排洪涵洞施工设计计算书

安康民用机场迁建工程罗家河排洪涵洞施工设计计算书安康市水利水电土木建筑勘测设计院二O一一年十二月·安康目录1工程概况 12工程建设标准及规模 12.1设计标准 12.1.1工程等级及防洪标准 12.1.2地震烈度 22.2设计依据 22.2.1法律法规 22.2.2标准规范 23工程水文 23.1河流水系 23.2气象 33.3水文基本资料 33.4径流 43.5泥沙 43.6暴雨洪水特性 53.7洪水计算 54工程设计 104.1工程布置 104.2排洪涵洞设计 104.3结构计算 114.3.1计算方法 114.3.2计算参数 114.3.2计算成果 131工程概况安康市民用机场迁建新场即富强机场位于五里镇和大同镇北部，西起洋溢河西支流俭沟西侧陈家庄（大同镇江安村），经洋溢河河东支流东岸的淌底附近（大同镇联合村），东至五里镇朱家湾村一组，场址距安康市区约14～16km。该机场东邻西康高速公路，南侧3～5km依次为阳安铁路、316国道和十天高速公路。机场基准点坐标为：东经109°52′20″，北纬32°45′25″，跑道真方位：北偏东96°，跑道中心点标高初拟为375m。富强机场平面呈矩形，长3000m，宽400m。跑道平面为长条形，近期跑道长2600m，宽45m，远期跑道长增至2800m。跑道东高西低，平均坡降3‰。机场建设范围内有洋溢河的支流罗家河和俭沟，机场以上罗家河流域面积为22.4km²，100年一遇洪峰流量为246m³/s，这两条河（沟）横穿机场通过，一旦爆发山洪，势必严重威胁机场安全，造成巨大损失，因此，必须建设相应的防洪设施；机场场区处于山区地带，厂区主要由填、挖形成，需采取工程措施解决机场内涝问题；另外，机场场区内还有堰塘、水库等水利设施，需采取措施进行妥善处理。2工程建设标准及规模2.1设计标准2.1.1工程等级及防洪标准根据《防洪标准》（GB50201-94）规定，民用机场根据其重要程度，防洪标准分为三个等级，Ⅰ等为特别主要的国际机场，防洪标准为200～100年，Ⅱ等为重要的国内干线机场及一般的国际机场，防洪标准为100～50年，Ⅲ等为一般的国内支线机场，防洪标准为50～20年。迁建的安康市民用机场属一般的国内支线机场，等级为Ⅲ级，防洪标准确定为50年。考虑到该工程的重要性，本工程按50年一遇洪水设计，100年一遇洪水校核。罗家河排洪涵洞主要建筑物工程等级为2级，次要建筑物等级采用3级，临时性建筑物采用5级。（工程等别Ⅲ级、主要水工建筑物级别3级、次要水工建筑物级别4级、临时水工建筑物5级）导洪沟只设设计洪水标准，设计标准为50年一遇洪水。2.1.2地震烈度根据《中国地震动参数区划图》GB18306－2001（1：400万），该区域地震峰值加速度0.15，地震基本烈度Ⅶ度。由于工程所在区域的地质条件较为复杂，根据《水工建筑物抗震设计规范》（DL/T5073-2000），排洪涵洞设防烈度按Ⅶ度设防，地震峰值加速度0.15。2.2设计依据2.2.1法律法规⑴《中华人民共和国水法》，2002年10月1日起实施；⑵《中华人民共和国防洪法》，1998年1月1日起实施；⑶《中华人民共和国河道管理条例》，1988年6月起实施；⑷《陕西省河道管理条例》，2000年12月实施；⑸《河道管理范围内建设项目管理的有关规定》，水利部、国家计委水政[1992]7号文发布；2.2.2标准规范⑴《防洪标准》（GB50201-94）；⑵《水利水电工程设计洪水计算规范》（SL44-2006）；⑶《公路圬工桥涵设计规范》(JTGD61-2005)；⑷《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2004）；⑸《公路桥涵地基及基础设计规范》（JTGD63-2007）；⑹《水工混凝土结构设计规范》（DL/T5057-2009）。3工程水文3.1河流水系富强机场场址处有洋溢河从此通过，洋溢河为月河左岸一级支流，汉江二级支流，发源于汉滨区牛山的青木沟脑，流经汉滨区富强乡和大同镇，在大同镇民土村注入月河。洋溢河全流域面积35.9km2，主河道长9.45km，河道平均比降27.2‰。洋溢河干流上游称罗家河，下游称洋溢河，有豹子沟和俭沟两条支流分布于河道右岸，其中上游干流罗家河及支流俭沟经过机场，支流豹子沟从机场西边0.9km处经过。机场场址东边0.5km处有余家河经过。