南水北調中線一期工程北汝河倒虹吸布置設計

□吳 迪（河南建筑職業技術學院）□祁建華（南水北調中線建管局河南直管局）

1.工程概況

北汝河倒虹吸位于河南省寶豐縣東北大邊莊與郟縣渣園鄉朱莊村之間，北汝河上，是南水北調中線總干渠沙河南-黃河南渠段穿越北汝河干流的大型河渠交叉建筑物,總長1282 m。工程主要建筑物從進口至出口依次為:進口漸變段、退水閘及過渡段、進口檢修閘、倒虹吸管身、出口節制閘(檢修閘)、出口漸變段。

根據南水北調中線一期工程總體設計,本工程設計輸水流量為315 m3/s,加大輸水流量為375 m3/s，設計水頭0.5 m。

北汝河渠道倒虹吸屬大型河渠交叉建筑物。工程防洪標準按100 a一遇洪水設計,300 a一遇洪水校核。北汝河天然洪水特性見表1。

表1 北汝河天然洪水特性表

工程場區為河谷地貌形態，地形較為寬闊平緩，北汝河自西向東流經本區，河道坡降2‰左右。河谷呈寬淺型，由于河流側向侵蝕，河床由北向南遷移，兩側不對稱。河流右岸為二級階地，岸坡較陡；左岸為一級階地，岸坡平緩。

河床寬淺，地面高程113.4～116.2 m，寬度70～120 m，枯水期水面寬30～40 m，水深0.6～1.2 m；漫灘兩岸不對稱，主要發育在左岸，寬度300～500 m，地面高程115.5～118.4 m。一級階地分布于左岸，地形較為平緩，高程118.5～119.5 m；二級階地分布于右岸，地形平坦，高程120.0～121.3 m，階地前緣由第四系土層及上第三系礫巖構成岸坡，坡高3～5 m。

2.工程總體布置設計

2.1 建筑物軸線選擇

選擇建筑物軸線時，要結合建筑物工程區的地質條件、地形條件、河勢以及建筑物的布置形式等，同時受到總干渠布置因素的影響。

北汝河河段越往上游河道越寬闊，高線方案建筑物長度較低線方案長很多，同時為確保總干渠水質，盡量減少交叉河流對干渠水質的影響，對集流面積較大、污染較重的河流交叉建筑物一律改為立交方式，采用低線方案，地勢開闊，建筑物同上、下游渠道連接平順，避開了人口稠密的村鎮，地質條件滿足要求。經綜合比較,選擇了現定的軸線。

2.2 河渠交叉建筑物型式選擇

河渠交叉建筑物主要有暗渠、梁式渡槽、涵洞式渡槽、渠道倒虹吸、河道倒虹吸、排洪渡槽、排洪涵洞等多種型式,主要從河渠水位、流量的相互關系及安全運行等方面進行分析選擇。

總干渠穿越北汝河交叉斷面處總干渠渠道設計水位128.76～128.26 m，渠底高程121.76～121.26 m；天然河道百年一遇洪水位為122.11 m，三百年一遇洪水位為122.45 m，河床底高程113.4～116.2 m，寬度70～120 m；漫灘在兩岸分布不對稱，主要發育在左岸，寬度300～500 m，地面高程115.5～118.4 m；一級階地分布于左岸，階面寬度400 m，地面高程118.5～119.5 m。根據上述總干渠及河道的特征值高程關系，本次從以下三方面對交叉建筑物型式做了進一步復核。

首先，從河渠水位相對關系分析，若采用涵洞式渡槽，涵洞頂板1.2 m，主河槽段涵洞凈高6.6 m，涵洞漫灘段最大凈高5.1～2.1m，一級階地涵洞凈高不足2.0m，且交叉建筑物上游控制流域面積大，河道上游受人類活動影響，水流上部漂浮物多，很容易使涵洞發生淤堵，對工程安全造成嚴重影響。另外，由于涵洞式渡槽右邊兩聯是大量開挖后修建而成，涵洞底板低于原地面4～5m，正常過流情況下，底部很容易產生淤積，將進一步減小過流斷面面積，建筑物上游易造成大量壅水，建筑物整體穩定性難以保證。

其次，從流量關系分析，總干渠設計流量為315m3/s，加大設計流量為375m3/s，河道100年一遇設計洪峰流量為9220m3/s，300年一遇校核洪峰流量為11800m3/s，渠道流量遠小于河道洪峰流量，交叉建筑物可采用渠道倒虹吸符合“小流量穿大流量”的原則。

