南水北調中線河（渠）渠交叉工程主要類型及渡槽類總體布置原則

陳衛國

（河北省水利水電勘測設計研究院，天津 300250）

1 南水北調中線工程概況

南水北調中線工程是一項跨流域、跨省市的特大型水利工程，是優化我國水資源配置、關系實現全面建設小康社會宏偉目標的重大基礎性戰略工程，對國民經濟全局和中華民族的長遠發展具有重大而深遠的意義。南水北調中線工程南起湖北省丹江口水庫、北至北京市頤和園的團城湖，輸水總干渠全長1275km，其中河北省渠段由冀豫交界處的漳河北始至冀京邊界處的北拒馬河中支南止，全長464.037km。南水北調中線一期工程年均調水規模為95億m3。該工程不僅有效緩解京津和華北地區的缺水狀況，而且改善了區域生態環境，支撐受水區國民經濟和社會可持續發展，惠及子孫后代。

2 渠道建筑物主要類型

為保障總干渠安全輸水，防止水質污染，提高供水保證率，便于運行管理，總干渠與沿途河流、灌渠、鐵路、公路的交叉工程全部采用立交布置。因此，渠道需布置和采用的建筑物包括：控制工程、河渠交叉大型工程、隧洞工程、左岸排水工程、渠渠交叉工程、公路交叉工程和鐵路交叉工程7種類型。

2.1 控制工程

控制工程是指控制渠道運行的建筑物，包括節制閘、退水閘和分水口門。

2.2 河渠交叉工程

交叉斷面以上流域面積大于等于20km2的天然河道與總干渠的交叉建筑物為河渠交叉大型工程（簡稱河渠交叉工程）。

河渠交叉建筑物型式分為：梁式渡槽、涵洞式渡槽、渠道倒虹吸、渠道暗渠、排洪涵洞、排洪渡槽、河道倒虹吸7種。前4種為渠穿河型式，需消耗總干渠水頭；后3種為河穿渠型式，不消耗總干渠水頭。

2.3 隧洞工程

總干渠經過山體時，經繞山和穿山線路方案比選后，采用穿山方案時，均采用隧洞工程。

2.4 跨（穿）渠排水工程（左岸排水工程）

交叉斷面以上流域面積小于20km2的天然河道及無天然河溝的坡水區，與總干渠的交叉建筑物其規模一般偏小，為河渠交叉小型工程，因此一般按照跨渠排水建筑物設計。

穿南水北調總干渠的河流一般由總干渠的左側流向右側，故跨渠建筑物亦稱左岸排水建筑物。左岸排水工程分為排水渡槽、排水涵洞和排水倒虹吸，也有極少個別地段為右岸排水建筑物。

左岸排水建筑物的型式根據河溝底高程、洪水位與總干渠底高程和渠水位的關系，共分4類：排洪槽類、河道倒虹吸類、排洪涵洞類、入渠類。

2.5 渠渠交叉工程

總干渠與灌溉渠道的交叉建筑物為渠渠交叉工程。

渠渠交叉工程分為灌渠渡槽、灌渠涵洞（管）和灌渠倒虹吸。中線總干渠與石津灌區總干渠、沙河灌區總干渠的交叉工程規模較大，歸入河渠交叉工程內，前者稱為石津渠暗渠，后者并入孟良河渠道倒虹吸工程。

2.6 公路交叉工程

總干渠與公路的交叉建筑物稱為公路交叉工程。

2.7 鐵路交叉工程

總干渠與鐵路的交叉建筑物稱為鐵路交叉工程。

本渠段共布設總干渠交叉建筑物334座，其中：控制建筑物37座，河渠交叉建筑物23座，隧洞7座，左岸排水建筑物105座，渠渠交叉建筑物29座，公路交叉建筑物131座，鐵路交叉建筑物2座。

本文主要介紹河渠交叉工程、跨渠排水工程和渠渠交叉工程3類水利工程的具體分類原則和使用條件，并且重點論述渡槽工程的具體總體設計原則。

3 河（渠）渠交叉建筑物主要類型及適用條件

3.1 渠穿河交叉建筑物主要類型

當河道100a一遇洪峰流量較大時，可采用大型渠穿河交叉方式，即采用渠道建筑物型式來穿越，并按以下條件選擇建筑物型式：

（1）梁式渡槽

總干渠渠道設計水位高于河道設計洪水位，且渡槽梁底高程高于河道校核洪水位0.5m以上。

（2）涵洞式渡槽

總干渠渠道設計水位雖高于河道設計洪水位，但凈空不能滿足河道明流泄洪要求；槽身部分擋水，擋水高度應滿足上游淹沒限制和建筑物本身安全條件。

（3）渠道暗渠

河道底高程高于渠道設計水位，渠水可呈無壓流狀態從河底以下穿過，且通過加大流量時的凈空不小于0.5m。

（4）渠道倒虹吸

當河渠相互水位關系及建筑物布置條件不適于上述3種型式時采用。

結合每一座河渠交叉建筑物的地形、水位條件，進行了不同穿越方式的比較，經過技術經濟合理性分析論證?？偢汕膊贾煤忧徊娼ㄖ?3座。其中梁式渡槽3座、渠道倒虹吸16座、暗渠2座、排洪涵洞2座。

