駟馬山灌區白河壩倒虹吸方案比選及工程設計研究

王芳佳

(江西省安瀾工程咨詢有限公司，江西 南昌 330001)

1 引言

倒虹吸是渠道工程穿越既有河道、建筑時常用的水工建筑物。倒虹吸修建完成后，可改變渠道水水流特性，使其按照設計方案流動，從而滿足用水需求[1-3]。灌區渠道工程是灌區的重要組成部分，其流經范圍廣、線路長，往往需要與河道、道路等形成交叉，為了保證灌區的覆蓋面積、節省工程投資，需采取倒虹吸等建筑[4-6]。結合駟馬山灌區工程，對倒虹吸工程方案比選和工程設計進行分析。

2 工程概況

滁河三級干渠續建及四級站出水段工程位于肥東縣境內， 建設項目包括三級干渠續建3.84 km、四級站出水段1.88 km 干渠及渠系建筑物。建筑物工程包括10 座橋梁、2座涵閘、2 個跌水及2 個倒虹吸。

3 倒虹吸方案比選

北河位于紅橋水庫下游，下泄水庫的洪水。三級干渠開挖后，渠道橫穿北河河道，為保證三級干渠正常輸水和北河順暢下泄洪水，必須在三級干渠與北河交叉處增建建筑物，協調渠道與河道的水流。

對于交叉河道，可以新建渡槽、倒虹吸涵洞和控制性水閘，均能協調河道水流，使交叉河道水流得以通過。各方案均有各自優缺點和適用條件。

三級干渠渠道與北河交叉于三級干渠樁號6+532 處，該處三級干渠設計渠底高程為27.80 m，該處北河河底現狀高程為28.00 m 左右，由于渠道和河道底高程相差不大，故該交叉處不宜做渡槽。

針對白河壩處地形情況，擬定連接三級干渠倒虹吸涵洞、連接北河倒虹吸涵洞和三級干渠渠道兩側進、泄洪閘3 種方案進行比較。

方案一:連接三級干渠倒虹吸涵洞方案。該方案通過在三級干渠渠道上新建穿越北河河底的倒虹吸涵洞。根據規劃條件，該處倒虹吸涵洞設計流量71.4 m3/s，涵洞洞身斷面尺寸為4.0 m×4.0 m×6 孔(寬×高×孔數)，洞身順水流方向投影長度88.0 m。根據規劃參數，三級干渠續建工程范圍內總水頭為0.3 m，經綜合比選確定，明渠利用水頭為0.05 m，剩余0.25 m 作為通過白河壩倒虹吸的水頭損失。為保證三級干渠堤頂交通道路暢通，增設跨北河交通橋一座，交通橋采用4跨布置，單跨長16.0 m，橋梁總長64.0 m，橋梁凈寬4.5 m。

方案二:連接北河倒虹吸涵洞方案。該方案通過在北河河道上新建穿越三級干渠渠底的倒虹吸涵洞。根據規劃條件，該處倒虹吸涵洞設計流量265.0 m3/s，涵洞洞身斷面尺寸為5.0 m×4.5 m×8 孔(寬×高×孔數)，洞身順水流方向投影長度72.0 m。

方案三:進、泄洪閘方案。該方案在三級干渠與北河交叉處的右側堤防上新建白河壩進洪閘，在三級干渠與北河交叉處左側堤防上新建白河壩泄洪閘。根據規劃條件，白河壩進洪閘設計流量265.0 m3/s，水閘單孔寬度為7.0 m，共5 孔，閘室垂直水流向總寬度41.0 m，順水流向寬度12.0 m;白河壩泄洪閘設計流量315.0 m3/s，水閘單孔寬度為7.0 m，共6 孔，閘室垂直水流向總寬度41.0 m，順水流向寬度12.0 m。

3 種方案優缺點見表1。3 種建設方案均能解決三級干渠與北河河道交叉存在的水流問題，但均存在各自的優缺點。

表1 場地主要巖土層的計算參數值表

表1 3 種建設方案特性及優缺點對比表

綜合比較上述3 種方案的利弊，同時結合三級干渠以輸水為主，盡可能降低對交叉天然河道的影響和被影響，綜合考慮，擬對白河壩與北河交叉處建設方案采用方案一，即新建連接三級干渠倒虹吸涵洞方案。

4 倒虹吸工程設計

白河壩倒虹吸位于三級干渠樁號6+488～6+576 處，洞身投影長度88.0 m，孔口尺寸為4.0 m×4.0 m×6 孔(b×h×孔數)。白河壩倒虹吸工程主要布置分為進口段、倒虹吸洞身段及涵洞出口段，具體布置如下:

