淺談南水北調(diào)中線工程渠倒虹的設(shè)計

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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)計為自流輸水，水頭緊張，分配給每座渠倒虹的設(shè)計水頭都很少，因此在大流量、小水頭的設(shè)計條件下，渠倒虹過水斷面必然較大。所以南水北調(diào)渠倒虹的特點是流量大、水頭小、規(guī)?？涨啊?/p>

　　2.渠倒虹的總體布置

　?。?）軸線選擇及管身長度的確定

　　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，以減少建筑物的長度，降低投資。

　　管身長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，長度的確定以不對當?shù)胤篮榕艥骋?guī)劃造成大的影響為準，并盡量減少工程量。為此應進行調(diào)洪演算，擬定幾組渠倒虹長度，通過調(diào)洪演算得到各種長度對應的上游最高壅水位值，并計算各種方案的工程量，通過方案比選和論證，選擇出適宜的長度。

　?。?）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)計洪水沖刷線以下不小于0.5m，當沖刷深度較大時，可適當淺埋，并對管身進行防護。對地震設(shè)計烈度7度以上者，采用埋深不小于2.5m.

　?。?）輔助工程設(shè)置問題

　　渠倒虹由進口段、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庫水，不需考慮輸水中的泥沙問題，因此建筑物進口不設(shè)沉沙池。同時由于渠倒虹出口流速很小，也不需設(shè)消能工。

　　為了對渠倒虹進行全面的研究，使工程建立在可靠的技術(shù)基礎(chǔ)上，河南省水利設(shè)計院與鄭州工業(yè)大學聯(lián)合進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和廣泛的資料分析論證。試驗表明，節(jié)制閘布置在下游便于調(diào)節(jié)渠倒虹進口水位，改善進口流態(tài)，除始流狀態(tài)外任何流量均不發(fā)生進口水躍，摻氣現(xiàn)象也不嚴重，對結(jié)構(gòu)無不良影響。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)在進口段。管身進、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)置問題，根據(jù)試驗，實測渠倒虹進口曲面壓強分布均為正壓，無法正常通氣。一般設(shè)置通氣孔主要用于穩(wěn)壓水流，防止氣蝕，這些問題對于南水北調(diào)中線工程這種低水頭、大流量的渠倒虹工程均不存在，而小流量由閘門控制運行時出現(xiàn)的摻氣問題可在運用控制時解決。所以，南水北調(diào)渠倒虹無設(shè)置通氣孔的必要。

　　3.建筑物的選型

　?。?）進、出口漸變段

　　進、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)點是施工簡單，但不能形成良好的收縮或擴散水流，在緊靠垂直段墻體處易產(chǎn)生回流，影響水流的平順過渡。園弧形、扭曲面式翼墻均能創(chuàng)造較好的漸變收縮或擴散條件，流勢較為平順。根據(jù)淇河渠倒虹水力學實驗，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)在進口前，其作用是為了檢修、清淤和臨時停水；節(jié)制閘位于出口處。由于兩閘都與管身直接相連，為較好地適應明渠與管身之間的過渡，采用兩閘底板高程與總干渠渠底齊平。閘室均采用開敞式平底結(jié)構(gòu)型式。

　　閘門常用的型式有弧形鋼閘門和平板鋼閘門?；⌒弯撻l門可以承受較高的水頭，所需啟閉力較小，但因其支臂較長，且其啟閉軌道為曲線，需增加閘室段順水流方向的長度，閘墩高度和厚度也要相應增加。平面閘門的啟閉軌道為垂直上下，閘室段長度只需滿足結(jié)構(gòu)布置和穩(wěn)定要求即可。根據(jù)淇河渠倒虹的計算，出口節(jié)制閘采用弧形閘門比采用平板閘門投資大34％。對于低水頭、大流量的南水北調(diào)渠倒虹，采用平板鋼閘門能夠滿足實際運用的要求，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。

　　（3）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，過水能力大，但其施工較為復雜，模板制作安裝的難度大，施工周期長，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)形式簡單，在低水頭、大流量的渠倒虹設(shè)計中應用較為廣泛，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題，而且對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)計問題

　　水力設(shè)計是渠倒虹設(shè)計的基礎(chǔ)，也是渠倒虹設(shè)計是否經(jīng)濟合理的關(guān)鍵。為了對渠倒虹的水力學問題進行研究，對水力設(shè)計的計算公式、各種設(shè)計參數(shù)進行論證，河南院與鄭州工業(yè)大學進行了淇河渠倒虹水力學模型試驗研究。為了試驗成果準確可靠，整體正態(tài)模型比尺為1：20，并嚴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個測壓管，渠倒虹管身共設(shè)54個測壓管，監(jiān)測各斷面上各流量級時測壓管水頭變化，從而推算各部分水頭損失系數(shù)。

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

　　5.結(jié)構(gòu)設(shè)計問題

　　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)大學聯(lián)合進行了以淇河渠倒虹為典型的結(jié)構(gòu)試驗研究，按1：50比例進行電測模型試驗，按1：100比例進行光彈模型試驗，聯(lián)合開發(fā)了《智能化倒虹吸框架結(jié)構(gòu)分析專用程序》，對淇河渠倒虹進行了二維有限元和三維有限元的計算。各種方法的計算結(jié)果與試驗成果相互印證，認為在初步設(shè)計階段采用《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)力學方法對構(gòu)件進行計算。

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

　　6.結(jié)語及今后工作意見

　　淇河渠倒虹設(shè)計作為典型渠倒虹設(shè)計在長江委舉行的研討會交流，得到與會同志的好評；淇河渠倒虹水力學模型試驗研究獲得河南省科技進步二等獎，許多項試驗內(nèi)容填補了大型渠倒虹試驗的空白；潁河渠倒虹典型設(shè)計在專家論證會也得到廣泛的好評。河南院承擔的南水北調(diào)渠倒虹共37座，通過對渠倒虹的優(yōu)化設(shè)計，能夠使一等工程做到一流設(shè)計，合理投資。

　　在初步設(shè)計階段，對渠倒虹的設(shè)計方法進行大量的調(diào)研工作，作了多項模型試驗，一些重大技術(shù)問題已基本解決，但有些問題仍需進一步的研究和探討。

　?。?）河道沖刷計算：經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)，理論計算成果與實際調(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，對建筑物的工程量及投資影響甚大，應當做動床模型試驗。

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

　?。?）三維有限元計算：在結(jié)構(gòu)計算方面，作為初步設(shè)計階段，結(jié)構(gòu)力學的計算方法是可行的，在下一階段或較為復雜的倒虹，就應進行三維有限元分析計算，應當編制倒虹三維有限元計算的專用程序。