南水北调中线工程京石段厂城渠道倒虹吸设计

2011-02-28王海峰

水科学与工程技术 2011年1期

关键词：渠段国道干渠

王海峰

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

南水北调中线工程京石段厂城渠道倒虹吸设计

王海峰

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

厂城渠道倒虹吸是南水北调中线工程京石段新增的一座大型交叉建筑物，穿越112国道。该文介绍了工程的总体设计，推算了设计和加大水面线，分析了对上游总干渠的影响。

南水北调中线；厂城；渠道倒虹吸；设计

1 工程概况

南水北调中线京石段应急供水工程总干渠与112国道在河北省易县厂城村南150m处相交，总干渠与112国道交叉处原采用交通桥型式跨越总干渠。112国道是贯穿易县的交通大动脉，道路两旁居民和商户较多。由于多种原因，征迁方案一直未能实施，导致厂城桥工程建设不能进行。鉴于112国道与总干渠交叉存在的问题及特殊性，经分析和综合比选，确定在桥址处新建厂城渠道倒虹吸下穿112国道。厂城渠道倒虹吸现已建设完成并通水运行。

2 工程规模

南水北调中线工程与112国道交叉处渠段设计流量60m3/s，加大流量70m3/s。在原设计水头分配指标不变的条件下，交叉处建筑物型式由交通桥跨越渠道改为渠道倒虹吸下穿112国道后，对原设计过流量有一定影响。由于该渠段位于南水北调中线工程总干渠尾部，若减少过流能力，将对北京市供水产生影响，因此在不影响下游渠段过流能力条件下拟定设计方案：即倒虹吸工程设计流量为60m3/s，加大流量70m3/s。

3 工程地质

厂城倒虹吸位于太行山东麓北易水左岸二级阶地，地貌属丘陵与平原的过渡带，地势开阔平坦。建筑物区地层属土岩多层结构，由上至下分别为黄土状壤土、粗砂、卵石和闪长岩。工程区地震动峰值加速度为0.10g，相当于地震基本烈度7度区。

建筑物区含水层分为孔隙潜水及基岩裂隙水两类。孔隙水埋藏于粗砂及卵石层中，层厚7～10m，地下水位随季节变化，受大气降雨及上游径流补给，钻探期间地下水位高程最高53.3m。粗砂层渗透系数60m/d，卵石层渗透系数120m/d。

4 倒虹吸方案确定

南水北调中线工程与112国道交叉处总干渠为填方渠道，渠底较路面高1.8m，在其上游410m为北易水渠道倒虹吸。根据总干渠与112国道交叉位置及上下游建筑物关系，对延长北易水渠道倒虹吸和在桥址处新建厂城渠道倒虹吸穿越112国道两个方案进行比选。

4.1 延长北易水渠道倒虹吸

厂城桥址西南410m处为北易水渠道倒虹吸工程，已建设完成。结合北易水渠道倒虹吸距离厂城桥址较近的条件，在该段总干渠轴线不变的情况下，保持原北易水倒虹吸管身断面2孔5.5m×5.5m，从原北易水倒虹吸出口第1节斜管末端开始，新建水平管585m后穿越112国道，并向下游布置斜管段、闸室段和渐变段与渠道连接。

4.2 新建厂城渠道倒虹吸

由于延长北易水渠道倒虹吸方案需拆除425.1m长的渠道，拆除和新建工程量均较大。为减小已建渠道的拆除量，在满足工程布置的条件下，新建一座渠道倒虹吸穿越112国道。该方案只在路渠交叉位置下部布设75m长2孔5.5m×5.5m水平涵管，并向上、下游布置斜管段、闸室段和渐变段与渠道连接。

4.3 方案比选

从工程投资、新增水头影响和工程运用等几个方面对延长和新建倒虹吸方案进行综合比选。如表1所示。

表1 渠道倒虹吸方案比较表

从表1可以看出，延长方案工程量和总投资大于新建方案，延长方案新增占用设计水头也大于新建方案，对上游渠段的影响也大于新建方案。从中线总干渠的总体布置和工程运用看，延长方案不增加该段建筑物的数量，工程的调度运用基本不变，新建方案则增加了一座交叉建筑物。

