水利工程涵洞设计分析

水利工程涵洞设计分析

陆彦强

新疆阿勒泰地区水利水电勘测设计院  新疆阿勒泰  836500

摘要：涵洞是水利工程重要基础设施，涵洞设计水平可直接影响到水利工程实际运营效果。由于涵洞种类较多，在设计环节还需要结合现场勘察结果，优化涵洞设计方案，加强涵洞设计全过程管控力度。针对此，本文首先水利工程涵洞概念以及涵洞种类，明确水利工程涵洞进出口设计、关键参数设计、主要构造设计、位置选择内容，制定水利工程涵洞设计管控对策，以供参考。

关键词：水利工程；涵洞；设计

前言：水利工程中的涵洞主要用于引水枢纽放水建筑物、跨越沟渠及道路输水建筑物，通过阀门调节输水量。在涵洞设计过程中需要遵循安全、经济、环境及美观原则，确保涵洞位置、形式以及进出口类型合理，满足泄洪、灌溉、供引水要求，实现节约水利工程建设成本目标。

1、水利工程涵洞概念及用途

1.1涵洞概念

水利工程涵洞主要就是用于引水枢纽放水建筑物、跨越沟渠及道路输水建筑物，又被称之为引水建筑设施、泄水建筑设施等。涵洞也可被用作涵渠，主要由洞身、端墙、出入口等组成。

1.2涵洞用途

涵洞是水利工程重要结构，主要用于拦河引水枢纽和平原水库的放水建筑物，以满足水利工程泄洪、发电、农牧业灌溉、人畜安全引水的需要，也用于公路跨越渠道、排除路基两侧积水。涵洞在农业灌溉系统，交通工程建筑物组成中非常重要的建筑物之一。

1.3涵洞种类

依照涵洞形式，可以将水利工程涵洞结构分为圆管涵洞、箱涵洞、拱涵、盖板涵洞等。其中，圆管涵洞主要由洞身、洞口组成。洞身属于流水孔道，洞口则为洞身进出口端与洞身连接的重要部位。圆管涵洞的管道为钢筋混凝土材质，管径的大小需要根据实例工程实际排水需求设置。

箱涵包括盖板、涵身等结构，基础为钢筋混凝土浇筑，主要用于排水、输水等。箱涵洞能够更好应用于软土地基，但实际建设期间的造价较高。

拱涵主要由拱圈、护拱、拱上侧墙，钢筋混凝土结构，主要运用在拦河水库大坝、平原水库大坝的放水建筑物上。

盖板涵洞也是常见的涵洞形式，具有受力作用明显、施工便捷特征。盖板涵洞包括盖板、涵台、基础结构等，造型简单、施工便捷。

依照水利性能，可以将水利工程涵洞分为无压涵洞、半压式涵洞以及有压涵洞。无压涵洞就是入口的水流水位低于洞口上边缘，洞水面接触不到洞顶。因水流与洞顶不发生接触，不会产生压力，故称为无压涵洞；半压式涵洞就是入口水流水位高于洞口边缘，部分洞顶位置需承受水头压力，部分洞身因水流与洞顶不发生接触，不产生压力，故称为半压式涵洞；有压涵洞就是涵洞的进出口均被水淹没，涵洞洞身全断面过水，洞顶受压。

2、水利工程涵洞设计要点

2.1涵洞进出口设计

进出口是水利工程涵洞重要设计内容，进出口设计的合理性与涵洞是否能够顺利排水密切相关。在没有做好进出口设计的情况下，涵洞结构稳定性将会受到不利影响，在长时间运行后结构变形甚至受损，维护难度更高。

工程设计中根据涵洞所处地形地质情况、水流性质、任务、运行方式不同，进出口种类也存在较大差异。进口一般有翼墙式、八字式、走廊式、平头式、端墙式等，出口一般有急流坡式、跌水式、护坡式、端墙式或流线型式。

