浅谈南水北调中线工程渠倒虹的设计

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1.前言

　　南水北调中线工程横跨江、淮、黄、海四大流域，是我国特大型调水工程。其中，渠倒虹是该调水工程中数量最多的一种河渠交叉建筑物。南水北调中线工程总干渠设计为自流输水，水头紧张，分配给每座渠倒虹的设计水头都很少，因此在大流量、小水头的设计条件下，渠倒虹过水断面必然较大。所以南水北调渠倒虹的特点是流量大、水头小、规模空前。

　　2.渠倒虹的总体布置

　　（1）轴线选择及管身长度的确定

　　渠倒虹的轴线受南水北调中线工程总干渠轴线的制约。在地形、地质条件允许的情况下，渠倒虹的轴线尽可能与主河床正交，以减少建筑物的长度，降低投资。

　　管身长度主要受工程建成后河道洪水、上下游河道洪水壅高情况、工程区地形、地貌、地质条件等因素的影响，长度的确定以不对当地防洪排涝规划造成大的影响为准，并尽量减少工程量。为此应进行调洪演算，拟定几组渠倒虹长度，通过调洪演算得到各种长度对应的上游最高壅水位值，并计算各种方案的工程量，通过方案比选和论证，选择出适宜的长度。

　　（2）管身布置

　　斜管段坡度视地形、地质以及水平段管顶埋深等条件确定。为了方便施工和检修，一般采用1：3～1：4的坡度。管身横向缝间距根据地基特性、断面尺寸、温度变幅等条件确定，土基上现浇砼管缝间距采用15～20m，岩基上一般采用15m.

　　管顶埋置在河道设计洪水冲刷线以下不小于0.5m，当冲刷深度较大时，可适当浅埋，并对管身进行防护。对地震设计烈度7度以上者，采用埋深不小于2.5m.

　　（3）辅助工程设置问题

　　渠倒虹由进口段、管身段和出口段三部分组成。

　　由于南水北调中线工程水源为丹江口水库库水，不需考虑输水中的泥沙问题，因此建筑物进口不设沉沙池。同时由于渠倒虹出口流速很小，也不需设消能工。

　　为了对渠倒虹进行全面的研究，使工程建立在可靠的技术基础上，河南省水利设计院与郑州工业大学联合进行了以淇河渠倒虹工程为典型的1：20的大型水工模型试验和广泛的资料分析论证。试验表明，节制闸布置在下游便于调节渠倒虹进口水位，改善进口流态，除始流状态外任何流量均不发生进口水跃，掺气现象也不严重，对结构无不良影响。因此，渠倒虹节制闸采用后置方式，设在出口段。检修闸设在进口段。管身进、出口底部高程采用与总干渠渠底高程相同，不再降低。

　　关于通气孔的设置问题，根据试验，实测渠倒虹进口曲面压强分布均为正压，无法正常通气。一般设置通气孔主要用于稳压水流，防止气蚀，这些问题对于南水北调中线工程这种低水头、大流量的渠倒虹工程均不存在，而小流量由闸门控制运行时出现的掺气问题可在运用控制时解决。所以，南水北调渠倒虹无设置通气孔的必要。

　　3.建筑物的选型

　　（1）进、出口渐变段

　　进、出口渐变段常用的结构型式有扭曲面式、八字形和园弧形翼墙。八字形翼墙的优点是施工简单，但不能形成良好的收缩或扩散水流，在紧靠垂直段墙体处易产生回流，影响水流的平顺过渡。园弧形、扭曲面式翼墙均能创造较好的渐变收缩或扩散条件，流势较为平顺。根据淇河渠倒虹水力学实验，直线型扭曲面式翼墙的局部水头损失较小，为减少渠倒虹管身的结构尺寸，进出口渐变段采用直线扭曲面较为适宜。

　　（2）检修闸、节制闸

　　检修闸设在进口前，其作用是为了检修、清淤和临时停水；节制闸位于出口处。由于两闸都与管身直接相连，为较好地适应明渠与管身之间的过渡，采用两闸底板高程与总干渠渠底齐平。闸室均采用开敞式平底结构型式。

　　闸门常用的型式有弧形钢闸门和平板钢闸门。弧型钢闸门可以承受较高的水头，所需启闭力较小，但因其支臂较长，且其启闭轨道为曲线，需增加闸室段顺水流方向的长度，闸墩高度和厚度也要相应增加。平面闸门的启闭轨道为垂直上下，闸室段长度只需满足结构布置和稳定要求即可。根据淇河渠倒虹的计算，出口节制闸采用弧形闸门比采用平板闸门投资大34％。对于低水头、大流量的南水北调渠倒虹，采用平板钢闸门能够满足实际运用的要求，且可节约投资。所以检修闸和节制闸均采用平板钢闸门。