综合分析比选，确定新建厂城渠道倒虹吸穿越112国道。

5 建筑物长度及型式确定

5.1 建筑物长度

112国道与总干渠交叉位置处的上下游渠道均已建成，厂城渠道倒虹吸轴线采用原渠道轴线布置。总干渠与112国道呈54°斜交布置，在总干渠轴线不变的情况下，若减少建筑物的长度，只能调整公路路线使之与总干渠垂直或小角度交叉布置，而调整公路路线需新增占地，尤其靠近县城实施难度大且投资高。因此，保持112国道路线不变。

现状公路界宽（含路基和排水沟等附属物）37m，交叉处新建倒虹吸下穿后，需恢复上部公路。倒虹吸管顶宽度为14.3m，水平管最少布置57m才可满足公路通过。又临近的北易水高标准洪水行洪时，有部分洪水漫溢从该口门处通过，在口门两侧需要适当护砌。综合考虑，水平管段布置75m。通过水力计算，确定进出口渐变段分别取40m和45m，加上管身进出口各10m长的检修闸，厂城渠道倒虹吸工程总长292m。

5.2 建筑物结构型式选择

厂城渠道倒虹吸管身采用箱形钢筋混凝土结构型式，进出口段采用直线扭曲面渐变型式。

为满足管身检修要求，在进出口均设置了检修闸，为开敞式结构。厂城渠道倒虹吸下游13.8km处为坟庄河节制闸，设计水位为62.088m，而厂城渠道倒虹吸进出口管顶高程分别为61.137m和61.833m，均低于下游节制闸的设计水位。在总干渠定水位运行情况下，可以保证过任何流量时倒虹吸管进出口处于淹没状态。

5.3 水平管顶高程确定

在减少施工期排水量、开挖量和汽车冲击影响的情况下，考虑管内外温差、抗冻、结构抗震等要求，结合公路超载现状和满足两侧斜管抗滑稳定需一定的坡比和埋深条件，倒虹吸水平管埋置于公路以下3m。

6 工程布置及建筑物设计

6.1 工程布置

新建厂城渠道倒虹吸工程由进口渐变段、进口检修闸、管身段、出口检修闸、出口渐变段等组成，轴线总长292m。

进、出口渐变段长40m和45m，底板与翼墙为分离式钢筋混凝土结构。两侧翼墙采用直线扭曲面，由贴坡式挡墙渐变为直立半重力式挡墙。

进、出口检修闸闸室长10m，采用开敞式钢筋混凝土整体结构，闸室孔数、净宽均与倒虹吸管身相同。闸室设2扇叠梁式检修钢闸门，采用1台移动式电动葫芦启闭。

管身段长187m，由进口斜管段、进口水平段和出口斜管段三部分组成。管身为两孔一联的钢筋混凝土箱形结构，单孔尺寸5.5m×5.5m（宽×高）。水平管顶板、底板厚1.2m，中、边墙厚1.1m；斜管厚度均为1.1m。管身轴线方向设置变形缝，管节长14～15m。

6.2 水力设计及渠段水流影响

厂城渠道倒虹吸的水力设计与其他渠道倒虹吸不同之处在于，其他渠道倒虹吸是在流量和水头确定的情况下，推求管身断面尺寸；而厂城渠道倒虹吸是在管身断面尺寸和流量确定的情况下，计算倒虹吸所需的水头，并对影响的渠段进行分析。

在保证该渠段设计和加大流量不变的情况下，推求过加大流量下的水头差，确定倒虹吸进口的水位。经计算，厂城渠道倒虹吸过加大流量70m3/s时，需0.080m水头差。由于原有的292m渠道设计水头为0.012m，因此实际新增设计水头为0.068m。

总干渠与112国道交叉建筑物由跨总干渠交通桥改为下穿渠道倒虹吸后，新增加占用水头。由于桥址处总干渠上下游渠道和建筑物已经建成，不可能再重新进行水头的调整分配。厂城渠道倒虹吸新增加的水头会对总干渠水面线产生影响，致使部分渠段水位抬高，造成部分渠段壅水。