机场以上罗家河流域面积为22.4km2，河道平均比降为76.3‰。3.2气象工程区地处北亚热带湿润季风气候区，具有气候温和，四季分明，雨量充沛，无霜期长的区域性气候特征。根据距机场15km的安康气象台1971年至2000年实测气象资料统计，本区多年平均气温15.6℃，以7月份气温最高，极端最高气温41.3℃（1995年7月12日）；极端最低气温-9.7℃（1991年12月28日）；平均水汽压14.7，平均相对湿度74%，最小相对湿度7%；多年平均日照时数为1662.9h；多年平均降霜日数为47.8d；初霜始于11月中旬，终霜止于3月中旬；多年平均降霜日数为12.9d，积雪日数为2.1d，最大积雪深为11cm；最大冻土深为7cm；多年平均降水量为825.6mm。多年平均风速1.2m/s，定时最大风速24.3m/s（1974年7月22日）。多年平均降水量942.2mm，最大日降水量161.9mm，多年平均蒸发量1408.4mm。3.3水文基本资料富强机场位于月河左岸一级支流洋溢河下游，工程区内无水文水位测站，距工程区较近的邻近流域恒河下游设有杨家营水文站，另外月河干流下游设有长枪铺水文站。杨家营水文站设立于1957年5月，施测断面以上集水面积931km²。该站曾变迁过两次，1975年1月水尺上迁50m改名杨家营（二）站，集水面积929km²；1999年1月该站下移至恒口镇，集水面积973km²。本次收集到该站迁站前后1957～2008年52年实测水文资料。长枪铺水文站设立于1959年12月，1965年1月1日起，因断面附近修建水轮泵站，基本水尺上移800m继续观测至今，其间无较大支流汇入。长枪铺水文站施测断面以上集水面积2814km²，本次收集到该站1960～2008年共49年长系列实测水文资料。杨家营水文站和长枪铺水文站，均为国家基本测站，测验规范，计算方法合理，成果可靠。工程区与两水文站属于同一流域和同一暴雨区，其暴雨特性、洪水成因、植被情况和下垫面条件类似。考虑到杨家营水文站距工程区较近，故将杨家营水文站作为本工程水文分析、计算的参证站。本工程设计洪水分析采用了《陕西省洪水调查资料》上刊布的杨家营水文站附近河段调查的历史洪水资料。另外，还采用了《安康地区实用水文手册》上介绍的洪水计算经验公式和有关水文、气象统计资料和数据图表等。3.4径流洋溢河流域的径流主要由降雨形成。用距工程区较近的邻近流域恒河杨家营水文站实测径流资料对工程区两沟道径流特性进行分析。根据杨家营水文站实测径流资料统计：多年平均径流量为3.01亿m³，实测最大年径流量6.79亿m³（1964年），最小年径流量1.16亿m³（1962年），最大和最小值分别为平均值的2.41倍和0.40倍。以杨家营水文站为参证站，按面积比法推算的机场以上两沟道年径流量及年内分配成果见表3.4.1和表3.4.2。表3.4.1工程设计断面不同频率年平均流量成果表单位:亿m³频率(%)河流510152025507580859095罗家河1475124811081003916639436397356312260表2.4.2工程设计断面径流量年内各月分配成果表单位:万m³³月份断面1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月全年罗家河15.412.419.739.056.750.4139.294.2138.498.338.921.1724由表3.4.2可见，设计流域径流年内分配不均匀，7～10月的径流量占全年径流量的65.0%，12月～翌年3月径流量仅占全年径流量的9.5%。3.5泥沙洋溢河流域，植被较好，水土流失轻微，河流泥沙含量小，泥沙主要来源于暴雨时的洪水期，泥砂的年际变化大，年内分配不均。据恒河流域杨家营水文站实测资料统计，汛期7～9月输沙量占全年输沙量的86%，其中7月就占到全年的一半，而枯水期11～3月河流输沙量仅占全年输沙量的0.35%。洋溢河流域内无实测泥沙资料，采用邻近流域恒河杨家营水文站作为泥沙参证站。据杨家营水文站实测泥沙资料统计，多年平均悬移质侵蚀模数为759t/km2，由此得机场以上罗家河多年平均悬移质输沙量为1.70万t，推移质按悬移质的20%考虑，推移质多年平均输沙量为0.34万t，年总输沙量为2.04万t；机场以上俭沟多年平均悬移质输沙量为896t，推移质按悬移质的20%考虑，推移质多年平均输沙量为179t，总输沙量为1075t。