某大型渠道工程穿河倒虹吸布置设计

吕彦伟 杜君行

倒虹吸管是设置在渠道与河流、谷地、道路相交处的压力输水建筑物[1]。在长距离输水工程中应用较多。本文以某大型渠道工程穿河倒虹吸为例，对设计流量大、所穿河流宽的大型渠道穿河倒虹吸的选型过程和倒虹吸管的布置原则进行详细阐述，总结穿河倒虹吸工程选型和布置的基本思路，为类似工程设计提供参考。

1 工程概况

某大型跨流域输水渠道工程设计流量310 m3/s，与河流交叉处采用渠穿河倒虹吸穿越，总长1 048 m，属于大型河渠交叉建筑物。设计洪水标准与所在渠段一致，穿河倒虹吸设计洪水标准为100年一遇，校核洪水标准为300年一遇。穿河倒虹吸主要建筑物由进口至出口依次为：进口渐变段、进口闸室段、管身段、出口闸室段、出口渐变段。

工程区极端最高气温为35.2 ℃，极端最低气温为-32.4 ℃。多年平均年降水量为551 mm，多年平均封冻天数132 d左右，最大冻土深度为2.0 m。多年平均风速4.12 m/s，最大风速可达22 m/s。倒虹吸坐落在级配良好细砾层上。

2 河渠交叉型式比选

2.1 河渠交叉建筑物型式选择

河渠交叉建筑物主要有暗涵、梁式渡槽、涵洞式渡槽、渠道倒虹吸、河道倒虹吸、排洪渡槽、排洪涵洞等多种型式，从河渠水位、流量的相互关系，防洪影响和运行管理等方面进行综合分析选择[1]。

（1）从河、渠水位相对关系分析，渠道设计水位81.92 m，渠道设计底高程75.20 m，所穿河流天然设计水位81.64 m，河流天然底高程77.91 m。渠道设计底高程低于所穿河流天然设计水位，不满足梁式渡槽槽下净空的要求，不具备梁式渡槽穿越条件，同时河流天然设计水位接近渠道设计水位，若采用涵洞式渡槽，槽身受洪水冲击，存在安全隐患，采取工程措施所需工程量较大，故排除涵洞式渡槽型式[2]。渠道设计水位高于所穿河流天然设计水位，不满足暗渠的要求；渠道设计底高程低于河流天然底高程，净空不满足排洪涵洞的要求。综上可知，从河、渠水位相对关系角度宜采用倒虹吸型式。

（2）从河、渠流量相对关系分析，渠道设计流量310 m3/s，所穿河流100 年一遇设计洪峰流量1 421 m3/s，渠道设计流量远远小于河流设计流量，本着“小（流量）穿大（流量）”的原则确定交叉型式为渠穿河倒虹吸。

2.2 正交、斜交方案比选

本工程渠道走向与所穿河流方向为斜交，倒虹吸与河道斜交布置可减少转弯段，上下游渠道与倒虹吸衔接平顺；正交布置需在倒虹吸进出口设置转弯段与渠道衔接，但相应可以降低倒虹吸长度，节省投资。故进行正交、斜交方案比选，以确定倒虹吸的布置方式。正交、斜交两方案的倒虹吸比选范围包括：倒虹吸进出口渐变段、闸室段、管身段布置，以及受倒虹吸布置影响的上、下游部分渠道。不论正交方案还是斜交方案，分配的水头维持一致，在此基础上分别进行正交、斜交方案的设计及工程量计算。正交、斜交方案管身段对比见表1。

表1 正交、斜交方案倒虹吸管身段对比

由表1可知，倒虹吸斜交方案比正交方案管身段长度增加350 m，管径也较正交方案加大，工程投资相较正交方案增加约7 645 万元。斜交方案与输水渠上下游衔接相较正交方案更平顺，但考虑输水渠设计流速较小（<1 m/s），弯道渠坡均设置防护，且转弯半径满足5倍弯道段水面宽度，设置弯道对渠道与倒虹吸进出口衔接有一定影响但影响不大。综上，正交方案相较斜交方案优势明显，倒虹吸采用与河道正交布置方案。

3 倒虹吸管布置设计

3.1 倒虹吸管顶埋深比选

倒虹吸管顶埋置深度主要考虑河床冲刷深度、河道水流条件及工程区最大冻深。本工程渠道与河道交叉断面附近河道比较顺直、开阔，属于比较明显的宽浅式河槽，主河槽水流稳定，位置相对固定，非游荡性河流。河道冲刷深度按TB 10017—1999《铁路工程水文勘测设计规范》有关公式分河槽、滩地进行计算。

经计算河槽部分100 年一遇洪水冲刷深度为2.81 m，300年一遇洪水冲刷深度为3.00 m；滩地部分100年一遇洪水冲刷深度为0.13 m，300年一遇洪水冲刷深度为0.25 m。结合倒虹吸管所在河段水流条件，河床的冲刷情况，对倒虹吸管埋置深度进行深埋方案和浅埋加防护方案进行比较。