1)進口段

為避免滲漏，倒虹吸管進口段的護坦和沉砂池均采用C25 鋼筋混凝土結構，其中護坦長15.0 m，寬28.5 m～34.3 m，底板高程27.80 m，護坦兩側設置翼墻，翼墻采用C25 鋼筋混凝土扶壁式結構，翼墻高度5.2 m～1.2 m。護坦前設沉砂池，沉砂池主體結構為C25 鋼筋混凝土矩形槽結構，池深1.5 m，順水流向池長15.0 m，其中水平段長9.0 m，斜坡段以1∶3 坡比與渠道底連接，垂直水流向寬度34.3 m，沉砂池底板厚0.4 m，下墊0.1 m 厚C15 素混凝土。

沉砂池主要設計參數按如下方式確定:

沉砂池長按下式計算:

式中:T沉砂池長，mm;D0管道內徑;δ管壁厚度;

沉砂池寬度按下式計算:

式中:B為沉砂池寬度，m;Q為倒虹吸渠道設計流量;H為沉砂池內水深;v沉砂池內平均流速。

沉砂池長度按下式計算:

式中:L為沉砂池長度，m;h為渠道水深，m。

經計算，白河壩倒虹吸沉砂池擬采用參數為:池深為1.5 m，池長為15.0 m，池寬為34.3 m。

2)倒虹吸涵

倒虹吸涵采用現澆C25 鋼筋混凝土箱涵結構，根據過流能力需求及地形情況，倒虹吸管結構及布置如下:

白河壩倒虹吸涵孔口尺寸為4.0 m×4.0 m×6 孔(b×h×孔數)，過水斷面面積為96.0 m2，涵洞邊墩及頂、底板厚度均為0.7 m，中墩厚度0.5 m。洞身共分成10 節，1、2、3、8、9、10 六節為緊貼兩側岸坡淺埋式，4～7 節為水平布置，水平段涵底高程21.3 m，進口斜坡段涵底高程27.80 m～21.3 m，出口斜坡段涵底高程21.3 m～27.75 m，涵洞洞身水平投影總長度為88.0 m，斜坡段單節長度8.0 m，水平段單節長度為10.0 m。

3)出口段

倒虹吸涵出口段設置C25 鋼筋混凝土消力池及護底。

白河壩倒虹吸涵消力順水流向長15.0 m，垂直水流向寬28.5 m～34.3 m，池深1.0 m，池底高程26.75 m，底板厚0.4 m。消力池后接8.0 m 長的漿砌石護底， 護砌厚度0.3 m， 下墊0.1 m 厚瓜子片墊層。

白河壩倒虹吸尺寸及特性見表2。

表2 倒虹吸特征表

根據地質報告，白河壩倒虹吸水平段洞身建基面主要位于⑤層砂卵石層，局部位于⑥1 層全風化砂巖層，對應允許承載力分別為260 kPa 和210 kPa，斜坡段洞身主要位于⑤層砂卵石層和④層砂礫石夾粘土層，對應允許承載力分別為260 kPa 和220 kPa，建筑物地基最大應力為117.5 kPa，天然地基承載力能夠滿足建筑物地基應力要求，但考慮到⑤層砂卵石層和④層砂礫石夾粘土層含有砂卵石和礫石，對滲流不利，同時考慮到洞身尤其是斜坡段洞身的不均勻沉降，本次設計對建基面位于④、⑤層段洞身基礎采用水泥土換填。換填水泥土水泥含量8%，換填厚度1.5 m，壓實度不小于0.95。

倒虹吸管輸水能力按下式計算:

式中:Q為流量，m3/s;A為倒虹吸管的斷面積，m2;z為上下游的水位差，m; 為流量系數;0為出口損失系數;Σ 為局部損失系數總和;為沿程摩阻損失系數;l為管長，m;D為管徑，m;λ為能量損失系數，λ=8g/C2;C為謝才系數。

計算結果見表3，由表中數據可見，倒虹吸斷面滿足過流能力要求。

表3 倒虹吸過流能力計算表

5 結論

為了保證駟馬山灌區的灌溉面積降低渠系工程的建設投資、提高過水能力。選取3 種倒虹吸方案進行比選。方案一:連接三級干渠倒虹吸涵洞方案，與其他兩種方案相比具有對天然河道擾動小等優勢，通過計算白河壩倒虹吸采用4.0 m×4.0 m×6 孔的型式可滿足過水需求，由于區域地基土承載力較低，建議采用水泥土換填的方式進行處理。