倒虹吸设计探析

王勇

（辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁沈阳 110006）

1 工程概况

永定河倒虹吸进口位于大宁水库副坝下游。倒虹吸管身穿越水库副坝、水库库底、右堤、主河槽、左堤及公路以后，终点与箱涵相接。全长2 520 m。

2 倒虹吸结构布置

2.1 进口段及闸室段

倒虹吸进口段位于调压池北侧，长18.79 m。两侧翼墙布置为弧线型式，向上游与调压池池壁挡墙垂直相接。

倒虹吸进水闸为4孔3.4×3.8（宽×高）带胸墙的潜孔闸，进水闸采用潜孔平板闸门，固定卷扬启闭机。

倒虹吸进水闸闸室段长15 m。单孔净宽3.4 m，净高3.8 m，共4孔，闸室总宽20.42 m。闸室底高程46.8 m，闸墩顶高程63.0 m。闸室底板厚1.5 m，边墩厚1.0 m，中墩厚1.5 m，缝墩厚0.9 m。

2.3 管身段

倒虹吸沿途分别穿越水库副坝、水库库底、右堤、主河槽及左堤。倒虹吸管身段根据地形不同采用不同的埋置深度，共分5段。

1）穿副坝段。倒虹吸穿副坝段长290 m，倒虹吸基本垂直穿过水库副坝，管身底板高程46.8 m，管身顶板高程51.70 m，底板、顶板厚均为0.9 m，边墙厚0.8 m，中墙厚0.7 m，管顶覆盖土层厚11.5 m。

2）穿水库库底段。倒虹吸穿水库库底段长517 m，现状地面高程最高为44.00 m，极端最低点达34.00 m。远低于设计库底高程48.00 m。为不使开挖及回填方量增加很多，库底段涵底高程约为39.50 m，涵外顶高程约44.00 m。底板、顶板厚均为0.7 m，边墙厚0.7 m，中墙厚0.7 m。

库底段涵身断面及上下游20 m宽范围内回填至设计库底48.00 m，管顶覆盖土层厚4 m。上下游均以1∶3的坡坡向地面。

3）穿右堤段。倒虹吸穿右堤段长168 m，倒虹吸管身底板底高程39.45～42.50 m，管顶最高覆盖土层厚达14.5 m，底板、顶板厚均为1.0 m，边墙厚0.8 m，中墙厚0.7 m。

4）穿主河槽段。穿越永定河主河槽时需分别按设计洪水及校核洪水标准考虑冲刷要求，设计防护工程。

①河道冲刷深度的确定：冲刷深度按《铁路桥渡勘测设计规范》有关公式进行计算。由于河床覆盖层均为砂或砂砾石，计算公式为：

式中：hp——为冲刷后的最大水深，m；——河槽最大水深，m；hc——河槽平均水深，m；Bc——河槽宽度，m；Qc——设计流量，m3/s；E——与汛期含沙量有关的系数；A——单宽流量集中系数；——河槽土平均粒径，mm。

计算设计情况取值：

Q=2500m3/s，hmc=18.9m，Bc=857m，=9.2 m，bc=0.33mm，Bd=948m，=11.1m，A=1.165。交叉断面100年一遇平均水位54.71 m。

计算得出冲刷深度hp=6.137 m，即冲刷后河底高程为48.573 m。

计算校核情况取值：

Q=4 000 m3/s，hmc=18.95 m，Bc=857 m，=9.2 m，=0.33 mm，Bd=948 m，=11.1 m，A=1.165。交叉断面300年一遇平均水位54.76 m。

计算得出冲刷深度hp=8.26 m，即冲刷后河底高程为46.501 m。

②设计冲刷防护工程措施。穿主河槽段长704 m，在倒虹吸涵身断面及上游15 m宽、下游20 m宽范围内，倒虹吸涵顶设0.7 m砂砾料垫层，垫层上采用0.8 m厚浆砌块石护砌。两侧边缘各做深2 m浆砌石齿墙。上、下游侧浆砌石防冲保护带外宽20 m范围做1 m厚干砌石护砌。

5）穿左堤滩地及左堤、公路段。倒虹吸穿左堤段长630 m，包括左堤滩地、堤身及公路。该段倒虹吸管身底板底高程44.58 m，管身顶板顶高程49.38 m，滩地段管顶覆盖土层厚约8 m。底板、顶板厚均为0.8 m，边墙厚0.8 m，中墙厚0.7 m。

3 管身段稳定计算

3.1 管身段抗浮稳定计算

1）计算工况。管身段抗浮稳定计算分以下几种工况进行。

①设计情况1：管内有水，管外过设计洪水。

②设计情况2：管内无水，管外过设计洪水。

③校核情况：施工期管顶未填土，地下水位与管顶齐平。

2）计算公式。管段抗浮稳定按以下公式计算：

式中：KW——计算的抗浮安全系数；G——倒虹吸管段结构自重；GE——管段上方回填土石料及砌体重量，水下部分用浮容重；GW——管段内部水重，管内无水时GW=0；W——管段浮力，当管段外水位等于或高于管顶时，W为管段同体积的水重；当管段外水位低于管顶时，W为建基面上的扬压力；γ——自重、水重分项系数；γE——回填土石料及砌体分项系数；γW——浮力分项系数。

3）计算参数。其中计算参数按下列数据取值：

γ土浮=11kN/m3；γ土=19.8 kN/m3；填土饱和容重：γ土饱=21 kN/m3；混凝土容重：γi混凝土=24 kN/m3；水容重：γ水=10 kN/m3；γ=0.95，γE=0.9，γW=0.95。

计算成果见表1。

表1 倒虹吸抗浮稳定计算成果表

通过计算说明：设计情况下满足抗浮稳定要求；施工期若泡槽，则抗浮稳定不满足要求。根据地质勘察报告，非汛期地下水位低于倒虹吸底高程2～7 m，而汛期永定河河内不允许施工，施工期泡槽机率很小，通过采取适当措施可以避免。施工期应采取排水措施，使管外水位不得高于管顶以下0.9 m；当地下水位平管顶时，为满足抗浮稳定要求，管顶最小填土厚度为0.9 m。施工期泡槽不作为控制工况。

3.2 斜管段抗滑稳定计算

3.2.1 计算工况

1）设计情况：管内满水，管外覆土并过设计洪水。

2）校核情况：施工期管顶未填土，管内加大流量试水。

在整个倒虹吸中取最陡的斜管段计算：取桩号DY0+213.7处i=0.08斜坡段为计算段，纵坡为1∶12.5，水平夹角为4.57°。

3.2.2 计算公式

抗滑稳定按下列公式计算：

式中：KC——计算的抗滑稳定安全系数；Wx，Wy——分别为作用在管段上除基底反力以外全部作用力合力的水平分量与垂直分量；α——管段建基面水平倾角；f——管段与建基面之间的滑动摩擦系数；[KC]——抗滑稳定安全系数允许值。

3.2.3 计算参数

计算中各参数按下列数据取值。

γ浮=11 kN/m3，混凝土容重：γi混凝土=24 kN/m3，覆土饱和容重：γ土饱=21 kN/m3，f=0.5。α=4.57°，

3.2.4 计算成果

稳定计算成果汇总见表2。

表2 倒虹吸斜管抗滑稳定计算成果表

从上表可见，斜管段抗滑稳定满足要求。

4 结语

作为南水北调工程的交叉建筑物，倒虹吸的结构型式可以不影响上部构筑物的正常运用，而且倒虹吸施工方便，结构简单，对保证南水北调工程提早顺利实施，加快工程建设，起到了十分必要的作用。确保了首都的政治稳定、经济繁荣。