深埋方案：倒虹吸管埋置深度依据按河道300年一遇洪水冲刷深度以下1 m 的原则确定，管顶最小埋深4 m 且满足抗浮稳定要求。该方案不考虑管顶的河底护砌工程，仅两岸倒虹吸进出口平台邻水侧岸坡采取防冲护砌措施。

浅埋加防护方案：此方案不必将倒虹吸管身埋置于校核洪水冲刷线以下，综合考虑设计冻深、下游冲刷、倒虹吸管身的抗浮及抗滑稳定将倒虹吸管顶埋置于河底以下2.5 m，并对管顶侧河床进行防护，其中河槽段采用50 cm 厚格宾防护，滩地段采用17 cm 雷诺护垫防护，防护范围为倒虹吸管中心线上下游各延伸50 m，以保证建筑物的安全运行。该方案管顶高程为75.41 m，高于校核洪水冲刷深度0.50 m，河底及两岸倒虹吸进出口平台邻水侧岸坡均需采取防冲护砌措施。深、浅埋方案管身段投资对比见表2。

表2 深、浅埋方案倒虹吸管身段投资对比 万元

由表2对比分析，如采取深埋方案，倒虹吸管顶埋置于冲刷深度1 m以下，开挖回填工程量较大，倒虹吸管管身荷载增加，对应钢筋、混凝土工程量增加，且施工阶段基坑排水费用增加，深埋方案比浅埋加防护方案增加投资约1 905 万元。综合考虑后采用浅埋加防护方案。

3.2 倒虹吸管型式比选

倒虹吸管的断面型式主要有圆形、外城门洞内圆形、箱形等。圆形断面，管道湿周小，与同样大小过水面积的箱形管道比，水流条件好和过流能力大。圆形管管壁所受内水压力均匀，抵抗外部荷载性能好。预制圆管施工方便、适宜于工厂内成批生产，但当管径较大时，如采用预制生产，制造设备复杂，吊运安装相当困难；因本工程渠道输水量较大，设计管径均在7 m 以上，因此不宜采用。外城门洞内圆形断面，水流条件与过流能力与圆管相当，所受内水压力均匀，在外压较大时受力条件优于箱形断面，三材用量较省。箱形断面具有形状规则，结构型式简单，受力明确，便于多孔组合，上下游衔接平顺，易于施工、便于检修和防淤等优点，但是其受力性能不及圆管和外城门洞内圆形断面，三材用量略多。

针对上述倒虹吸管断面形式的主要优缺点，结合本工程实际情况，针对箱形断面和外城门洞内圆形进行比选，典型断面型式如图1 和图2 所示。从投资角度分析，外城门洞内圆形断面型式相比箱形断面每延米工程量可节省约15%，总投资节省约1 140 万元。从施工角度分析，当内模为圆形时，模板的受力条件最好；外模为方形或城门洞形时，更便于混凝土入仓，因此，从施工方法来说，外断面为城门洞形，内断面为圆形时更有利于施工。从温度控制角度分析，外城门洞内圆形断面的顶拱与底拱等部位对温度变化和不均匀沉陷非常敏感，若采用外城门洞内圆形断面，需采取科学有效的温控措施和地基处理措施。考虑到穿河倒虹吸长度较长，投资占比较大，从节省投资、施工和温控角度综合考虑，倒虹吸管型式选用外城门洞内圆形断面，现场浇筑。

图1 箱形断面（单位：mm）

图2 外城门洞内圆形断面（2孔一联共4孔方案，单位：mm）

图3 外城门洞内圆形断面（3孔一联共6孔方案，单位：mm）

3.3 倒虹吸管孔数比选

渠道设计流量310 m3/s，引水规模较大，在满足输水能力要求的情况下，如采用3孔一联方案单孔宽度偏大，且倒虹吸管总宽度超过25 m，超过倒虹吸管不设置结构缝的最大间距，所以调整为两联外城门洞内圆形断面，中间分缝，本工程比较了2孔一联共4孔和3孔一联共6孔方案，分别对2种方案管身段进行工程量比较，选择工程量较小的方案。断面型式分别如图2、3所示，管身段主要工程量见表3。

表3 4孔、6孔方案管身段工程量对比

从表3 可以看出，除土方开挖和回填量6 孔方案略优于4孔方案，其他工程量4孔方案均优于6孔方案，投资角度分析4 孔方案优于6 孔方案，所以倒虹吸管孔数选择2 孔一联共4 孔方案，单孔直径为7.5 m。

4 结 语

本工程穿河倒虹吸长度较长，规模较大，投资较高，在布置设计时，需进行充分的方案比选，着重考虑以下方面。

（1）需从河、渠水位流量相对关系分析确定河渠交叉建筑物型式。

（2）渠道走向与河道尽量正交以利于倒虹吸布置，如渠道轴线与河道斜交，交叉处上下游可设置转弯段，尽可能与河道成正交，以减少倒虹吸长度，节省工程投资。

（3）倒虹吸管顶埋深应综合考虑河床冲刷深度要求、设计冻深要求以及对投资影响等分析比选确定，并考虑对布置有倒虹吸的河段进行适当防护。

（4）倒虹吸管型式、孔径和孔数选择应从输水能力、受力性能、温度控制、施工难度、工程投资等角度，经过充分比选确定。