王海峰

（河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300250）

南水北調(diào)中線工程京石段廠城渠道倒虹吸設(shè)計(jì)

王海峰

（河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300250）

廠城渠道倒虹吸是南水北調(diào)中線工程京石段新增的一座大型交叉建筑物，穿越112國(guó)道。該文介紹了工程的總體設(shè)計(jì)，推算了設(shè)計(jì)和加大水面線，分析了對(duì)上游總干渠的影響。

南水北調(diào)中線；廠城；渠道倒虹吸；設(shè)計(jì)

1 工程概況

南水北調(diào)中線京石段應(yīng)急供水工程總干渠與112國(guó)道在河北省易縣廠城村南150m處相交，總干渠與112國(guó)道交叉處原采用交通橋型式跨越總干渠。112國(guó)道是貫穿易縣的交通大動(dòng)脈，道路兩旁居民和商戶較多。由于多種原因，征遷方案一直未能實(shí)施，導(dǎo)致廠城橋工程建設(shè)不能進(jìn)行。鑒于112國(guó)道與總干渠交叉存在的問題及特殊性，經(jīng)分析和綜合比選，確定在橋址處新建廠城渠道倒虹吸下穿112國(guó)道。廠城渠道倒虹吸現(xiàn)已建設(shè)完成并通水運(yùn)行。

2 工程規(guī)模

南水北調(diào)中線工程與112國(guó)道交叉處渠段設(shè)計(jì)流量60m3/s，加大流量70m3/s。在原設(shè)計(jì)水頭分配指標(biāo)不變的條件下，交叉處建筑物型式由交通橋跨越渠道改為渠道倒虹吸下穿112國(guó)道后，對(duì)原設(shè)計(jì)過(guò)流量有一定影響。由于該渠段位于南水北調(diào)中線工程總干渠尾部，若減少過(guò)流能力，將對(duì)北京市供水產(chǎn)生影響，因此在不影響下游渠段過(guò)流能力條件下擬定設(shè)計(jì)方案：即倒虹吸工程設(shè)計(jì)流量為60m3/s，加大流量70m3/s。

3 工程地質(zhì)

廠城倒虹吸位于太行山東麓北易水左岸二級(jí)階地，地貌屬丘陵與平原的過(guò)渡帶，地勢(shì)開闊平坦。建筑物區(qū)地層屬土巖多層結(jié)構(gòu)，由上至下分別為黃土狀壤土、粗砂、卵石和閃長(zhǎng)巖。工程區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.10g，相當(dāng)于地震基本烈度7度區(qū)。

建筑物區(qū)含水層分為孔隙潛水及基巖裂隙水兩類?？紫端癫赜诖稚凹奥咽瘜又?，層厚7～10m，地下水位隨季節(jié)變化，受大氣降雨及上游徑流補(bǔ)給，鉆探期間地下水位高程最高53.3m。粗砂層滲透系數(shù)60m/d，卵石層滲透系數(shù)120m/d。

4 倒虹吸方案確定

南水北調(diào)中線工程與112國(guó)道交叉處總干渠為填方渠道，渠底較路面高1.8m，在其上游410m為北易水渠道倒虹吸。根據(jù)總干渠與112國(guó)道交叉位置及上下游建筑物關(guān)系，對(duì)延長(zhǎng)北易水渠道倒虹吸和在橋址處新建廠城渠道倒虹吸穿越112國(guó)道兩個(gè)方案進(jìn)行比選。

4.1 延長(zhǎng)北易水渠道倒虹吸

廠城橋址西南410m處為北易水渠道倒虹吸工程，已建設(shè)完成。結(jié)合北易水渠道倒虹吸距離廠城橋址較近的條件，在該段總干渠軸線不變的情況下，保持原北易水倒虹吸管身斷面2孔5.5m×5.5m，從原北易水倒虹吸出口第1節(jié)斜管末端開始，新建水平管585m后穿越112國(guó)道，并向下游布置斜管段、閘室段和漸變段與渠道連接。

4.2 新建廠城渠道倒虹吸

由于延長(zhǎng)北易水渠道倒虹吸方案需拆除425.1m長(zhǎng)的渠道，拆除和新建工程量均較大。為減小已建渠道的拆除量，在滿足工程布置的條件下，新建一座渠道倒虹吸穿越112國(guó)道。該方案只在路渠交叉位置下部布設(shè)75m長(zhǎng)2孔5.5m×5.5m水平涵管，并向上、下游布置斜管段、閘室段和漸變段與渠道連接。

