淺談南水北調(diào)中線工程渠倒虹的設(shè)計(jì)

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1.前言

　　南水北調(diào)中線工程橫跨江、淮、黃、海四大流域，是我國(guó)特大型調(diào)水工程。其中，渠倒虹是該調(diào)水工程中數(shù)量最多的一種河渠交叉建筑物。南水北調(diào)中線工程總干渠設(shè)計(jì)為自流輸水，水頭緊張，分配給每座渠倒虹的設(shè)計(jì)水頭都很少，因此在大流量、小水頭的設(shè)計(jì)條件下，渠倒虹過(guò)水?dāng)嗝姹厝惠^大。所以南水北調(diào)渠倒虹的特點(diǎn)是流量大、水頭小、規(guī)模空前。

　　2.渠倒虹的總體布置

　?。?）軸線選擇及管身長(zhǎng)度的確定

　　渠倒虹的軸線受南水北調(diào)中線工程總干渠軸線的制約。在地形、地質(zhì)條件允許的情況下，渠倒虹的軸線盡可能與主河床正交，以減少建筑物的長(zhǎng)度，降低投資。

　　管身長(zhǎng)度主要受工程建成后河道洪水、上下游河道洪水壅高情況、工程區(qū)地形、地貌、地質(zhì)條件等因素的影響，長(zhǎng)度的確定以不對(duì)當(dāng)?shù)胤篮榕艥骋?guī)劃造成大的影響為準(zhǔn)，并盡量減少工程量。為此應(yīng)進(jìn)行調(diào)洪演算，擬定幾組渠倒虹長(zhǎng)度，通過(guò)調(diào)洪演算得到各種長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的上游最高壅水位值，并計(jì)算各種方案的工程量，通過(guò)方案比選和論證，選擇出適宜的長(zhǎng)度。

　?。?）管身布置

　　斜管段坡度視地形、地質(zhì)以及水平段管頂埋深等條件確定。為了方便施工和檢修，一般采用1：3～1：4的坡度。管身橫向縫間距根據(jù)地基特性、斷面尺寸、溫度變幅等條件確定，土基上現(xiàn)澆砼管縫間距采用15～20m，巖基上一般采用15m.

　　管頂埋置在河道設(shè)計(jì)洪水沖刷線以下不小于0.5m，當(dāng)沖刷深度較大時(shí)，可適當(dāng)淺埋，并對(duì)管身進(jìn)行防護(hù)。對(duì)地震設(shè)計(jì)烈度7度以上者，采用埋深不小于2.5m.

　?。?）輔助工程設(shè)置問(wèn)題

　　渠倒虹由進(jìn)口段、管身段和出口段三部分組成。

　　由于南水北調(diào)中線工程水源為丹江口水庫(kù)庫(kù)水，不需考慮輸水中的泥沙問(wèn)題，因此建筑物進(jìn)口不設(shè)沉沙池。同時(shí)由于渠倒虹出口流速很小，也不需設(shè)消能工。

　　為了對(duì)渠倒虹進(jìn)行全面的研究，使工程建立在可靠的技術(shù)基礎(chǔ)上，河南省水利設(shè)計(jì)院與鄭州工業(yè)大學(xué)聯(lián)合進(jìn)行了以淇河渠倒虹工程為典型的1：20的大型水工模型試驗(yàn)和廣泛的資料分析論證。試驗(yàn)表明，節(jié)制閘布置在下游便于調(diào)節(jié)渠倒虹進(jìn)口水位，改善進(jìn)口流態(tài)，除始流狀態(tài)外任何流量均不發(fā)生進(jìn)口水躍，摻氣現(xiàn)象也不嚴(yán)重，對(duì)結(jié)構(gòu)無(wú)不良影響。因此，渠倒虹節(jié)制閘采用后置方式，設(shè)在出口段。檢修閘設(shè)在進(jìn)口段。管身進(jìn)、出口底部高程采用與總干渠渠底高程相同，不再降低。