3.2 河穿渠交叉排水建筑物主要類型

當河道100a一遇洪峰流量較小時，可采用河穿渠交叉方式，即采用修建河道建筑物來穿越交叉。具體型式主要是根據河溝的底部高程、洪水位與總干渠的底部高程、渠水位的相互關系，在河道倒虹吸、排洪涵洞和排洪槽（跨渠渡槽）3種型式中選擇：

（1）排洪渡槽：河道底高程高于總干渠渠道加大水位以上0.5m者，擬定為上排水，即排水渡槽（也稱排洪渡槽）；

（2）排洪涵洞：當河溝底部高程較低，河道校核洪水位位于總干渠渠底高程0.5m以下者可建排洪涵洞；

（3）排洪倒虹吸：當河溝底部高程在總干渠渠底附近或位于總干渠渠底與加大水位之間時，可建排洪倒虹吸（也稱河道倒虹吸）。

總干渠左岸排水建筑物 （包括右岸排水的白蓮峪排水倒虹吸）共105座，其中排水渡槽22座，排水涵洞18座，排水倒虹吸65座。

3.3 渠渠交叉建筑物主要類型

總干渠與原有灌溉渠道交叉時，需要修建渠渠交叉建筑物來穿越總干渠。穿越型式均采用灌溉渠道穿總干渠的交叉型式，以節約總干渠寶貴的水頭。

對于灌溉渠道設計流量大于0.8m3/s者，單獨布設渠渠交叉建筑物；小于0.8m3/s者，可多條渠道合并后，選擇合適位置布設渠渠交叉建筑物。

渠渠交叉建筑物長度根據總干渠上開口寬度確定。

結構型式分為灌渠渡槽、灌渠涵洞和灌渠倒虹吸3種。主要依據灌溉渠道設計水位、渠底高程和總干渠設計水位、渠底高程之間的關系確定。

（1）灌渠渡槽：當灌溉渠道底高程高于總干渠加大水位且兩者之間的凈距滿足總干渠過流要求時，交叉型式采用渡槽；

（2）灌渠涵洞：當灌溉渠道設計水位低于總干渠渠底高程且兩者之間的凈距滿足凈空要求時，交叉型式采用涵洞；

（3）灌渠倒虹吸：當不滿足前面兩條件時，則采用倒虹吸。

總干渠調整后共設有渠渠交叉建筑物29座。其中灌渠渡槽16座、灌渠涵洞2座、灌渠倒虹吸11座。

4 總干渠渡槽、排水渡槽、灌渠渡槽的總體設計布置原則

4.1 總干渠渡槽工程

4.1.1 總體布置原則

為提高運行的可靠性，同時考慮檢修方便，槽身宜選擇多槽方案。根據流量要求和槽身受力合理性，一般以雙槽一聯或者三槽一聯。

4.1.2 選址

渡槽中心線及槽身起止點位置一般由渠道總體設計中確定。

（1）新槽址在地質條件、地形條件方面具有明顯優勢；在滿足河道行洪條件及渡槽使用條件情況下，槽身長度較短。

（2）新槽址河床穩定、水流順直，且軸線與水流方向正交。

（3）渡槽與上、下游渠道的連接，在平面上應成直線。

4.1.3 建筑物長度確定

（1）渡槽長度和跨度的確定應在不對河流防洪排澇造成大影響的前提下，盡量減少工程量。

（2）須進行不同槽長的方案進行調洪演算，求出各有關頻率洪水對應的河道最高洪水位，通過對當地防洪排澇的影響和工程投資對比分析論證后確定渡槽長度和跨度。一般渡槽上游20a一遇洪水最高水位壅高值宜控制在0.3m以內。