4.3 方案比選

從工程投資、新增水頭影響和工程運(yùn)用等幾個(gè)方面對(duì)延長(zhǎng)和新建倒虹吸方案進(jìn)行綜合比選。如表1所示。

表1 渠道倒虹吸方案比較表

從表1可以看出，延長(zhǎng)方案工程量和總投資大于新建方案，延長(zhǎng)方案新增占用設(shè)計(jì)水頭也大于新建方案，對(duì)上游渠段的影響也大于新建方案。從中線總干渠的總體布置和工程運(yùn)用看，延長(zhǎng)方案不增加該段建筑物的數(shù)量，工程的調(diào)度運(yùn)用基本不變，新建方案則增加了一座交叉建筑物。

綜合分析比選，確定新建廠城渠道倒虹吸穿越112國(guó)道。

5 建筑物長(zhǎng)度及型式確定

5.1 建筑物長(zhǎng)度

112國(guó)道與總干渠交叉位置處的上下游渠道均已建成，廠城渠道倒虹吸軸線采用原渠道軸線布置?？偢汕c112國(guó)道呈54°斜交布置，在總干渠軸線不變的情況下，若減少建筑物的長(zhǎng)度，只能調(diào)整公路路線使之與總干渠垂直或小角度交叉布置，而調(diào)整公路路線需新增占地，尤其靠近縣城實(shí)施難度大且投資高。因此，保持112國(guó)道路線不變。

現(xiàn)狀公路界寬（含路基和排水溝等附屬物）37m，交叉處新建倒虹吸下穿后，需恢復(fù)上部公路。倒虹吸管頂寬度為14.3m，水平管最少布置57m才可滿足公路通過(guò)。又臨近的北易水高標(biāo)準(zhǔn)洪水行洪時(shí)，有部分洪水漫溢從該口門處通過(guò)，在口門兩側(cè)需要適當(dāng)護(hù)砌。綜合考慮，水平管段布置75m。通過(guò)水力計(jì)算，確定進(jìn)出口漸變段分別取40m和45m，加上管身進(jìn)出口各10m長(zhǎng)的檢修閘，廠城渠道倒虹吸工程總長(zhǎng)292m。

5.2 建筑物結(jié)構(gòu)型式選擇

廠城渠道倒虹吸管身采用箱形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)型式，進(jìn)出口段采用直線扭曲面漸變型式。

為滿足管身檢修要求，在進(jìn)出口均設(shè)置了檢修閘，為開敞式結(jié)構(gòu)。廠城渠道倒虹吸下游13.8km處為墳莊河節(jié)制閘，設(shè)計(jì)水位為62.088m，而廠城渠道倒虹吸進(jìn)出口管頂高程分別為61.137m和61.833m，均低于下游節(jié)制閘的設(shè)計(jì)水位。在總干渠定水位運(yùn)行情況下，可以保證過(guò)任何流量時(shí)倒虹吸管進(jìn)出口處于淹沒狀態(tài)。

5.3 水平管頂高程確定

在減少施工期排水量、開挖量和汽車沖擊影響的情況下，考慮管內(nèi)外溫差、抗凍、結(jié)構(gòu)抗震等要求，結(jié)合公路超載現(xiàn)狀和滿足兩側(cè)斜管抗滑穩(wěn)定需一定的坡比和埋深條件，倒虹吸水平管埋置于公路以下3m。

6 工程布置及建筑物設(shè)計(jì)

6.1 工程布置

新建廠城渠道倒虹吸工程由進(jìn)口漸變段、進(jìn)口檢修閘、管身段、出口檢修閘、出口漸變段等組成，軸線總長(zhǎng)292m。

進(jìn)、出口漸變段長(zhǎng)40m和45m，底板與翼墻為分離式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。兩側(cè)翼墻采用直線扭曲面，由貼坡式擋墻漸變?yōu)橹绷胫亓κ綋鯄Α?/p>

進(jìn)、出口檢修閘閘室長(zhǎng)10m，采用開敞式鋼筋混凝土整體結(jié)構(gòu)，閘室孔數(shù)、凈寬均與倒虹吸管身相同。閘室設(shè)2扇疊梁式檢修鋼閘門，采用1臺(tái)移動(dòng)式電動(dòng)葫蘆啟閉。