输沙量年内分配比例采用杨家营水文站实测悬移质多年平均年内分配比例。计算的工程区多年平均输沙量及其年内分配成果见表3.5.1。表3.5.1工程设计断面多年平均输沙量年内分配成果表单位:万t月份断面123456789101112全年罗家河0.000.000.000.040.070.181.750.380.950.210.010.003.603.6暴雨洪水特性洋溢河流域的洪水主要由暴雨形成。暴雨主要集中在6月中旬～7月底和8月下旬～10月上旬两个阶段，据此可划分为夏季暴雨和秋季暴雨。夏季暴雨是在副热带高压北进，暖湿气流非常强盛的情况下产生的，此时气温高，水汽含量充沛，由于地表受热不均，大气层结非常不稳定，易产生强对流天气，形成大雨或大暴雨。秋季暴雨则是由南支西风急流的建立和发展，以及孟加拉湾低压和副高南侧的东南气流共同影响，导致纬向环流波动东移，并由于副高稳定导致纬向环流波动滞缓，形成稳定的天气形势，从而产生稳定而持久的降水。洋溢河流域暴雨量大，强度集中，加之山高坡陡，土层浅，因此洪水具有陡涨陡落，峰型尖瘦的特点，一次洪水过程约为2～5小时。根据邻近流域恒河杨家营水文站1957～2008年实测洪水流量资料分析，年最大洪峰流量在4～10月均有可能出现，以7～9月居多。汛期分4～5月的桃汛和7～10月上旬的大汛，6月多出现伏旱，水位、流量往往是汛期的最小值。3.7洪水计算本工程涉及机场内洋溢河流域罗家河支流的排洪问题，需进行设计洪水计算。洋溢河流域内无水文、水位测站，故工程设计洪水按照多种方法、综合分析、合理选用的原则进行确定。1.水文比拟法富强机场所在洋溢河流域内无水文站，工程区邻近流域有恒河杨家营水文站，距工程区最近，约6.2km。该站设立于1957年5月，由陕西省水利厅领导，1964年1月改由陕西省水文总站领导，施测断面以上集水面积931km²。该站曾变迁过两次，1975年1月水尺上迁50m改名杨家营（二）站，集水面积929km²；1999年1月该站下移至恒口镇，集水面积973km²。杨家营水文站有1957～2008年共52年实测洪水资料，另外还有1889年和1938年两场历史调查特大洪水资料。经分析，将调查到的杨家营水文站1889年和1938年历史洪水作为特大洪水处理，其重现期分别为120年和60年。依据《水利水电工程设计洪水计算规范》（SL44-2006），对杨家营水文站1960～2008年49年实测的一般洪水和2场特大洪水进行频率分析，采用P—Ⅲ型曲线进行适线，确定参证站不同频率洪峰流量。洪水经验频率、统计参数计算公式采用《水利水电工程设计洪水计算规范》（SL44-2006）中不连续系列频率、统计参数公式进行计算。确定的杨家营水文站洪峰流量理论频率曲线见图3.7.1，杨家营水文站洪峰流量理论频率曲线统计参数及设计洪水成果见表3.7.1。表3.7.1杨家营水文站设计洪峰流量计算成果表单位：m³/s统计参数频率（%）均值CvCs/Cv0.5123.33510205600.772.5239021001810159014201120828以恒河杨家营水文站为参证站，按照水文比拟法计算罗家河设计洪峰流量。计算公式如下：Q设=(F设/F参)2/3Q参式中：Q设、Q参—分别为工程区设计断面和参证站设计洪峰流量(m³/s)；

F设、F参—分别为工程区设计断面和参证站控制流域面积(km²)。F俭沟=1.18km²，F罗家河=22.4km²，F参=931km²。以杨家营水文站为参证站，按照水文比拟法推算的工程区设计断面处洪水成果见表3.7.2。表3.7.2以杨家营站为参证站推算的工程区设计洪水成果表单位：m³/s频率(%)河流0.5123.351020罗家河19917515113311893.769.02.洪峰面积相关法根据《安康地区实用水文手册》（简称《水文手册》）中“安康地区洪峰流量与集水面积经验公式分区图”划分，本工程属于江北区，因此按照《水文手册》提供的汶池区洪峰面积相关经验公式及参指数推算工程区不同频率洪峰流量，计算公式如下：QP=KPFn式中：QP—设计频率为P的洪峰流量(m³/s)；F—设计断面控制流域面积（km²），F俭沟=1.18km²，F罗家河=22.4km²；KP、n—重现期为N的经验关系式参指数，n=0.606，KP见表2.7.3。