左文濤 趙曉露 孫亮科 關(guān)宇飛

1 工程概況

余店河倒虹吸位于湖北省廣水市余店鎮(zhèn)，系鄂北水資源配置工程總干渠與余店河及其支流余家畈河交叉需要而設(shè)置，設(shè)計(jì)流量7.4m3/s。原設(shè)計(jì)起點(diǎn)樁號(hào)218+850，終點(diǎn)樁號(hào)219+220，全長370m。平面上圓弧及直線布置，與河道垂直交叉。

進(jìn)口段布置調(diào)整后起點(diǎn)樁號(hào)218+870，終點(diǎn)樁號(hào)219+220，全長350m，平面布置均位于直線段。

余店河倒虹吸分進(jìn)口段、管身段和出口段3個(gè)部分，進(jìn)口段設(shè)攔污柵，管身段為2.5m×3.0m單孔矩形鋼筋混凝土箱涵，出口段包括出口閘，消力池和出口漸變段。

倒虹吸進(jìn)口豎井及出口閘室段均位于基巖上，地基承載力滿足建筑物要求。倒虹吸管身段與豎井及出口閘室銜接斜管段部分地基土為壤土，采用局部挖除換填處理。倒虹吸管身段其它段基礎(chǔ)均為基巖，其承載力能滿足建筑物要求。

2 工程布置優(yōu)化

倒虹吸布置主要考慮因素首先是倒虹吸管盡量布設(shè)在地形、地質(zhì)條件較好的地段，減少設(shè)計(jì)及施工難度；其次是倒虹吸管軸線在平面上投影宜為直線，并盡量與溝道正交。原設(shè)計(jì)余店河倒虹吸位置，倒虹吸進(jìn)口段位于圓弧段，不利于設(shè)計(jì)及施工，故對進(jìn)口段布置進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后采用豎井式布置。倒虹吸進(jìn)口段長度縮短20m，避開圓弧段，整個(gè)倒虹吸軸線在平面上投影均為直線。

2.1 進(jìn)口連接段布置調(diào)整

2.1.1 原設(shè)計(jì)進(jìn)口連接段

原設(shè)計(jì)進(jìn)口段鄂北水資源配置工程干渠樁號(hào)范圍為218+850.000—218+880.000，其中218+850.000—218+869.060段為圓弧曲線段，轉(zhuǎn)彎半徑為150 m。

倒虹吸進(jìn)口連接段總長30.0m，由攔污柵段、漸變段及消力池段組成。具體布置圖如圖1所示。

圖1 原設(shè)計(jì)進(jìn)口連接段布置

攔污柵段為鋼筋混凝土U形槽結(jié)構(gòu)，長度為7.0m。底板頂高程為103.96m，攔污柵段中部設(shè)置固定式攔污柵，攔污柵柵條與水平夾角為80°。攔污柵段后接U形槽漸變段，漸變段長6.0m，底板頂高程為103.96m。漸變段后接消力池段。消力池段長14.0m，由4.0m長水平段，6.0m長陡坡段及4.0m長消力池段組成。消力池段后接倒虹吸管身段。

其中攔污柵段及漸變段均位于曲線部分，對于土建設(shè)計(jì)及施工，特別是攔污柵設(shè)計(jì)均較不利。

2.1.2 進(jìn)口連接段優(yōu)化布置

優(yōu)化設(shè)計(jì)后進(jìn)口段鄂北水資源配置工程干渠干渠樁號(hào)范圍為218+870.000—218+884.500，原屬于倒虹吸進(jìn)口段的鄂北干渠樁號(hào)范圍218+850.000—218+870.000段調(diào)整為余店河（張家灣）明渠段，轉(zhuǎn)彎半徑為150m。倒虹吸進(jìn)口連接段總長14.5m，由攔污柵段及豎井組成。具體布置圖如圖2所示。

圖2 優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)口連接段布置

攔污柵段為鋼筋混凝土U形槽結(jié)構(gòu)，孔口尺寸為3.8m×3.7m（寬×高），長度為7.0m，攔污柵段上游側(cè)銜接余店河（張家灣）明渠，明渠為矩形渠，底高程為103.96m。攔污柵段中部設(shè)置固定攔污柵，攔污柵柵條與水平夾角為80°。

