某工程河道箱涵上游拦漂设施的设计研究

任鑫龙 魏铂佳 杜荣祥

1 工程概况

1.1 主体工程布置

某工程在河道填筑施工平台，平台底部埋设3孔混凝土箱涵，每孔净尺寸为2.75 m×3.0 m，涵长62.0 m，进出口高差2.05 m，纵向坡度3.31%。箱涵设计洪水标准为20年一遇洪水，相应洪峰流量为135 m3/s。

1.2 工程背景

经过汛期的一场洪水，河床中推移质数量陡增，且洪水携带植物的残骸沿河道下泄。本次洪水经过涵洞的洪峰流量为80 m3/s，但涵洞上游水位已经接近设计水位，且上游河床在洪水作用下迅速抬升近2 m，涵洞进口拥堵有大量树干等漂浮物，致使涵洞泄洪能力下降，上游水位抬升，威胁平台的安全及其下游侧人员财产的安全。同时，由于洪水携带大量块石通过涵洞，对涵洞底板造成破坏，汛后涵洞出口的底板表层混凝土破坏，钢筋已经外露。

1.3 工程设计重点

考虑到拦截块石的操作性不强，且河道的冲积物相关资料匮乏，确定了设施的功能以拦截漂木为主。

2 设计条件

本段河道比降为0.037，糙率0.06，根据河道水文资料和涵洞泄流曲线，可知涵洞设计洪水标准为20年一遇，相应洪峰流量135 m3/s，假定涵洞进口高程为零，对应上游水位8.20 m。

3 拦漂建筑物布置

实施方案以拦截漂木为主，大多数块石可通过拦漂设施，但是考虑到水流通过设施时流速减缓，易引起块石堆积，必须结合拦挡和清理方式来保证洪水下泄顺畅。石渣和漂浮物的清理，应在洪水过程中和结束后随时进行。

3.1 平面布置

平面位置的选定，遵循三点原则：第一，不能离涵洞口太近，避免影响水流流态削弱箱涵过流能力；第二，设施上游有较大空间可拦蓄漂浮物；第三，洞口与设施之间不应有大型冲沟，保证涵洞上游大部分的漂浮物可被拦截。

由于河道右岸进山道路在洞口上游200 m范围内高程较高，避免了由于拦漂设施抬高水位，紊乱水流而冲毁道路。故拟定在隧洞出口上游200 m范围内设置一道平面布置为弧形的拦漂建筑物。

在涵洞上游180 m处选定一条平面轴线位置，见图1所示。拦漂挡渣设施轴线全长约80 m，弧线半径80 m，水平角度为56.46°。此断面处河道现状高程为5.00～16.00 m。弧线两端延长线范围内进行砂砾石填筑，使河水通过拦漂设施集中过滤。由于拦漂设施轴线为弧线，河道中央向上游凸出，易引起水流夹带砂石冲向两岸，因此，须对设施两段岸坡进行防护，拟采用混凝土灌砌石护坡进行防护。

图1 拦漂栅平面位置图

3.2 断面设计

本设施以拦截漂浮物为主，不拦截河道中的推移质，包括漂卵砾石等，应使其继续顺河道下泄。断面形式的设计，应首先保证建筑物自身的安全稳定性，还要具备过滤河道中漂浮的树干、树枝能力，对于粒径较小的块石可使其顺利通过。

本方案拦漂设施较为简易，目标明确，主要拦截漂浮物和粒径大于80 cm的块石，洪水和小块石可顺利下泄。

3.2.1 水力计算

河道水面线的推求是基于河道恒定非均匀流法进行推算，河道恒定非均匀流计算公式的主要理论依据是伯努利能量守恒方程式，从下游断面向上游推算水位，得到整个河段的不同流量对应的水位。公式形式如下：

在设计流量下，涵洞口水位8.20 m，洞前水深8.2 m，经推求水面线计算，洞口前200 m范围内水面均为8.20 m，洞口前流速缓慢，拦漂设施前后水位相差不大，故按照上述计算水位即可。

3.2.2 建筑物设计

拦漂挡渣设施为拦漂柱组成的栅栏墙，在出口上游180 m位置的河道，沿半径80 m的弧线，间隔1.0 m设置203 mm外径的钢管桩，桩长8 m，埋深5 m，外露3 m，桩顶部采用H型钢焊接固定，连接成为整体，桩后钢管设支撑，每隔5.0 m设置一道支撑，详见图2。

图2 拦漂栅平面布置图

4 基础处理

首先对河道按照设计高程进行开挖清理，浇筑1.0 m厚混凝土底板，主河槽部分宽9.0 m，上游2.0 m，下游7.0 m，主河槽两侧较高河道部分，混凝土基础宽5.0 m，上游2.0 m，下游3.0 m，混凝土内预留PVC管，方便下一步进行钻孔，静压灌注水泥浆。钻孔直接采用钢管桩，管壁预留出浆孔，钻孔结束后直接进行灌浆。护底钢筋笼在灌浆前先行铺设好，在灌浆孔位置钢筋笼内预埋设PVC管。

桩后的斜支撑，其基础亦需要进行加固处理，可采用斜孔（沿斜撑轴线方向）静压灌水泥浆。

5 施工工序

由于本设施布置在河道中，且包括混凝土浇筑、灌浆等施工程序，须对河道水流进行疏导，故本工程应选在枯水期，分两期导流的方式，进行施工。施工工序大致如下：明渠开挖→河道改线→河床开挖清理→混凝土基础浇筑→钢管桩（斜支撑）钻孔→灌注水泥浆→横向焊接+斜支撑固定→施工另半幅→上游锚固。

6 结语

在水利工程中，河道漂浮物妨碍水利工程的运行安全，对本工程而言，上游的漂木、滚石将箱涵上游水位严重壅高，不仅对横跨在河道上的施工平台产生威胁，更对其下游的变电站和施工营地等设施构成极大的威胁。严格地控制上游运行水位，有效地清理河道污物，是保障运行安全的前提。本工程的实施，是总结洪水期的经验教训，在以往治漂研究的基础上，充分利用河流天然水利特征综合治漂，并制定了洪水期调度管理制度，极大地提高清漂效率，保障了工程设施的安全。同时也为其他河道建筑物的漂浮物处理积累了宝贵的经验，为安全生产保驾护航。