再次，從安全運行分析，渠道倒虹吸口門為開敞式寬頂堰型式，其超泄能力遠大于有孔口限制的河倒虹及涵洞的過流能力，而且不必擔心小流量時的淤積問題，其安全性能遠大于河倒虹及涵洞式渡槽。

綜合以上分析，確定南水北調中線總干渠穿越北汝河的交叉建筑物采用渠道倒虹吸（見圖1）。

圖1 建筑物布置及結構示意圖

2.3 建筑物長度選擇

渠道倒虹吸的建筑物長度主要取決于預留河道行洪口門寬度。在初步設計階段，根據水力計算及調洪演算結果，擬定北汝河行洪口門底寬650 m倒虹方案,河床因人為因素的影響發生了變化，行洪寬度2 km左右，這樣縮窄行洪寬度較多，20年一遇洪水主槽水位壅高0.21 m，左岸灘地最大壅高1.10 m，淹沒的范圍、水深和滯蓄時間明顯增加，尤其對上游村莊安全影響較大。結合治理規劃調整建筑物布置方案，倒虹吸進口位置保持不變，出口向后延伸300 m，河道口門底寬950 m，擴大行洪寬度，滿足河道行洪及上游村莊安全。

最終確定倒虹吸管身段水平投影長度為1143 m，其中平管段950 m，進口斜管段和出口斜管段分別為90 m和103 m。包括進出口漸變段和閘室段的建筑物水平投影總長度為1282 m。

3.倒虹吸管布置及型式選擇

3.1 倒虹吸埋深方案

倒虹吸管頂的埋置深度或管頂高程，主要取決于布置建筑物后河床的沖刷情況。不同的埋置深度，直接影響到建筑物的結構尺寸和投資，因此口門沖刷深度是影響建筑物布置的重要因素，同時河道沖刷情況也是影響倒虹吸建筑物長度的重要因素。倒虹吸埋深應從河道沖刷、工程地質條件及工程安全性等幾方面綜合考慮確定。

河道沖刷計算一般可不考慮局部沖刷問題，只考慮河道的一般沖刷。由地質勘察報告可知，交叉斷面處河床表層為砂卵石，厚度4.5～7 m，其下為礫巖和粘土巖。工程建成后，管頂以上以砂卵石回填，因此河道一般沖刷深度按非粘性土公式計算。

根據渠道倒虹吸技術規定，管頂應埋置在河道校核洪水沖刷線以下≥0.5 m，河底高程114.0 m，綜合沖刷計算及水工模型試驗的結果，管頂高程確定為109.5 m，管頂埋深4.5 m。

3.2 倒虹吸管型式

倒虹吸管身常用的斷面型式有：圓形、箱形和直墻正反拱形。圓形管道與同樣過水面積的箱形、拱形管道相比，其濕周小，水流摩阻力小、水流條件好、過水能力大，但其施工較為復雜，模板制作安裝的難度大，施工周期長，尤其多孔排列施工難度大。直墻正反拱形管道的頂拱與底拱在施工中與圓形管道存在同樣的問題，而且對溫度變化及不均勻沉陷非常敏感。箱形斷面結構形式簡單，在低水頭、大流量的倒虹設計中應用較為廣泛，而且施工方便，施工質量能夠保證，利于檢修、清淤。由于以上原因，北汝河倒虹吸管身斷面型式選用箱形。

3.3 倒虹吸孔數與高寬比比選

初步設計階段將管身孔數分為6孔、5孔、4孔3種方案進行了孔口尺寸及結構尺寸的比選計算，并進行了3種方案管身段工程量的比較。

從不同孔數工程量表中可以看出，不同孔徑、孔數及結構尺寸的箱形斷面管身，孔數越少總體工程量越小，工程投資也越少。北汝河渠倒虹吸管身基礎為砂巖、砂礫巖基礎，縱向每15m設一沉陷縫，與其相比，橫向尺寸不宜過大，并且北汝河屬常年有水河流，河床上層砂卵石透水性強，倒虹基礎已穿透承壓水層，因此基坑開挖的排水任務大，從這個角度講，管身應采用較小的孔高以減小基坑的挖深；考慮工程投資、地質情況及管身布置等因素，管身斷面選用4孔兩聯，單孔寬7.0 m，孔高6.95 m，見表2。

表2 不同孔數工程量表

4.結語

北汝河渠道倒虹吸渠線長,建筑物工程量大,設計方案比選與優化尤為重要。為此,在工程方案優選及設計優化方面,要充分考慮總干渠總體最優的原則,結合交叉斷面處的水文、地形地質條件、從河渠水位相對關系、流量關系、安全運行、施工方便等各方面綜合進行分析和選擇，從而確定倒虹吸的軸線、河渠交叉型式及長度、管身埋深、孔數等。