　　（3）管身

　　渠倒虹吸管身常用的断面型式有：圆形、箱形和直墙正反拱形等。圆形管道与同样过水面积的箱形、拱形管道相比，其湿周小，水流摩阻力小，水流条件好，过水能力大，但其施工较为复杂，模板制作安装的难度大，施工周期长，钢筋的绑扎及混凝土浇筑也有一定难度，管道顶部砼施工质量难量以保证，易导致顶部产生非均匀收缩，使管道出现裂缝。箱形断面结构形式简单，在低水头、大流量的渠倒虹设计中应用较为广泛，而且施工方便，施工质量能够保证，利于检修、清淤。直墙正反拱形管道的顶拱与底拱在施工中与圆形管道存在同样的问题，而且对温度变化及不均匀沉陷非常敏感。综合分析，确定选用多孔箱形断面管身，一般采用2孔或3孔为一联。

　　4.水力设计问题

　　水力设计是渠倒虹设计的基础，也是渠倒虹设计是否经济合理的关键。为了对渠倒虹的水力学问题进行研究，对水力设计的计算公式、各种设计参数进行论证，河南院与郑州工业大学进行了淇河渠倒虹水力学模型试验研究。为了试验成果准确可靠，整体正态模型比尺为1：20，并严格做到边界几何相似及模型糙率相似，上、下游渠道及渐变段内共设26个测压管，渠倒虹管身共设54个测压管，监测各断面上各流量级时测压管水头变化，从而推算各部分水头损失系数。

　　合理选择各项水头损失系数，是水力设计准确的关键。各局部水头损失系数是在试验的基础上选取的，进、出口渐变段局部水头损失系数分别取0.12和0.25，管身段进出口弯道水头损失系数取0.1，闸门槽水头损失系数取0.05.

　　5.结构设计问题

　　为了分析特大型倒虹的结构受力状态，我院与郑州工业大学联合进行了以淇河渠倒虹为典型的结构试验研究，按1：50比例进行电测模型试验，按1：100比例进行光弹模型试验，联合开发了《智能化倒虹吸框架结构分析专用程序》，对淇河渠倒虹进行了二维有限元和三维有限元的计算。各种方法的计算结果与试验成果相互印证，认为在初步设计阶段采用《智能化倒虹吸框架结构分析专用程序》满足结构的计算精度。该程序模型为取倒虹吸管横剖面，沿倒虹轴线取单位长作为搁置在地基上的静力平衡框架，地基反力假定按直线分布，地基摩擦力沿渠倒虹吸底面均匀分布。程序采用结构力学方法对构件进行计算。

　　通过程序对渠倒虹结构进行优化设计，使得在安全的前提下工程量最省。

　　6.结语及今后工作意见

　　淇河渠倒虹设计作为典型渠倒虹设计在长江委举行的研讨会交流，得到与会同志的好评；淇河渠倒虹水力学模型试验研究获得河南省科技进步二等奖，许多项试验内容填补了大型渠倒虹试验的空白；颍河渠倒虹典型设计在专家论证会也得到广泛的好评。河南院承担的南水北调渠倒虹共37座，通过对渠倒虹的优化设计，能够使一等工程做到一流设计，合理投资。

　　在初步设计阶段，对渠倒虹的设计方法进行大量的调研工作，作了多项模型试验，一些重大技术问题已基本解决，但有些问题仍需进一步的研究和探讨。

　　（1）河道冲刷计算：经过计算发现，理论计算成果与实际调查的河道冲刷有一定的差别，而河道的冲刷深度直接决定管顶埋深和河道整治，对建筑物的工程量及投资影响甚大，应当做动床模型试验。

　　（2）预应力钢筋混凝土的应用：作为地下大型工程，倒虹使用普通钢筋混凝土，国内的施工经验和技术已较为成熟。根据调研的成果，预应力钢筋混凝土在地下大型倒虹的应用还较少。作为今后的发展方向，倒虹预应力技术的应用还需要进行深入的研究和试验。

　　（3）三维有限元计算：在结构计算方面，作为初步设计阶段，结构力学的计算方法是可行的，在下一阶段或较为复杂的倒虹，就应进行三维有限元分析计算，应当编制倒虹三维有限元计算的专用程序。