用洪峰面积相关法推算的工程区设计断面处洪峰流量成果见表3.7.3。表3.7.3单位：m³/s频率(%)KP河流0.5123.35102035.031.526.624.021.717.413.4罗家河23020717515814311588.23.综合参数法按照《水文手册》以流域内设计暴雨量和流域特征参数为基础建立的多因素经验公式，推算工程设计洪水，计算公式如下：Qp=K6pηFαH6pβJγ式中：Qp—设计频率为P的洪峰流量（m³/s）；F—设计断面控制流域面积（km²），F俭沟=1.18km²，F罗家河=22.4km²；J—河道平均比降(千分率的分子值)，F俭沟=29.9，F罗家河=76.3；K6p—设计频率为P的六小时暴雨模比系数，见表2.5.10；H6p—设计频率为P的六小时点暴雨量（mm），H6p=H6·K6p；η、α、β、γ—分区综合的经验性指数，本区为江北区，查《水文手册》得：η=0.75，α=0.606,β=0.48,γ=0.11。安康富强机场厂址位于江北水文气候区，不同频率的6小时点暴雨量H6P采用距机场场址约6.2km的恒河杨家营水文站实测资料进行计算，成果见表3.7.4表3.7.4恒河杨家营水文站暴雨频率计算成果表河名站名时段统计参数频率（%）多年平均值变差系数CvCs/Cv0.5123.351020恒河杨家营1h29.090.513.087.4678.7669.9563.3758.0848.8539.273h41.880.503.5127.91114.58101.1891.2583.2869.5455.526h51.810.503.5158.24141.75125.17112.86103.0286.0368.6912h65.160.423.5171.49155.82139.93128.04118.45101.6884.1824h79.840.423.5210.13190.93171.45156.91145.14124.59103.14根据计算的Cv和Cs/Cv值，查皮尔逊Ⅲ型曲线的模比系数Kp表，可求得工程区不同频率6小时点暴雨量H6P采用，代入综合参数公式中，求得机场场址内罗家河设计洪峰流量，成果见表3.7.5。表3.7.5综合参数法计算的工程区不同频率设计洪峰流量成果表频率(%)0.5123.3351020K6p3.052.742.422.181.991.661.33H6p(mm)158.24141.75125.17112.86103.0286.0368.69罗家河Q(m³/s)27824620918416413299.84.设计洪水成果选用上面采用水文比拟法、洪峰面积相关法和综合参数法三种方法分别推算了安康富强机场场址断面罗家河不同频率的洪峰流量，计算成果汇总见表3.7.6。表3.7.6不同方法计算的罗家河断面设计洪峰流量成果表计算方法频率(%)0.5123.3351020水文比拟法19917515113311893.769.0洪峰面积相关法23020717515814311588.2综合参数法27824620918416413299.8采用成果27824620918416413299.8从表3.7.6可以看出，各种方法计算的洪水成果有一定差异，但差异不大，这主要是各种方法的适用条件不同所致。本次经分析，认为水文比拟法所用的参证站流域面积与工程区流域面积相差较大，计算的洪水成果偏差较大；洪峰面积相关法推算的洪峰流量较为粗糙；综合参数法既考虑了流域内设计暴雨量又考虑了流域特征参数，由此推求的设计洪水成果较为可靠。根据“多种方法、综合分析、合理选用”的原则，从安全考虑，选择综合参数法推算成果作为本次工程设计洪水成果。俭沟和罗家河机场场址断面处设计洪水成果见表.3.7.7表3.7.7工程区内两河（沟）设计洪水成果表单位：m³/s频率(%)河流0.5123.351020罗家河27824620918416413299.8根据确定的防洪标准，罗家河排洪涵洞50年一遇设计洪峰流量为Q50=209m³/s；100年一遇校核洪峰流量为Q100=246m4工程设计4.1工程布置罗家河基本位于机场场区中部，河流横穿机场厂区，基本与机场跑道正交，机场回填后将堵住沟道洪水去路，对机场构成威胁。而罗家河位于机场场区中部，河道比降较大，两侧山体高度较大，山体高于河道40m以上，而从机场上游对河道截流改道不太现实，本次通过修建排洪涵洞，将机场上游罗家河洪水顺利排入机场下游罗家河河道，以免机场厂区受到洪水威胁。