管身段長(zhǎng)187m，由進(jìn)口斜管段、進(jìn)口水平段和出口斜管段三部分組成。管身為兩孔一聯(lián)的鋼筋混凝土箱形結(jié)構(gòu)，單孔尺寸5.5m×5.5m（寬×高）。水平管頂板、底板厚1.2m，中、邊墻厚1.1m；斜管厚度均為1.1m。管身軸線方向設(shè)置變形縫，管節(jié)長(zhǎng)14～15m。

6.2 水力設(shè)計(jì)及渠段水流影響

廠城渠道倒虹吸的水力設(shè)計(jì)與其他渠道倒虹吸不同之處在于，其他渠道倒虹吸是在流量和水頭確定的情況下，推求管身斷面尺寸；而廠城渠道倒虹吸是在管身斷面尺寸和流量確定的情況下，計(jì)算倒虹吸所需的水頭，并對(duì)影響的渠段進(jìn)行分析。

在保證該渠段設(shè)計(jì)和加大流量不變的情況下，推求過(guò)加大流量下的水頭差，確定倒虹吸進(jìn)口的水位。經(jīng)計(jì)算，廠城渠道倒虹吸過(guò)加大流量70m3/s時(shí)，需0.080m水頭差。由于原有的292m渠道設(shè)計(jì)水頭為0.012m，因此實(shí)際新增設(shè)計(jì)水頭為0.068m。

總干渠與112國(guó)道交叉建筑物由跨總干渠交通橋改為下穿渠道倒虹吸后，新增加占用水頭。由于橋址處總干渠上下游渠道和建筑物已經(jīng)建成，不可能再重新進(jìn)行水頭的調(diào)整分配。廠城渠道倒虹吸新增加的水頭會(huì)對(duì)總干渠水面線產(chǎn)生影響，致使部分渠段水位抬高，造成部分渠段壅水。

水面線推算仍沿用原京石段工程初步設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)參數(shù)。

6.2.1 設(shè)計(jì)流量水面線推算

新建廠城渠道倒虹吸位于北易水節(jié)制閘至墳莊河節(jié)制閘渠段內(nèi)，新增加設(shè)計(jì)水頭0.068m。通過(guò)復(fù)核本渠段和上游幾個(gè)渠段的渠道及建筑物設(shè)計(jì)斷面實(shí)際耗用設(shè)計(jì)水頭，與原初設(shè)分配的設(shè)計(jì)水頭進(jìn)行對(duì)比，分析原初設(shè)分配的設(shè)計(jì)水頭的富余量是否滿足新建廠城倒虹吸新增的水頭。經(jīng)核算，由釜山隧洞進(jìn)口推算至廠城渠道倒虹吸富余水頭共計(jì)0.073m，可滿足廠城倒虹吸設(shè)計(jì)新增加的水頭。

設(shè)計(jì)水面線推算仍按照原初設(shè)設(shè)計(jì)水面線的計(jì)算原則，從上游向下游分段推求，按明渠均勻流分段扣除渠道設(shè)計(jì)斷面實(shí)際沿程損失，逐一扣除每座建筑物所實(shí)際耗用的水頭，計(jì)算出各段設(shè)計(jì)水面線。設(shè)計(jì)水面線成果見表2。

表2 新建廠城倒虹吸后設(shè)計(jì)水面線成果表

由設(shè)計(jì)水面線計(jì)算成果可知，新建廠城渠道倒虹后受影響渠段為釜山隧洞至廠城渠道倒虹，渠段長(zhǎng)度為30.384km，其中，影響渠段內(nèi)的瀑河節(jié)制閘和北易水節(jié)制閘按調(diào)整后的水位進(jìn)行調(diào)度運(yùn)用。

6.2.2 加大流量水面線推算

渠道是在設(shè)計(jì)流量下按明渠均勻流確定過(guò)水?dāng)嗝?，建筑物除倒虹吸按加大流量確定過(guò)水?dāng)嗝嫱?，其他明流建筑物按設(shè)計(jì)流量確定過(guò)水?dāng)嗝?。斷面確定后，按明渠恒定非均勻流從下游向上游推算渠道和建筑物的加大水面線。

渠段加大流量水面線的推算是以新建廠城渠道倒虹吸出口作為起點(diǎn)，以倒虹吸出口位置的原渠道加大水位為起調(diào)水位，向上游進(jìn)行加大流量水面線的計(jì)算。水面線推算成果見表3。

