南水北調中線工程京石段廠城渠道倒虹吸設計

王海峰

（河北省水利水電勘測設計研究院，天津 300250）

南水北調中線工程京石段廠城渠道倒虹吸設計

王海峰

（河北省水利水電勘測設計研究院，天津 300250）

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

南水北調中線；廠城；渠道倒虹吸；設計

1 工程概況

南水北調中線京石段應急供水工程總干渠與112國道在河北省易縣廠城村南150m處相交，總干渠與112國道交叉處原采用交通橋型式跨越總干渠。112國道是貫穿易縣的交通大動脈，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施，導致廠城橋工程建設不能進行。鑒于112國道與總干渠交叉存在的問題及特殊性，經分析和綜合比選，確定在橋址處新建廠城渠道倒虹吸下穿112國道。廠城渠道倒虹吸現已建設完成并通水運行。

2 工程規模

南水北調中線工程與112國道交叉處渠段設計流量60m3/s，加大流量70m3/s。在原設計水頭分配指標不變的條件下，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國道后，對原設計過流量有一定影響。由于該渠段位于南水北調中線工程總干渠尾部，若減少過流能力，將對北京市供水產生影響，因此在不影響下游渠段過流能力條件下擬定設計方案：即倒虹吸工程設計流量為60m3/s，加大流量70m3/s。

3 工程地質

廠城倒虹吸位于太行山東麓北易水左岸二級階地，地貌屬丘陵與平原的過渡帶，地勢開闊平坦。建筑物區地層屬土巖多層結構，由上至下分別為黃土狀壤土、粗砂、卵石和閃長巖。工程區地震動峰值加速度為0.10g，相當于地震基本烈度7度區。

建筑物區含水層分為孔隙潛水及基巖裂隙水兩類。孔隙水埋藏于粗砂及卵石層中，層厚7～10m，地下水位隨季節變化，受大氣降雨及上游徑流補給，鉆探期間地下水位高程最高53.3m。粗砂層滲透系數60m/d，卵石層滲透系數120m/d。

4 倒虹吸方案確定

南水北調中線工程與112國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。根據總干渠與112國道交叉位置及上下游建筑物關系，對延長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國道兩個方案進行比選。

4.1 延長北易水渠道倒虹吸

廠城橋址西南410m處為北易水渠道倒虹吸工程，已建設完成。結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節斜管末端開始，新建水平管585m后穿越112國道，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

由于延長北易水渠道倒虹吸方案需拆除425.1m長的渠道，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國道。該方案只在路渠交叉位置下部布設75m長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用等幾個方面對延長和新建倒虹吸方案進行綜合比選。如表1所示。

表1 渠道倒虹吸方案比較表

從表1可以看出，延長方案工程量和總投資大于新建方案，延長方案新增占用設計水頭也大于新建方案，對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用看，延長方案不增加該段建筑物的數量，工程的調度運用基本不變，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國道。

5 建筑物長度及型式確定

5.1 建筑物長度

112國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。總干渠與112國道呈54°斜交布置，在總干渠軸線不變的情況下，若減少建筑物的長度，只能調整公路路線使之與總干渠垂直或小角度交叉布置，而調整公路路線需新增占地，尤其靠近縣城實施難度大且投資高。因此，保持112國道路線不變。

現狀公路界寬（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。又臨近的北易水高標準洪水行洪時，有部分洪水漫溢從該口門處通過，在口門兩側需要適當護砌。綜合考慮，水平管段布置75m。通過水力計算，確定進出口漸變段分別取40m和45m，加上管身進出口各10m長的檢修閘，廠城渠道倒虹吸工程總長292m。

5.2 建筑物結構型式選擇

廠城渠道倒虹吸管身采用箱形鋼筋混凝土結構型式，進出口段采用直線扭曲面漸變型式。

為滿足管身檢修要求，在進出口均設置了檢修閘，為開敞式結構。廠城渠道倒虹吸下游13.8km處為墳莊河節制閘，設計水位為62.088m，而廠城渠道倒虹吸進出口管頂高程分別為61.137m和61.833m，均低于下游節制閘的設計水位。在總干渠定水位運行情況下，可以保證過任何流量時倒虹吸管進出口處于淹沒狀態。

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，考慮管內外溫差、抗凍、結構抗震等要求，結合公路超載現狀和滿足兩側斜管抗滑穩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計