水面线推算仍沿用原京石段工程初步设计中的设计参数。

6.2.1 设计流量水面线推算

新建厂城渠道倒虹吸位于北易水节制闸至坟庄河节制闸渠段内，新增加设计水头0.068m。通过复核本渠段和上游几个渠段的渠道及建筑物设计断面实际耗用设计水头，与原初设分配的设计水头进行对比，分析原初设分配的设计水头的富余量是否满足新建厂城倒虹吸新增的水头。经核算，由釜山隧洞进口推算至厂城渠道倒虹吸富余水头共计0.073m，可满足厂城倒虹吸设计新增加的水头。

设计水面线推算仍按照原初设设计水面线的计算原则，从上游向下游分段推求，按明渠均匀流分段扣除渠道设计断面实际沿程损失，逐一扣除每座建筑物所实际耗用的水头，计算出各段设计水面线。设计水面线成果见表2。

表2 新建厂城倒虹吸后设计水面线成果表

由设计水面线计算成果可知，新建厂城渠道倒虹后受影响渠段为釜山隧洞至厂城渠道倒虹，渠段长度为30.384km，其中，影响渠段内的瀑河节制闸和北易水节制闸按调整后的水位进行调度运用。

6.2.2 加大流量水面线推算

渠道是在设计流量下按明渠均匀流确定过水断面，建筑物除倒虹吸按加大流量确定过水断面外，其他明流建筑物按设计流量确定过水断面。断面确定后，按明渠恒定非均匀流从下游向上游推算渠道和建筑物的加大水面线。

渠段加大流量水面线的推算是以新建厂城渠道倒虹吸出口作为起点，以倒虹吸出口位置的原渠道加大水位为起调水位，向上游进行加大流量水面线的计算。水面线推算成果见表3。

表3 新建厂城倒虹吸后加大水面线成果表

由计算成果可知，新建厂城渠道倒虹后加大水面线的受影响渠段为瀑河倒虹吸至厂城渠道倒虹，渠段长度为22.567km。

6.2.2.1 加大水面线抬高对渠道和隧洞超高影响分析

京石段应急供水工程渠道堤顶或一级马道高程由内水控制时，其安全超高不小于1.5m。新建渠道倒虹吸后造成总干渠加大水位抬高最大6.9cm，仅占原超高的4.6%，可以认为，基本满足渠道超高的要求。

倒虹吸上游的西市隧洞采用圆拱直墙式断面，直墙高度按加大水深＋20cm确定，新增厂城倒虹吸后，洞内加大水位较原初设加大水位抬高5cm，未超过拱脚，洞内净空面积、高度仍满足规范要求。

6.2.2.2 加大水面线抬高对建筑物结构影响分析

加大水面线抬高后对上游渠道、隧洞、渠道倒虹吸和跨总干渠桥梁、左岸排水建筑物墩柱等结构配筋影响很小，仍能满足要求。

6.3 倒虹吸管结构设计

倒虹吸管荷载主要包括结构自重、土压力、内水压力、外水压力和地震荷载等。倒虹吸管穿越112国道，作用在管顶填土以上的活荷载主要为车辆荷载。由车辆荷载引起的竖向土压力根据JTG D60—2004《公路桥涵设计通用规范》进行土层厚度折算。

倒虹吸管身内力计算采用《多孔涵洞内力的有限元法分析及配筋计算程序》，计算时假定底板为弹性地基梁，侧墙、顶板和底板视为一维单元，应用杆件系统有限元法进行内力分析。在管身内力计算的基础上，对管身结构进行强度和裂缝开展宽度计算，管身在合理配筋条件下，均满足强度和裂缝开展宽度计算。

7 施工基坑排水

厂城倒虹吸管身段基坑采用一次全开挖方式施工，由于北易水地区地下水较为充沛，因此须采取基坑排水措施。厂城倒虹吸附近民房较多，居民用水多采用井水，在工程大量抽取地下水后，势必造成居民用水的困难和对周围已有建筑物的影响。综合分析并结合京石段中易水、北易水倒虹吸基坑排水经验，厂城倒虹吸基坑采用高喷防渗墙结合排水的方式。