以雙廟溝河道倒虹吸下游防洪處理為典型進(jìn)行闡述。

1.工程基本情況

雙廟溝河道倒虹吸修建后，洪水在總干渠以上匯集后經(jīng)倒虹吸后向下游宣泄，10年一遇洪水設(shè)計(jì)流量由總干渠建成前126m3/s增加至151m3/s，由于建筑物出口正對(duì)村莊，洪水加大了對(duì)該村的危害，擬對(duì)村內(nèi)排水河道進(jìn)行疏浚防護(hù)，以加大過流能力及增強(qiáng)兩岸抗沖刷能力。整治范圍為雙廟溝倒虹吸出口至孟莊村外，并結(jié)合村民生產(chǎn)生活需求以及現(xiàn)有情況對(duì)現(xiàn)有跨河涵橋進(jìn)行拆除重建。

為行洪要求，擬對(duì)現(xiàn)狀涵管橋拆除，原址處重建排洪建筑物并兼做交通路，交通和在按公路四級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)，滿足兩岸村民通行要求。由于長期以來村莊建設(shè)，部分民宅已修建至河道岸邊，為工程實(shí)施造成了相當(dāng)困難。根據(jù)兩岸地形及現(xiàn)狀民房分布情況擬采用過道箱涵結(jié)構(gòu)形式。

2.箱涵布置的防洪影響分析

擬建箱涵處，河道設(shè)計(jì)底寬9.0m，設(shè)計(jì)洪峰流量151m3/s，河道行進(jìn)流速4.2m/s。擬建箱涵底寬與河道底寬相同，由于涵洞兩側(cè)岸坡處進(jìn)行回填，縮窄行洪斷面達(dá)到25%，造成洞前較大壅水。其中上游樁號(hào)0+494～0+706段水位壅高約1.0m，樁號(hào)0+350～0+494段水位壅高約0.5m，樁號(hào)0+000～0+150，段水位壅高約0.5m，兩岸共需筑堤約700m，對(duì)兩岸排水和交通造成不利影響，需加大涵洞跨徑，增加過流能力。

3.箱涵型式分析選擇

為滿足涵洞過流能力，并結(jié)合南水北調(diào)施工經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)加大過水?dāng)嗝嫣岢隽司匦蜗浜疤菪蜗浜苯缓床贾梅桨?。依?jù)現(xiàn)狀地形情況，考慮與現(xiàn)有道路銜接，涵洞與河道斜交布置，交叉角度為70°，由進(jìn)口段、洞身段和出口段三部分組成。洞身采用2孔一聯(lián)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，單孔尺寸6.5×3.2m(寬×高)，進(jìn)出口段兩岸為仰斜墻防護(hù)。涵洞結(jié)構(gòu)形式見圖1。

通過對(duì)涵洞結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化布置，增加了過流斷面，壓縮河道行洪斷面占比僅為3%，洞前壅高水位由1.0m降至0.18m，上游河道均不需筑堤，有效解決了河道行洪、兩岸排水及村民通行問題。

4.梯形涵洞結(jié)構(gòu)分析

圖1

圖2

圖3

表1 涵洞內(nèi)力計(jì)算成果匯總表

根據(jù)實(shí)際運(yùn)用情況，擬選擇已建成無水+車輛荷載工況進(jìn)行驗(yàn)算。

采用數(shù)字軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算，在模型中每跨底板均分為5段并加設(shè)彈簧，模擬為彈性地基?？紤]施工過程中兩側(cè)削坡可能存在的超挖情況，兩側(cè)坡式邊墻分別按受力基礎(chǔ)和非受力基礎(chǔ)兩種情況考慮。按受力基礎(chǔ)構(gòu)建模型時(shí)，每側(cè)坡式邊墻。

均分為5個(gè)單元，每一節(jié)點(diǎn)處均加設(shè)接地彈簧，模擬為彈性地基。墊層系數(shù)k由《土工原理與計(jì)算》第二版根據(jù)地基類型選取，本次設(shè)計(jì)選取k=15N/cm3。

涵洞計(jì)算采用單寬進(jìn)行進(jìn)分析，取各截面中心線建立立體框架模型，并對(duì)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行平動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)約束。

兩側(cè)坡式邊墻按受力基礎(chǔ)和非受力基礎(chǔ)內(nèi)力計(jì)算成果分別見圖2、圖3。

5.與傳統(tǒng)箱涵的對(duì)比比較

傳統(tǒng)箱涵及梯形箱涵內(nèi)力成果匯總見下表：

由上表可知梯形箱涵各桿端彎矩均小于傳統(tǒng)箱涵，以下分別對(duì)兩種結(jié)構(gòu)形式在相同過流能力條件下從工程費(fèi)用、施工工藝、工程占地等方面進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較分析：

一是結(jié)構(gòu)內(nèi)力：梯形箱涵各桿件桿端彎矩均小于傳統(tǒng)箱涵桿端彎矩。

二是直接工程費(fèi)：相同過水?dāng)嗝鏃l件下，梯形箱涵材料用量明顯小于傳統(tǒng)箱涵，節(jié)省直接工程費(fèi)用。

三是施工工藝：梯形箱涵兩側(cè)坡式基礎(chǔ)采用土模法成型，無需重型機(jī)械碾壓，對(duì)兩岸民房基本無影響；傳統(tǒng)箱涵需在兩側(cè)采取鋼板樁臨時(shí)支護(hù)，施工面狹窄，施工組織復(fù)雜，同時(shí)基礎(chǔ)夯實(shí)過程中對(duì)兩岸民房可能造成不利影響。

四是工程占地：梯形箱涵及上下游仰斜墻施工無需開挖臨時(shí)邊坡，臨時(shí)占地很少；傳統(tǒng)箱涵采用直立式邊墻，需臨時(shí)開挖工作坑基礎(chǔ)，增加了臨時(shí)占地，亦對(duì)兩岸民房造成不利影響。

6.結(jié)語

水是生命之源，人們的生產(chǎn)生活方式逐漸趨于傍水而建、依水而居，但同時(shí)也壓縮了原有河渠的濱水空間，對(duì)河道防洪工程的布置造成了一定困難。

此文結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，從跨河涵洞的平面布置、結(jié)構(gòu)形式，受力方式等技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。根據(jù)傳統(tǒng)箱涵與倒梯形箱涵的對(duì)比分析，在受地形限制時(shí)，倒梯形箱涵具有節(jié)省投資、施工快捷、減少占地等優(yōu)勢(shì)，可作為傳統(tǒng)箱涵結(jié)構(gòu)的有益補(bǔ)充?！?/p>