罗家河排洪涵洞总长420.701m，进口高程316.000m，出口高程309.689m，涵洞比降1.5%。涵洞在平面上由两条圆弧和三条直线组成。直线段位于桩号0+000.000～0+009.385m、0+023.594～0+343.373m和0+400.844～0+420.701m；圆弧段位于桩号0+009.385～0+023.594m和0+343.373～0+400.844m，圆弧半径分别为80m、100m，中心角分别为10.18°、32.93°。4.2排洪涵洞设计⑴体型设计罗家河排洪涵洞顶部填土高度45m左右，填土高度较大，考虑涵洞工程造价和结构安全，采用钢筋混凝土高矢拱涵形式。涵洞采用半压力引水方式，横断面为钢筋混凝土高矢拱涵，由于设计洪峰流量较大，本次采用双孔涵洞型式。每孔涵洞底宽6.0m，矢跨比f/L=0.8，涵洞矢高3.48m，拱圈截面倾斜角73.74°，拱轴线方程式为：X²=4.245Y-0.220Y²，概化为三心圆弧，拱顶小圆半径1.823m，中心角73.80°，两侧拱圈大圆半径5.300m，中心角36.84°。⑵涵洞水力计算罗家河涵洞按50年一遇洪水设计，100年一遇洪水校核，设计洪峰流量为Q50=209m³/s，校核洪峰流量为Q100=246m³/s。涵洞设计过流能力按246m³/s考虑，单孔涵洞过流能力123m³/s。涵洞比降i=1.5%，糙率n=0.014。经计算涵洞设计洪水位为321.69m，校核洪水位为322.45m。⑶砌筑材料及涵洞构造涵洞拱圈为复合式圆拱，采用C40现浇钢筋混凝土，厚度1.0m；涵洞底座为分离式，拱圈支座采用C40混凝土浇筑，底宽3.265m，高度2.35m；涵洞底板采用C40砼浇筑，厚度0.8m。为防止不均匀沉降，涵洞每10米设一道沉降缝；在地基变化处加密沉降缝，每5m设一道伸缩缝。沉降缝缝宽30mm，缝内设625型橡胶止水带止水。另外，在涵洞进出口段设置洞脸，洞脸按水工中一般穿堤涵洞洞脸设置方法设置。为保证过流通畅，在涵洞进出口段设置八字墙；为防止冲刷破坏，在涵洞进口12m，出口34m范围内底板采用C30混凝土，厚度0.8m。基础处理涵洞基础要求放置于砂卵石层或基岩层，地基容许承载力[σ]>300kPa，如不能满足上述要求，需加大或加深基础。基础施工时，对于上部松散层应进行清除，必要时还需进行土体置换，并压实基础。4.3结构计算4.3.1计算方法采用岩土有限元分析程序Phase2计算。计算断面选择在中部，计算模型见图4.3.1，涵洞位于砂砾石层上，上覆土层分5层回填。在涵洞四周设置接触单元，以模拟土层对涵洞的作用。整个模型共计单元数2883个，节点数3004个。4.3.2计算参数各地层和材料物理力学指标，根据地质报告、工程经验和相关规范选用，见表4.3.1。表4.3.1各地层和材料物理力学指标表材料容重弹性模量泊松比内摩擦角粘聚力(kN3/s)(kPa)(度)(kPa)基础岩石255×1060.252010.5基础砂砾石184×1040.2535粘土回填173×1040.302617C40混凝土243.25×1070.20图4.3.1涵洞计算有限元分析模型图4.3.2计算成果（1）涵洞压力分布计算的涵洞顶拱和底板压力分布见图4.3.2。从图中可见，顶拱压力分布从拱顶到拱端逐步减小，拱顶压力998kPa，大于上覆土层重量（43.59×17=741kPa）,拱端压力位242kPa；底板反力呈马鞍形，两侧大，中部小，左侧平均反力为1250kPa，右侧平均反力为1180kPa。计算的压力分布符合一般规律。图4.3.2涵洞压力分布图（2）涵洞变形计算的涵洞变形数值见图4.3.3。从图中可见，在上覆土层作用下，涵洞整体均匀下沉12cm，相对变形较小。图4.3.3涵洞变形数组图（3）涵洞应力分布涵洞最大主应力分布见图4.3.4，从图可见，拱顶上部和拱端内侧压应力分布集中；涵洞最小主应力分布见图4.3.5，从图可见，拱顶内侧和拱端外侧压应力分布集中，另外底板悬臂根部分布有拉应力。应力分布符合一般规律。图4.3.4涵洞最大主应力分布云图单位：KPa图4.3.5涵洞最小主应力分布云图单位：KPa从上述计算结果可见，拱顶、拱端和底板悬臂根部为结构配筋控制断面。将这三个控制断面的正应力、剪应力提取后积分可求得其内力，如表4.3.2