　　關(guān)于通氣孔的設(shè)置問(wèn)題，根據(jù)試驗(yàn)，實(shí)測(cè)渠倒虹進(jìn)口曲面壓強(qiáng)分布均為正壓，無(wú)法正常通氣。一般設(shè)置通氣孔主要用于穩(wěn)壓水流，防止氣蝕，這些問(wèn)題對(duì)于南水北調(diào)中線工程這種低水頭、大流量的渠倒虹工程均不存在，而小流量由閘門(mén)控制運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的摻氣問(wèn)題可在運(yùn)用控制時(shí)解決。所以，南水北調(diào)渠倒虹無(wú)設(shè)置通氣孔的必要。

　　3.建筑物的選型

　?。?）進(jìn)、出口漸變段

　　進(jìn)、出口漸變段常用的結(jié)構(gòu)型式有扭曲面式、八字形和園弧形翼墻。八字形翼墻的優(yōu)點(diǎn)是施工簡(jiǎn)單，但不能形成良好的收縮或擴(kuò)散水流，在緊靠垂直段墻體處易產(chǎn)生回流，影響水流的平順過(guò)渡。園弧形、扭曲面式翼墻均能創(chuàng)造較好的漸變收縮或擴(kuò)散條件，流勢(shì)較為平順。根據(jù)淇河渠倒虹水力學(xué)實(shí)驗(yàn)，直線型扭曲面式翼墻的局部水頭損失較小，為減少渠倒虹管身的結(jié)構(gòu)尺寸，進(jìn)出口漸變段采用直線扭曲面較為適宜。

　?。?）檢修閘、節(jié)制閘

　　檢修閘設(shè)在進(jìn)口前，其作用是為了檢修、清淤和臨時(shí)停水；節(jié)制閘位于出口處。由于兩閘都與管身直接相連，為較好地適應(yīng)明渠與管身之間的過(guò)渡，采用兩閘底板高程與總干渠渠底齊平。閘室均采用開(kāi)敞式平底結(jié)構(gòu)型式。

　　閘門(mén)常用的型式有弧形鋼閘門(mén)和平板鋼閘門(mén)?；⌒弯撻l門(mén)可以承受較高的水頭，所需啟閉力較小，但因其支臂較長(zhǎng)，且其啟閉軌道為曲線，需增加閘室段順?biāo)鞣较虻拈L(zhǎng)度，閘墩高度和厚度也要相應(yīng)增加。平面閘門(mén)的啟閉軌道為垂直上下，閘室段長(zhǎng)度只需滿足結(jié)構(gòu)布置和穩(wěn)定要求即可。根據(jù)淇河渠倒虹的計(jì)算，出口節(jié)制閘采用弧形閘門(mén)比采用平板閘門(mén)投資大34％。對(duì)于低水頭、大流量的南水北調(diào)渠倒虹，采用平板鋼閘門(mén)能夠滿足實(shí)際運(yùn)用的要求，且可節(jié)約投資。所以檢修閘和節(jié)制閘均采用平板鋼閘門(mén)。

　?。?）管身

　　渠倒虹吸管身常用的斷面型式有：圓形、箱形和直墻正反拱形等。圓形管道與同樣過(guò)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(guò)水能力大，但其施工較為復(fù)雜，模板制作安裝的難度大，施工周期長(zhǎng)，鋼筋的綁扎及混凝土澆筑也有一定難度，管道頂部砼施工質(zhì)量難量以保證，易導(dǎo)致頂部產(chǎn)生非均勻收縮，使管道出現(xiàn)裂縫。箱形斷面結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，在低水頭、大流量的渠倒虹設(shè)計(jì)中應(yīng)用較為廣泛，而且施工方便，施工質(zhì)量能夠保證，利于檢修、清淤。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(wèn)題，而且對(duì)溫度變化及不均勻沉陷非常敏感。綜合分析，確定選用多孔箱形斷面管身，一般采用2孔或3孔為一聯(lián)。

　　4.水力設(shè)計(jì)問(wèn)題

　　水力設(shè)計(jì)是渠倒虹設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也是渠倒虹設(shè)計(jì)是否經(jīng)濟(jì)合理的關(guān)鍵。為了對(duì)渠倒虹的水力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行研究，對(duì)水力設(shè)計(jì)的計(jì)算公式、各種設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行論證，河南院與鄭州工業(yè)大學(xué)進(jìn)行了淇河渠倒虹水力學(xué)模型試驗(yàn)研究。為了試驗(yàn)成果準(zhǔn)確可靠，整體正態(tài)模型比尺為1：20，并嚴(yán)格做到邊界幾何相似及模型糙率相似，上、下游渠道及漸變段內(nèi)共設(shè)26個(gè)測(cè)壓管，渠倒虹管身共設(shè)54個(gè)測(cè)壓管，監(jiān)測(cè)各斷面上各流量級(jí)時(shí)測(cè)壓管水頭變化，從而推算各部分水頭損失系數(shù)。