2.2涵洞关键参数设计

在水利工程设计中涵洞关键参数主要是涵洞洞身大小（洞经）、洞身长度的确定。洞身是涵洞孔道的主体结构，在设计涵洞洞身期间，应着重计算水流流量、涵洞的洞身孔径值，确保洞身孔径能够满足水流量要求。在洞身设计环节，也需要保障洞身结构的稳固性、安全性。涵洞结构还应当承受结构的荷载压力、填土压力值，发挥出重要的支撑作用。

结合水利工程施工要求，在涵洞设计过程中还应当合理设置洞身长度，优化洞身施工流程，控制洞身施工成本。在涵洞洞身设计环节，如洞身断面较小、长度应适当延长，洞身的断面较大，长度则应适当缩小。

2.3涵洞主要构造形式设计

涵洞主要结构包括涵洞孔径、基础等。在涵洞孔径设计过程中，应当以稳定涵洞结构为目标，有效控制涵洞施工成本。明确涵洞切面直径、涵洞高度比值，严格设置涵洞孔径跨高比。现有涵洞施工技术标准要求涵洞孔径比值应当为0.75~1.12。

涵洞基础设计环节需要着重分析工程所在区域地理环境、水文特征。涵洞基础通常位于地面、河床底部，需布置在软基上时应充分考虑地基土的承载力情况。如果基础土质条件较为松散，可以在施工过程中铺设粉砂桩、砂砾层，改善地质条件。

2.4涵洞位置选择

水利工程设计中引水枢纽工程在选择涵洞布置的具体位置时，应当结合工程整体布置和功能特征进行多方案必选确定。线性输水工程与天然河沟、公路、其他建筑物相交处应当设置涵洞。

在涵洞不受线型布置的情况下，涵洞应当设置在承载力较高、沟床相对稳定的区域。对比分析涵洞建设期间的经济效益、技术适用性，选择适宜的涵洞建设方式。

3、水利工程涵洞设计对策

3.1做好涵洞地质勘察工作

在水利工程涵洞详细设计前，设计人员需使用专业化取样手段，对工程区域内的水文地质条件展开细致勘察，切实掌握工程区域内地质结构、地下水文参数，分析地质因素可能对涵洞设计造成的不利影响，控制施工安全隐患发生概率。

在地质勘察工作结束后，设计人员还需要结合勘察结果对地质及水文条件进行评价及分析，选择适宜的涵洞结构。

3.2明确涵洞设计管控要点

为从根本上提升涵洞结构的安全性，要求在水利工程涵洞环节严格勘察工程区域具体地质情况，结合实际勘察结果明确施工要求及施工难点。材料强度主要用于评估涵洞稳定性，在实际计算过程中，需要使用专用的荷载分析软件放大荷载标准，确定合理的荷载数，从而确定结构构件尺寸，满足结构所需的承载能力。

3.4优化水利工程涵洞施工方案

水利工程涵洞设计环节工作也需要考虑施工阶段的安全性。引入先进设计手段，有效优化涵洞设计方案内容，切实提涵洞建设全过程安全性。运用BIM、虚拟现实等先进技术手段，构建涵洞三维模型，使设计人员能够明确涵洞建设及运营要求，辅助设计工作有序开展，提升结构整体安全性能。

在涵洞安全设计工作开展过程中，还需要主动分析材料的各项性能，做好材料质量检验工作，强度及承载力不足等材料应禁止使用在实际施工过程中而引发更为严重的安全事故，防止施工单位为寻求经济利益最大化而做出偷工减料行为。加强与建设及施工单位的交流沟通，要求与口碑良好、信誉优异的供货商合作。

总结：总而言之，水利工程涵洞设计水平可直接影响到水利工程建设环节综合效益，应结合施工现场勘察结果，对涵洞设计方案进行不断优化，增强涵洞设计方案的科学性及合规性，充分发挥出涵洞设施积极作用。结合涵洞结构特征，选择适宜的涵洞位置，合理设置涵洞洞经大小、洞身长度等参数，确保涵洞始终处于安全可靠运行状态。

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