豎井截面為矩形斷面，孔口尺寸為5.5m×3.8m，底板及壁厚為1.0m，上游側(cè)孔口尺寸3.8m×3.7m，與攔污柵段銜接。下游側(cè)孔口尺寸3.0m×2.5m，與倒虹吸管身段銜接。

2.2 水頭損失復(fù)核

2.2.1 計(jì)算原則

根據(jù)鄂北水資源配置工程總干渠水頭分配成果，按倒虹吸的總水頭損失控制在0.24m以內(nèi)設(shè)計(jì)?？偹^損失只計(jì)算進(jìn)口連接段上游至出口連接段下游的水頭損失。

2.2.2 基本計(jì)算公式

式中 Q——過水流量，m3/s；

ω——過流斷面，m3；

Z——進(jìn)出口水位差，即總水頭損失，m；

μ——流量系數(shù)，無因次量，與管內(nèi)沿程摩擦損失及局部阻力損失有關(guān)；

ξf——沿程阻力系數(shù)；

Σξj——局部阻力系數(shù)之和；

L——全長；

R——水力半徑；

hf——沿程水頭損失，m

hj——局部水頭損頭，m；

v——管內(nèi)平均流速，m/s；

g——重力加速度，m/s2。

夯實(shí)水泥土樁地基技術(shù)的特點(diǎn)包括：（1）夯實(shí)水泥土樁地基技術(shù)具有較大的承載力，有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和強(qiáng)度，可以承受較大的荷載；（2）夯實(shí)水泥土樁地基技術(shù)具有一定的壓縮性，可以降低施工材料的使用效率，對材料的要求較低且便于就地取材，大大節(jié)省了材料的采購成本和運(yùn)輸成本；（3）夯實(shí)水泥土樁地基技術(shù)在施工過程中，對機(jī)械設(shè)備與輔助工具的要求不高，工程施工的具體操作方法比較便捷簡單，并且具有施工效率高與施工成本低優(yōu)勢[2]。

2.2.3 計(jì)算管道沿程及局部水頭損失

2.2.3.1 沿程水頭損失

式中 L——管長，m；

R——水力半徑，m；

V——管內(nèi)流速，m；

C——謝才系數(shù)；

n——管道糙率，取n=0.015；

2.2.3.2 局部水頭損失

式中 ξ進(jìn)口——進(jìn)水口的水頭損失系數(shù)，取ξ進(jìn)口=1.0；

ξ攔柵——攔污柵損失系數(shù)，ξ攔柵=1.5；

ξ出口——出水口的水頭損失系數(shù)，經(jīng)計(jì)算ξ出口＝1.0；

ξ彎折——彎折處的損失系數(shù)，ξ彎折=1.1。

倒虹吸水頭損失見表1，進(jìn)口段調(diào)整后水頭損失滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 倒虹吸水頭損失計(jì)算表

3 管身段壁厚優(yōu)化

倒虹吸管身段埋深在3.0～8.0m之間，根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算及抗沖、抗浮計(jì)算成果，對倒虹吸管身段壁厚優(yōu)化，壁厚由60cm調(diào)整為45cm。

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

倒虹吸管身段原設(shè)計(jì)為2.5m×3.0m單孔矩形鋼筋混凝土箱涵，管身段長312m，采用C25鋼筋混凝土（二級配）矩形箱涵，管身壁厚均0.6m，底板最低高程92.27m。根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算及抗浮計(jì)算成果，倒虹吸管身段壁厚優(yōu)化，壁厚調(diào)整為45cm。

倒虹吸進(jìn)口調(diào)整后，倒虹吸管身段長307.5m，其中上游斜坡段51.04m，平管段長198.46m，下游斜坡段長58.00m。C25鋼筋混凝土（二級配）矩形箱涵，管身壁厚均為45cm。管身段橫斷面圖如圖3所示。