　　合理選擇各項(xiàng)水頭損失系數(shù)，是水力設(shè)計(jì)準(zhǔn)確的關(guān)鍵。各局部水頭損失系數(shù)是在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上選取的，進(jìn)、出口漸變段局部水頭損失系數(shù)分別取0.12和0.25，管身段進(jìn)出口彎道水頭損失系數(shù)取0.1，閘門(mén)槽水頭損失系數(shù)取0.05.

　　5.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題

　　為了分析特大型倒虹的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，我院與鄭州工業(yè)大學(xué)聯(lián)合進(jìn)行了以淇河渠倒虹為典型的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究，按1：50比例進(jìn)行電測(cè)模型試驗(yàn)，按1：100比例進(jìn)行光彈模型試驗(yàn)，聯(lián)合開(kāi)發(fā)了《智能化倒虹吸框架結(jié)構(gòu)分析專用程序》，對(duì)淇河渠倒虹進(jìn)行了二維有限元和三維有限元的計(jì)算。各種方法的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)成果相互印證，認(rèn)為在初步設(shè)計(jì)階段采用《智能化倒虹吸框架結(jié)構(gòu)分析專用程序》滿足結(jié)構(gòu)的計(jì)算精度。該程序模型為取倒虹吸管橫剖面，沿倒虹軸線取單位長(zhǎng)作為擱置在地基上的靜力平衡框架，地基反力假定按直線分布，地基摩擦力沿渠倒虹吸底面均勻分布。程序采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法對(duì)構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算。

　　通過(guò)程序?qū)η购缃Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得在安全的前提下工程量最省。

　　6.結(jié)語(yǔ)及今后工作意見(jiàn)

　　淇河渠倒虹設(shè)計(jì)作為典型渠倒虹設(shè)計(jì)在長(zhǎng)江委舉行的研討會(huì)交流，得到與會(huì)同志的好評(píng)；淇河渠倒虹水力學(xué)模型試驗(yàn)研究獲得河南省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，許多項(xiàng)試驗(yàn)內(nèi)容填補(bǔ)了大型渠倒虹試驗(yàn)的空白；潁河渠倒虹典型設(shè)計(jì)在專家論證會(huì)也得到廣泛的好評(píng)。河南院承擔(dān)的南水北調(diào)渠倒虹共37座，通過(guò)對(duì)渠倒虹的優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠使一等工程做到一流設(shè)計(jì)，合理投資。

　　在初步設(shè)計(jì)階段，對(duì)渠倒虹的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行大量的調(diào)研工作，作了多項(xiàng)模型試驗(yàn)，一些重大技術(shù)問(wèn)題已基本解決，但有些問(wèn)題仍需進(jìn)一步的研究和探討。

　?。?）河道沖刷計(jì)算：經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，理論計(jì)算成果與實(shí)際調(diào)查的河道沖刷有一定的差別，而河道的沖刷深度直接決定管頂埋深和河道整治，對(duì)建筑物的工程量及投資影響甚大，應(yīng)當(dāng)做動(dòng)床模型試驗(yàn)。

　?。?）預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土的應(yīng)用：作為地下大型工程，倒虹使用普通鋼筋混凝土，國(guó)內(nèi)的施工經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)已較為成熟。根據(jù)調(diào)研的成果，預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土在地下大型倒虹的應(yīng)用還較少。作為今后的發(fā)展方向，倒虹預(yù)應(yīng)力技術(shù)的應(yīng)用還需要進(jìn)行深入的研究和試驗(yàn)。

　　（3）三維有限元計(jì)算：在結(jié)構(gòu)計(jì)算方面，作為初步設(shè)計(jì)階段，結(jié)構(gòu)力學(xué)的計(jì)算方法是可行的，在下一階段或較為復(fù)雜的倒虹，就應(yīng)進(jìn)行三維有限元分析計(jì)算，應(yīng)當(dāng)編制倒虹三維有限元計(jì)算的專用程序。