湖南中天水利水电勘测设计有限公司 长沙市 410200
摘要：通过必要的工程措施，在保证工程自身安全的前提下，使雨水箱涵的雨水能够平稳进入浏阳河，不对浏阳河河道造成冲刷破坏，不对浏阳河航道造成通航影响，以及采取必要的防护措施，保证河道岸坡稳定
关键词：入河口；消能；通航；单宽流量；流速
1、概述
浏阳河属湘江一级支流，发源于浏阳市大围山，流经白沙、官渡、浏阳市区、柏加镇，在长沙市新河三角洲汇入湘江，流域面积4237km2，河流长度216km，河流平均坡降0.57‰。时代阳光大道东延线（花卉路-川河路）雨水箱涵入河口涵闸工程位于长沙市雨花区东山大桥下游25m，项目主要解决雨水箱涵与浏阳河的衔接关系，保证雨水能够平稳进入浏阳河。
工程任务主要是通过必要的工程措施，在保证工程自身安全的前提下，使雨水箱涵的雨水能够平稳进入浏阳河，不对浏阳河河道造成冲刷破坏，不对浏阳河航道造成通航影响，以及采取必要的防护措施，保证河道岸坡稳定
2、雨水箱涵基本概况
根据《时代阳光大道东延线（花卉路-川河路）道路工程初步设计报告》排水计算成果：
（1）暴雨强度公式为
q=1392.1（1+0.55lgP）/（t+12.548）0.5452
q：设计暴雨强度（Ｌ/S·ha）
p：设计重现期，取p＝3年
t：设计降雨历时，t=t1+mt2
t1：地面积水时间，取t1=10分钟
m：延缓系数，根据长沙市城乡规划局关于《关于明确市政公用工程排水规划设计标准的函》的复核，设计采用m=1
（2）雨水设计流量公式
Ｑ＝Ｆ·q·ψ
Ｑ：雨水设计流量（Ｌ/Ｓ）
ψ：综合径流系数 本片区径流系数取0.68
Ｆ：雨水汇水面积（ha）
计算成果表
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入河口设计流量为28.9m3/s，箱涵尺寸为2.8m×2.8m，纵坡4‰。
3、工程难点分析
1）入河口水位落差大，设计起点箱涵底板高程为49.15m，入河口浏阳河多年平均流量回水位为29.92m，多年平均枯水位为27.83m，河床高程约为26.00m，最大落差接近23.15m。
2）入河口为浏阳河主航道
3）消力池建成后将长期淹没在水中，维护困难
4、工程方案
1）箱涵设计
箱涵设计分两段，第一段箱涵为渐变段，共4节箱涵，第1节长12m，孔口尺寸由2.8×2.8m（宽×高）渐变到5.96×3.44m，孔数为1孔，底板高程49.14-47.91m；第2节箱涵长10m，孔数为2孔，孔口尺寸由2.67×3.44m（宽×高）渐变到3.98×3.98m，底板高程47.91-46.88m；第3、4节箱涵总长20m，孔数为4孔，孔口尺寸由1.69×3.98m（宽×高）渐变到3.00×2.00m，侧墙厚0.8m，隔墙厚0.6m，底板设置配水池，底板高程46.88m，箱涵之间采用1.0m×1.0m配水孔连接；
第二段箱涵为稳定段，共6节箱涵，总长65m，设计尺寸为4孔3.0m×2.0m（宽×高），侧墙厚0.8m，隔墙厚0.6m，采用钢筋混凝土结构，起点底板高程为47.88m，终点底板高程为45.93m，坡降为3%。
2）消能工设计
消能工采用消力池型式进行消能，消力池斜坡段顶部高程45.93m，底部高程25.00m，坡比1：3.0，总长64.79m，消力池底板长20m，深2.0m。底板采用钢筋砼结构，厚度2.0m；两侧设有2.5～5.0m高的C20砼挡墙。
消力池末端采用干砌石海漫+抛石护脚，干砌石海漫顶部高程为27.00m，长20m，宽26m。抛石护脚顶部高程27.00m，长10m，宽26m。
3）斜坡及消力池底板排水设计
斜坡段底板设置排水盲沟，尺寸0.4m×0.4m，横向布置12道，纵向布置7道，采用碎石（或粗砂）回填。纵向排水沟与消力池底板排水沟连通，并在消力池底板设置φ50排水管将水排出。
5、箱涵段水力学计算
1）计算公式
本次箱涵段水力学计算采用渠道水面线计算的基本方程为伯努力能量方程，即：
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式中：Z1、Z2——计算起点、终点断面水位；
P1/γ=P2/γ——计算起点、终点压强水头；
α1、α2——动能校正系数；
υ1、υ2——计算起点、终点流速
g——重力加速度。
hw——总水头损失（hw=∑hf+∑hj）
hf——沿程水头损失
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hj——局部水头损失
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λ——沿程水头损失系数
ζ——局部水头损失系数
2）计算简图
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3）计算结果
箱涵进口断面流速、水深、流量直接采用《时代阳光大道东延线（花卉路-川河路）道路工程初步设计报告》排水计算成果v0=3.84m/s，Q=28.90m3/s，h0=2.68m，通过以上公式试算得到箱涵出口流速为v2=5.57m/s，出口水深h2=0.43m。
5、消能防冲计算
1）收缩断面水深计算
E0=h1+
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式中：E0—以消力池底面为基准面的上游总水头，m；