（3）渡槽中墩和邊墩臨水側應以有利于河道行洪為布置原則，邊墩要滿足渡槽承重及擋土要求。

4.1.4 進出口建筑物的結構型式和布置

進出口建筑物包括進出口漸變段、槽跨結構與兩岸渠道的連接建筑物（槽臺、擋土墻等）、檢修閘，有的還需設置節制閘、退水閘、交通橋等。

4.1.5 進出口漸變段及連接段

漸變段使水流在渠道與渡槽之間實現平順過渡。漸變段與槽身相連的一端，近于直立，宜采用鋼筋混凝土擋土墻。

漸變段與槽身段之間可根據需要設連接段，以布置交通橋、節制閘、檢修閘。連接段過水斷面尺寸同渡槽槽身，因渡槽中墻與閘室段中墩厚度不同，其中墻和側墻厚度采用漸變型式，長度應根據具體情況布置，一般取20～30m。

節制閘與退水閘應根據《總體設計》設置，如果總體設計中該渡槽無節制閘，可考慮留檢修門槽和中閘墩。一般來說，節制閘、檢修閘宜設在連接段，退水閘宜布置在進口漸變段之前。

連接段還應布置檢修門庫。在有凍脹的地區，漸變段、連接段側墻后應換填非凍脹類土。

4.1.6 槽跨結構與兩岸渠道的連接方式

（1）漸變段頂高程：由于總干渠渠堤低于渡槽側墻頂高程，漸變段頂高程應在二者之間實現平順過渡，但縱坡應不陡于交通要求；

（2）槽身與進出口閘室的連接型式：其連接形式主要決定于河道行洪斷面對邊坡的要求。若因修建渡槽影響河道行洪時，一般采用直立擋墻式連接；否則為減小工程量采用斜坡式，但要注意避免斜坡回填土對槽身側墻受力的影響。

若斜坡式連接段為回填段，或者為軟弱地基，應盡量控制好填方渠道的沉陷，做好防滲漏處理。有承載力要求的填土宜采用碎石土填筑，分層夯實，上部做好防滲和止水。填方渠道末端的錐體土坡不宜過陡，并進行砌石護坡，坡腳設排水溝以導滲和排水。

直立擋土墻式連接，一般擋墻高度較高，應采用換填法基礎處理，以滿足承載力和沉陷量要求，避免因沉陷造成撕破槽身止水。

4.1.7 槽身段的結構布置

槽跨段結構布置是渡槽設計的關鍵，主要包括選定槽跨段各組成部分（槽身、支承、基礎等）的結構型式、材料和跨度，擬定各組成部分的尺寸和高程。

（1）槽身段尾部宜設置集水井，以利檢修時排水。

（2）結構尺寸應通過多方案比較和結構應力分析，經過充分論證、優化才能最終確定。優化原則為在安全可靠、方便施工的前提下盡可能經濟、美觀。應進行不同跨度、不同結構形式的方案比較。

（3）渡槽的下部結構一般采用重力墩或排架與樁基礎或排架與剛性基礎組合在一起的型式。

（4）重力墩墩身截面形狀有多種型式，在選用時主要考慮水流特性，盡量減少墩旁河床的局部沖刷和水流壓力并使水流順暢通過槽孔，常用的截面形式有圓端型槽墩，即墩身截面為矩型，兩端各加一個半圓。

（5）樁群的布置可采用對稱型、梅花型或環型，樁和樁基的構造。

4.2 排水渡槽

4.2.1 排水渡槽類總體布置原則

（1）建筑物軸線應盡量與渠道軸線垂直，必要時可對河溝進行控導處理。在特殊情況下，建筑物軸線也可不與渠道軸線垂直，但排洪槽的墩的走向應與渠道軸線一致。

（2）建筑物進口不設攔污柵、工作閘門、檢修門，原則上不設沉沙池，必要時，排洪涵洞與倒虹吸進口可設攔大型漂浮物的排架。

（3）進出口一般可用圓弧翼墻、八字墻（統稱導墻）等與總干渠堤坡防護層連接，長度不宜太大；墻頂高程可根據總干渠外坡情況漸降，進出口一般不使用扭曲漸變段。

（4）當建筑物出口底高程高于下游河底時，可采用斜坡海漫向下游河床過渡，一般不采用跌水。

（5）出口發生急流或以陡槽過渡到下游河床時，應設消力池。

（6）排洪槽類和涵洞類排水建筑物有可能與跨渠交通通道結合，兼有交通功能的排水建筑物布置還應滿足相應規范的規定。

（7）建筑物過水斷面的確定應以常遇洪水（一般10a一遇，影響大的居民點按20a一遇）下不惡化當地防洪、除澇條件（一般壅高水位值控制在0.3m以內。經論證，在不造成危害或損失的情況下，壅高水位值還可考慮加大）為主要原則。同時，還要顧及發生設計洪水、校核洪水時的情況。