6.1 工程布置

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

進、出口漸變段長40m和45m，底板與翼墻為分離式鋼筋混凝土結構。兩側翼墻采用直線扭曲面，由貼坡式擋墻漸變為直立半重力式擋墻。

進、出口檢修閘閘室長10m，采用開敞式鋼筋混凝土整體結構，閘室孔數、凈寬均與倒虹吸管身相同。閘室設2扇疊梁式檢修鋼閘門，采用1臺移動式電動葫蘆啟閉。

管身段長187m，由進口斜管段、進口水平段和出口斜管段三部分組成。管身為兩孔一聯的鋼筋混凝土箱形結構，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。管身軸線方向設置變形縫，管節長14～15m。

6.2 水力設計及渠段水流影響

廠城渠道倒虹吸的水力設計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，計算倒虹吸所需的水頭，并對影響的渠段進行分析。

在保證該渠段設計和加大流量不變的情況下，推求過加大流量下的水頭差，確定倒虹吸進口的水位。經計算，廠城渠道倒虹吸過加大流量70m3/s時，需0.080m水頭差。由于原有的292m渠道設計水頭為0.012m，因此實際新增設計水頭為0.068m。

總干渠與112國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建成，不可能再重新進行水頭的調整分配。廠城渠道倒虹吸新增加的水頭會對總干渠水面線產生影響，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計中的設計參數。

6.2.1 設計流量水面線推算

新建廠城渠道倒虹吸位于北易水節制閘至墳莊河節制閘渠段內，新增加設計水頭0.068m。通過復核本渠段和上游幾個渠段的渠道及建筑物設計斷面實際耗用設計水頭，與原初設分配的設計水頭進行對比，分析原初設分配的設計水頭的富余量是否滿足新建廠城倒虹吸新增的水頭。經核算，由釜山隧洞進口推算至廠城渠道倒虹吸富余水頭共計0.073m，可滿足廠城倒虹吸設計新增加的水頭。

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

表2 新建廠城倒虹吸后設計水面線成果表

由設計水面線計算成果可知，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，渠段長度為30.384km，其中，影響渠段內的瀑河節制閘和北易水節制閘按調整后的水位進行調度運用。

6.2.2 加大流量水面線推算

渠道是在設計流量下按明渠均勻流確定過水斷面，建筑物除倒虹吸按加大流量確定過水斷面外，其他明流建筑物按設計流量確定過水斷面。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，以倒虹吸出口位置的原渠道加大水位為起調水位，向上游進行加大流量水面線的計算。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，渠段長度為22.567km。

6.2.2.1 加大水面線抬高對渠道和隧洞超高影響分析

京石段應急供水工程渠道堤頂或一級馬道高程由內水控制時，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，洞內加大水位較原初設加大水位抬高5cm，未超過拱腳，洞內凈空面積、高度仍滿足規范要求。

6.2.2.2 加大水面線抬高對建筑物結構影響分析

加大水面線抬高后對上游渠道、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構配筋影響很小，仍能滿足要求。

6.3 倒虹吸管結構設計

倒虹吸管荷載主要包括結構自重、土壓力、內水壓力、外水壓力和地震荷載等。倒虹吸管穿越112國道，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JTG D60—2004《公路橋涵設計通用規范》進行土層厚度折算。

倒虹吸管身內力計算采用《多孔涵洞內力的有限元法分析及配筋計算程序》，計算時假定底板為彈性地基梁，側墻、頂板和底板視為一維單元，應用桿件系統有限元法進行內力分析。在管身內力計算的基礎上，對管身結構進行強度和裂縫開展寬度計算，管身在合理配筋條件下，均滿足強度和裂縫開展寬度計算。

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，勢必造成居民用水的困難和對周圍已有建筑物的影響。綜合分析并結合京石段中易水、北易水倒虹吸基坑排水經驗，廠城倒虹吸基坑采用高噴防滲墻結合排水的方式。

8 結語

南水北調中線總干渠與112國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國道，經分析比選確定了設計方案。

通過復核本渠段和上游幾個渠段的渠道及建筑物設計斷面實際耗用的設計水頭，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，經復核，對影響渠段內的渠道超高和建筑物結構影響很小，仍能滿足要求。

［1］武漢水利電力學院水力學教研室.水力計算手冊［K］.北京：水利電力出版社，1983.

［2］吳持恭.水力學（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.涵洞（第二版）［M］.北京：水利電力出版社，1993.

TV222

A

1672-9900（2011）01-0055-03

2010－12－22

王海峰（1971－），男（漢族），河北萬全人，高級工程師，主要從事水工結構設計工作，（Tel）022－26154642。