圖3 管身段橫斷面圖

3.1.1 計(jì)算條件

倒虹吸埋深在3.0～8.0m之間。計(jì)算斷面處校核洪水狀況下管身段頂以上水深為10.16m。

3.1.2 計(jì)算工況及荷載組合

本次計(jì)算選取的計(jì)算工況主要有：

（1）工況1：基本組合，運(yùn)行工況，自重+土壓力+內(nèi)水壓力+外水壓力；

（2）工況2：基本組合，檢修工況，自重+土壓力+外水壓力。

3.1.3 計(jì)算方法

管身段結(jié)構(gòu)計(jì)算采用結(jié)構(gòu)的邊值問題及數(shù)值解法，簡化為非線性常微分方程組的邊值問題，采用初參數(shù)數(shù)值解法，并結(jié)合結(jié)構(gòu)的型式及荷載特點(diǎn)，以計(jì)算結(jié)構(gòu)在各主動(dòng)荷載及其組合作用下的內(nèi)力、位移及抗力分布。

3.1.4 計(jì)算結(jié)果

綜合考慮結(jié)構(gòu)運(yùn)行工況及檢修工況下的受力特征，分別對管身段底板、側(cè)墻進(jìn)行配筋計(jì)算，并對構(gòu)件典型斷面上的裂縫寬度進(jìn)行驗(yàn)算。計(jì)算結(jié)果見表2。管身段結(jié)構(gòu)長期處于水下，為二類環(huán)境條件，最大裂縫寬度允許值0.30mm，經(jīng)計(jì)算，各部位裂縫寬度均能滿足限裂要求。

表2 管身段結(jié)構(gòu)配筋及裂縫驗(yàn)算成果表

3.2 抗沖刷計(jì)算

余店河及支流余家畈河河床以壤土夾礫石、碎石為主，倒虹吸管身段沖刷的一般沖刷計(jì)算應(yīng)用較廣泛的為JTGC30—2015《公路工程水文勘測設(shè)計(jì)規(guī)范》64-1修正式。64-1修正式是根據(jù)輸沙平衡原理建立的公式，計(jì)算形式為：

式中 hp——橋下河床一般沖刷后最大水深，m；

Ad——單寬集中系數(shù)；

Q2——橋下河槽部分通過的設(shè)計(jì)流最，m3/s；

μ——水流側(cè)向收縮系數(shù)；

Bcj——橋下河槽部分河道過水凈寬，m；

hcm——橋下河槽最大水深，m；

hcq——橋下河槽平均水深，m；

E——與含沙量相關(guān)系數(shù)，此處取0.66；

根據(jù)SL482—2011《灌溉與排水渠系建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》，地埋式倒虹吸管穿越河流時(shí)應(yīng)埋入設(shè)計(jì)洪水沖刷線以下0.5m，此處最小覆土深度不應(yīng)小于2.86m。本工程倒虹吸管身段管頂以上回填最小覆土深度3.0m，滿足沖刷深度要求。

3.3 抗浮計(jì)算

進(jìn)行倒虹吸抗浮計(jì)算時(shí)，選取水位最高、管內(nèi)無水的工況?？垢》€(wěn)定安全計(jì)算公式：

式中 kc——計(jì)算的抗浮安全系數(shù)；

G——管身結(jié)構(gòu)自重；

GE——上部回填料自重；

GW——管內(nèi)水重；

W——作用于管段的浮托力。

抗浮計(jì)算結(jié)果表明管身段自身重力即可以滿足1.10的抗浮安全系數(shù)，余店河倒虹吸管身段管頂以上最小覆土深度3.0m，滿足抗浮要求。

4 結(jié)語

本文主要為余店河倒虹吸進(jìn)口段布置優(yōu)化及倒虹吸管身段壁厚調(diào)整。經(jīng)水力學(xué)計(jì)算和結(jié)構(gòu)計(jì)算、沖刷計(jì)算、抗浮計(jì)算等驗(yàn)證優(yōu)化成果是合理、可行的。通過布置及結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，可降低工程施工難度，減少工程投資，進(jìn)一步加快工程進(jìn)度，有利于盡快發(fā)揮工程效益。