表3 新建廠城倒虹吸后加大水面線成果表

由計(jì)算成果可知，新建廠城渠道倒虹后加大水面線的受影響渠段為瀑河倒虹吸至廠城渠道倒虹，渠段長(zhǎng)度為22.567km。

6.2.2.1 加大水面線抬高對(duì)渠道和隧洞超高影響分析

京石段應(yīng)急供水工程渠道堤頂或一級(jí)馬道高程由內(nèi)水控制時(shí)，其安全超高不小于1.5m。新建渠道倒虹吸后造成總干渠加大水位抬高最大6.9cm，僅占原超高的4.6%，可以認(rèn)為，基本滿足渠道超高的要求。

倒虹吸上游的西市隧洞采用圓拱直墻式斷面，直墻高度按加大水深＋20cm確定，新增廠城倒虹吸后，洞內(nèi)加大水位較原初設(shè)加大水位抬高5cm，未超過(guò)拱腳，洞內(nèi)凈空面積、高度仍滿足規(guī)范要求。

6.2.2.2 加大水面線抬高對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)影響分析

加大水面線抬高后對(duì)上游渠道、隧洞、渠道倒虹吸和跨總干渠橋梁、左岸排水建筑物墩柱等結(jié)構(gòu)配筋影響很小，仍能滿足要求。

6.3 倒虹吸管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

倒虹吸管荷載主要包括結(jié)構(gòu)自重、土壓力、內(nèi)水壓力、外水壓力和地震荷載等。倒虹吸管穿越112國(guó)道，作用在管頂填土以上的活荷載主要為車輛荷載。由車輛荷載引起的豎向土壓力根據(jù)JTG D60—2004《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》進(jìn)行土層厚度折算。

倒虹吸管身內(nèi)力計(jì)算采用《多孔涵洞內(nèi)力的有限元法分析及配筋計(jì)算程序》，計(jì)算時(shí)假定底板為彈性地基梁，側(cè)墻、頂板和底板視為一維單元，應(yīng)用桿件系統(tǒng)有限元法進(jìn)行內(nèi)力分析。在管身內(nèi)力計(jì)算的基礎(chǔ)上，對(duì)管身結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度和裂縫開展寬度計(jì)算，管身在合理配筋條件下，均滿足強(qiáng)度和裂縫開展寬度計(jì)算。

7 施工基坑排水

廠城倒虹吸管身段基坑采用一次全開挖方式施工，由于北易水地區(qū)地下水較為充沛，因此須采取基坑排水措施。廠城倒虹吸附近民房較多，居民用水多采用井水，在工程大量抽取地下水后，勢(shì)必造成居民用水的困難和對(duì)周圍已有建筑物的影響。綜合分析并結(jié)合京石段中易水、北易水倒虹吸基坑排水經(jīng)驗(yàn)，廠城倒虹吸基坑采用高噴防滲墻結(jié)合排水的方式。

8 結(jié)語(yǔ)

南水北調(diào)中線總干渠與112國(guó)道交叉建筑物型式由交通橋跨越總干渠改為渠道倒虹吸下穿112國(guó)道，經(jīng)分析比選確定了設(shè)計(jì)方案。

通過(guò)復(fù)核本渠段和上游幾個(gè)渠段的渠道及建筑物設(shè)計(jì)斷面實(shí)際耗用的設(shè)計(jì)水頭，確定滿足廠城倒虹吸新增水頭所影響的渠段。新建廠城渠道倒虹吸后造成總干渠局部渠段加大水位有所抬高，經(jīng)復(fù)核，對(duì)影響渠段內(nèi)的渠道超高和建筑物結(jié)構(gòu)影響很小，仍能滿足要求。

［1］武漢水利電力學(xué)院水力學(xué)教研室.水力計(jì)算手冊(cè)［K］.北京：水利電力出版社，1983.

［2］吳持恭.水力學(xué)（第二版）［M］.北京：高等教育出版社，1991.

［3］余際可，羅尚生，田文鐸.倒虹吸管（第二版）［M］.北京：水利電力出版社，1993.

［4］管楓年，洪仁濟(jì).涵洞（第二版）［M］.北京：水利電力出版社，1993.

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1672-9900（2011）01-0055-03

2010－12－22

王海峰（1971－），男（漢族），河北萬(wàn)全人，高級(jí)工程師，主要從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，（Tel）022－26154642。