（8）相鄰河溝分水嶺不高時，可能發生串流現象，此時，要進行有關河溝的統一調洪計算。

4.2.2 排水渡槽縱向布置原則

（1）排洪槽的水力設計確定過水斷面，進出口段的設計按八字墻或圓弧翼墻考慮。

（2）縱梁底高程至渠道加大水位的凈空一般不小于0.5m，在有流冰的渠段，縱梁底應高于加大水位以上0.75m。

（3）總干渠一級馬道為管理維護交通通道，若交通通道在排洪槽下通過時，梁底應高于路面4m。若不滿足凈空要求時，應為交通通道另設跨槽公路橋并確定與一級馬道連通的方式。

（4）條件允許時，排洪槽宜適當增大縱向比降，以減小工程量。

（5）排洪槽的跨度要作技術經濟比較，宜采用較大的跨度。

（6）渠底寬范圍內要盡量不設或少設槽墩。處于渠道水流中的槽墩應盡可能減小厚度，并采用流線型墩頭。

（7）邊墩應置于一級馬道外側；一級馬道路面寬度內不布置槽墩。

4.2.3 排水渡槽橫向布置原則

（1）橫向尺寸的確定應以調洪計算的結果為依據，并對槽寬、槽深作方案比較。

（2）在通過200a一遇洪水時，槽身不發生漫溢。

（3）槽身一般按單線、單槽設計。個別水流條件限制，河道為寬淺型式，并考慮槽身受力條件，也可以布置雙槽或三槽。

（4）槽身橫向設拉桿時，拉桿底應高于加大水位。必要時可考慮溢流措施，以防止運行時滿槽水情況。

4.3 灌渠渡槽

4.3.1 灌渠渡槽總體布置原則

（1）確定建筑物斷面尺寸時，應盡量減少對原灌渠水面線銜接的影響。

（2）對渠渠交叉渡槽，建筑物軸線宜與總干渠軸線垂直，槽墩的走向應與總干渠軸線一致。對于渠渠交叉倒虹吸 (涵洞)，建筑物軸線宜與總干渠軸線垂直，兩端與原灌渠連接關系及聯接工程量進行方案比較。

（3）建筑物進口不設工作閘門、檢修門、攔污柵、沉沙池。

（4）進出口設置在總干渠堤坡腳外0.5m，一般可用圓弧翼墻、八字墻等型式。

（5）出口發生急流或以陡槽過渡到下游渠道時，應設消力池。

（6）建筑物過水斷面的確定應在滿足灌渠設計流量的前提下，以不對灌渠水面銜接產生過大影響為原則，選擇經濟合理的斷面。

4.3.2 灌渠渡槽縱向布置

（1）灌渠渡槽一般按梁式渡槽布置，進出口段一般采用八字墻或圓弧翼墻。

（2）縱梁底高程應不低于一級馬道或渠頂高程。

（3）總干渠一級馬道為管理維護交通通道，若交通通道在渠渠交叉渡槽下通過時，梁底應高于路面4.5m。當無法滿足時，應設跨槽公路橋或其它與一級馬道的連接通道。

（4）灌渠渡槽的跨度應作技術經濟比較，宜采用較大的跨度，并考慮橫向穩定的要求。

（5）總干渠渠底寬范圍和一級馬道寬度范圍內不設槽墩。處于渠道水流中的槽墩應盡可能減小厚度，并采用流線型墩頭。槽墩阻水面積不超過總干渠過水斷面面積的5%。

4.3.3 灌渠渡槽橫向布置

（1）渡槽槽身橫斷面宜采用矩型或U型。滿槽時槽內水深與水面寬度的比值矩型斷面可取用0.6～0.8；U型斷面可取用0.7～0.9。槽身過水斷面的平均流速宜控制為1～2m/s(當灌渠下游護砌良好的，流速可增大)。

（2）矩型斷面渡槽槽身側墻高度可取槽內設計水深的13/12加0.05m或槽內加大水深加0.1m中的大值；U型斷面渡槽可取槽身直徑的11/10或槽內加大水深加0.1m中的大值。

（3）槽身橫向設拉桿時，拉桿底不應低于滿足計算超高要求的側墻高。

5 結語

通過對南水北調中線大型跨流域調水工程進行設計實踐，總結了渠道建筑物設計要考慮的具體工程技術，從而深入研究了各類河渠交叉建筑物的使用條件。并且對渡槽工程的功能進行了詳細分類論證，對不同作用的渡槽設計原則進行了綜合性總結和論述，對我國渠道建筑物工程設計的發展和完善起到有利的推動作用。

［1］趙文華.渡槽［M］.北京：水利電力出版社，1989.

［2］朱和.渡槽的形式與抗震性能分析［J］.海河科技，1984，（1）.

［3］張際周.引灤橫河渡槽結構型式選擇及槽身結構計算方法［J］.海河科技，1989，（3）.