q—收缩断面的单宽流量，m3/（s.m）；
g—重力加速度，m/s2；
h1—跃前收缩断面水深，m；
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—流速系数，取0.90。
2）消力池水跃计算
h2=
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（
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-1）
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式中：
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—收缩断面弗劳德数；
h1—跃前收缩断面水深，m；
h2—共轭水深，m；
b1—收缩断面底宽，m；
b2—共轭水深断面底宽，m；
v1—收缩断面流速，m3/s。
3）消力池尺寸设计
消力池池深计算公式如下：
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式中：d—消力池池深，m；
σ—水跃淹没系数，取1.05；
hc＂—跃后断面水深，m；
hc—收缩断面水深，m；
α—水流动能校正系数，取1.05；
q—单宽流量，m2/s；
E0—由消力池底板顶面算起的总势能，m；
△Z—出池落差，m；
ht—出口渠道水深，采用下游渠道正常水深，m；
φ—堰面流速系数，取0.9；
φ＇—消力池流速系数，取0.95。
消力池水平段池长计算采用如下公式：
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L=Ls+ Lk
式中：Lk—消力池水平段池长，m；
Ls—消力池内收缩断面前斜坡段长，m；
Lj—水跃长度，m；
β—水跃长度校正系数，取0.8。
4）消力池底板厚度计算
①满足抗冲要求的底板厚度t
式中：
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k1----底板计算系数；
ΔH----上下游水位差（m）；
②满足抗浮要求的底板厚度t t=k2×（UW±Pm）/γ
式中：
k2——底板安全系数；
U——作用在底板面的扬压力（kPa）；
W——作用在底板上的水重（kPa）；
Pm——作用在底板上的脉动压力（kPa）；
γ——底板的饱和重度（kN/m3）。
5）计算简图
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6）计算结果
根据箱涵段水力学计算结果，箱涵出口流速为v2=5.57m/s，出口水深h2=0.43m。箱涵出口水力要素为本次消力池消能工计算起点，
下游水力要素其正常运行工况为29.7m水深（最低通航水位）以及29.92m（多年平均流量回水位），但是考虑库区放空影响，多年平均枯水期水位计算，采用明渠和水面线计算结果分别为27.58m和27.83m，本次计算采用较小的数值27.58m。上游底板高程为45.93m，下游底板高程为27.0m。
经计算：消力池深度为15.1m，自由水跃长16.3m；海漫长度28.5m，抗冲要求底板厚度0.9m，抗浮要求底板厚度1.2m。
设计消力池池深2.0m，池长20m，海漫长30m（20m干砌石+10m抛石），消力池底板厚度1.5m，能满足消能要求。
6、通航流速计算
排水出口流速计算
计算条件：设计流量Q=28.9m3/s，通航最低水位29.7m，护坦高程27.0m，出消力池宽度15m，由于只计算横向流速，固本计算不考虑浏阳河本身流态。
流速计算：出消力池起始流速v=Q/A=28.9/（2.7×15）=0.71m/s
出消力池后进入30m护坦段（20m护坦+10m护脚），流态为扩散流态，由于流速为低流速状态，扩散角度选用30-45度角。
扩散角度采用45度，计算结果：
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扩散角度采用30度，计算结果：
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根据计算结果，排水口横向水流流速v=0.22m/s，小于0.3m/s能够满足通航排水要求。
7、最终箱涵宽度计算
由于工程位置的特殊性，工程设计既要满足消能的要求，又要满足通航的要求（30m护坦段末端流速不大于0.3m/s），通过反复核算，消力池宽度采用15m，护坦高程采用27.00m，既能满足消能要求，又能满足通航要求。
由于箱涵出口水头较高，本次设计参考水库《溢洪道设计规范》相关要求进行设计，根据《溢洪道设计规范》SL253-2000，“2.4.3章节，第3点，泄槽沿轴线宜为等宽”，本次设计斜坡段采用等宽斜坡，宽度统一为15m，考虑到雨水箱涵上面为交通要道，箱涵跨度不宜过大，固采用4×3m（单孔宽）+3×0.6m（中墩宽）+2×0.6m（出口偏移宽度）=15m设计尺寸。
8、结语
长沙地区一般的排水箱涵入河口均为低水头、小流量且无通航要求，本工程集中了高水头、大流量且需满足浏阳河六级航道的通航要求，设计采用底流消能方案的前提下，通过减小单宽流量，降低入河流速，既解决了消能防冲的问题，又能够满足通航流速的要求。