梅河倒虹吸优化布置分析

□李庆亮 □冯瑞军（河南省水利勘测设计研究有限公司）

一、工程概况

梅河倒虹吸工程位于新郑市龙王乡，是南水北调中线一期工程总干渠与梅河的交叉建筑物。梅河系淮河流域沙颍河水系双洎河的支流，为一条季节性河流，自北西转向南流经工程场区，河道坡降2.5‰左右，河床呈浅槽型。梅河与总干渠交叉断面以上控制流域面积24.8km2。100年一遇天然洪峰流量为353m3/s，300年一遇天然洪峰流量为460m3/s。

二、建筑物的布置

（一）轴线选择

在选择建筑物轴线时，应同时照顾到上下游渠道的走向与布置。总干渠渠道的选线原则为：为确保总干渠工程输水安全，尽量避免深挖方和高填方，尽量使水面线与地面持平；在保证安全输水前提下，以线路短、投资省为目标，渠线力求顺畅，并布设在地质条件相对较好的地段；尽量避开居民点、工矿企业；渠线穿越公路以及河流时，尽量与之正交，并选择顺直、稳定的河段布设。

根据以上布置原则，建筑物轴线选择应从工程建址处上下游河道河势与洪水特性、地形、地质条件、工程量与投资、工程防洪安全性等因素分析论证，并结合渠道局部线路优化选择，综合分析确定。

1.从总干渠线路局部优化选择分析。梅河倒虹吸位于包漳山绕岗线上，轴线总体上受绕岗线的总体走向与工程区沙丘位置的制约，现渠线位置倒虹吸进口设计水位为122.588m，一级马道高程为124.72m，场区地面高程为122.5～125m，渠线基本顺等高线布设，且避开了渠线左岸的赵郭李、大秦、庙后安村与渠线右岸的皮里店、庙后唐村等一系列村庄，渠线走向比较合理。

2.从河形与洪水特性分析。现渠线位置，倒虹吸处于梅河的弯道部位，流势较差，且与总干渠斜交，若考虑将梅河改道至大秦村东北，倒虹吸轴线与河道正交，可缩短建筑物30m左右，但新改道河长4～5km，河道交叉断面上游地势较高，高程为124～126.5m，改道挖河工程量较大。另外，梅河改道后，故道附近地势低洼，会产生积水，且改变了现状河形、河势，对行洪不利，宜维持现河道形态。工程场区上下游村庄密集，也无较为合适的建筑物轴线位置。

3.从工程地质条件分析。倒虹吸建基面位于第四系Q3的粉砂层和黄土状中粉质壤土层，其承载力标准值分别为160、150kPa，工程地质条件基本可行。

（二）形式选择

河渠交叉处的建筑物有跨河渡槽、穿河倒虹吸、穿渠倒虹吸等形式。下面分别从水位关系、流量关系及工程安全方面分析建筑物形式。

1.从河渠水位相对关系分析。交叉建筑物处河底高程为119.4m，总干渠渠底高程115.588～115.468m，河道100年一遇洪水位为121.62m，300年一遇洪水位为121.69m。总干渠设计水位为122.588～122.468m，渠道水位与河道100年洪水位和300年洪水位基本持平，不宜修建跨河渡槽，适合兴建渠道倒虹吸。

2.从流量关系分析。总干渠设计流量为315m3/s，加大设计流量为375m3/s，而梅河100年一遇设计洪峰流量为353m3/s，300年一遇校核洪峰流量为460m3/s，渠道流量与河道洪峰流量相差不大。兴建渠道倒虹吸和河倒虹均可。

3.从建筑物防淤及工程安全分析，总干渠为输水渠道，含沙量较小，在管内基本不会淤积，若采用河穿渠倒虹吸形式，虽然可以节省一部分水头，但梅河属于丘陵区排洪河道，流域多砂土岗，地表多沙壤土，水土流失严重，管内会产生淤积，不仅清理难度较大，给运行管理带来很大的不便，而且对行洪不利，危及总干渠安全。建渠倒虹有利于洪水宣泄。

（三）行洪口门与管身长度的确定

1.从工程总体布置分析。从工程布置上看，梅河河槽呈浅槽形，宽 20～40m，漫滩两岸不对称，宽 40～60m，地面高程120.30～121.60m，河槽最低高程119.40m，总干渠轴线与河道在弯道处斜交。轴线长为180m(行洪口门宽度124m)时，倒虹吸进、出口布置在原河道左右滩地，由于斜交，进口左侧、出口右侧裹头离主河槽较近，没有太多的余度。如果进一步缩短轴线长度，则倒虹吸进口和出口布置势必缩窄主河槽宽度。因此，从工程布置分析，行洪口门宽124m较为合适。

2.从工程后水位成果分析。梅河为工程后串流河道，与庙后李沟串流。工程建成后，庙后李沟10a及其以上频率洪水串流至梅河，在总干渠沿线形成一条宽约500m的淹没带，各频率洪水最大水深0.5～1.3m，为减轻串流区洪水淹没影响，调整加大了庙后李沟建筑物尺寸，减少了庙后李沟串入梅河的流量，梅河串流片洪水位采用二维流数学模型模拟方法计算确定。

梅河交叉断面两岸地面高程121.5m左右，村庄地面高程123.7m左右，5年一遇洪水位较工程前壅高0.23m，洪水位为121.51m，20年一遇洪水串流后水位较工程前壅高0.41m，洪水位为121.83m，对上游附近农田、村庄没有影响；100a、300a的洪水位较工程前壅高0.49～0.61m，对当地防洪影响不大，而此段总干渠堤顶高程为内水控制，满足防洪要求。

经综合考虑，选择梅河行洪断面口宽124m，相应倒虹吸管身段的水平投影长为180m。该方案没有缩窄河道断面，不改变河道流态。同时，防洪影响评价认为，口门宽124m时，工程布置在主槽外，工程后对河道行洪安全、对河道管理与河势稳定基本无影响，因此，推荐梅河倒虹吸行洪断面口宽124m，相应管身段的水平投影长为180m。

三、孔数与高宽比比选

根据水力计算、管身结构计算以及工程量计算，对倒虹吸管身横向断面分别进行了两种方案比选。方案一：4孔两联方案，每联2孔，两联对称布置；方案二：6孔两联，每联3孔，两联对称布置。两种方案水力计算成果见表1。

表1 各方案水力计算成果表

下面对方案一和方案二的结构和工程量做进一步的比较，结构尺寸及管身工程量见表2、表3。

表2 各方案每延米不同孔径结构尺寸比较表

表3 各方案不同孔径工程量比较表

由工程量表可以看出，方案一（7m×6.95m×4）较方案二（6.0m×6.0m×6）管身混凝土工程量、钢筋工程量、挖方工程量均较小，填方工程量相差不多，投资较省，选方案一较为合适。

四、结语

梅河倒虹吸采用渠穿河的建筑物形式，管身水平投影长度为180m，倒虹吸管身横向为4孔两联箱形钢筋混凝土结构，单孔孔径7.0m×6.95m（宽×高）。管壁尺寸为边墙厚1.2m、中墙厚1.1m、缝墙厚1.2m、底板厚1.25m、顶板厚1.25m。建筑物结构紧凑，对原河道无不利影响，不影响河道行洪且节省投资。