南水北調中線工程排水倒虹吸布置的優化分析

□楊書統 □周志平（河南省水利勘測設計研究有限公司）

一、前言

南水北調中線工程是一項跨流域調水的特大型輸水工程，沿伏牛山和太行山前平原開渠引水自流到北京、天津，穿越長江、淮河、黃河、海河四大流域，渠線全長1432km（含天津干渠）?？缜潘ㄖ锸侵讣髅娣e＜20km2的河流和坡面集水區與總干渠交叉的建筑物，一般由總干渠的左側流向右側，為河道穿越總干渠型式，也稱為左岸排水建筑物。根據河流底高程、洪水位與總干渠底高程和渠水位的關系，分為排水渡槽、排水倒虹吸、排水涵洞。其中排水倒虹吸為左岸排水建筑物中數量最多的一種型式，沿線分布廣，工程規模也是差別很大，其工程布置直接影響交叉斷面處河流的行洪能力及總干渠的安全。

二、工程概況

李村溝排水倒虹吸位于河南省平頂山市魯山縣辛集鄉李村東北約300m處，是南水北調中線工程總干渠與李村溝之交叉建筑物，交叉斷面以上河道集流面積3.1km2。交叉斷面處總干渠樁號為SH(3)16+857.3。交叉斷面天然狀態下50年一遇洪峰流量為105m3/s，200年一遇洪峰流量為137m3/s。工程修建后50年一遇設計流量為94m3/s，200年一遇校核流量為119m3/s，建筑物總長221.5m，場區地震動峰值加速度小于0.05g，相當于地震基本烈度小于Ⅵ度，抗震設防烈度采用Ⅵ度。

三、總體布置

排水倒虹吸的工程布置應根據：倒虹吸管軸線在平面布置上的投影宜為直線，并宜與河流、溝渠、道路中心線正交；在滿足總干渠渠道設計斷面和不影響渠堤穩定的前提下，管身段的水平投影長度應盡可能短，但斜管段進出口不應布置在堤身部位；排水倒虹吸進出口一般以八字翼墻或圓弧翼墻與天然河道相接，進出口翼墻的平面布置應能平順引導水流進入涵管或便于涵管出口水流向下游河道擴散，應采取措施避免涵管進口附近的翼墻頂部入流；排水倒虹吸設計應考慮泥沙淤積問題，應根據河床泥沙特性，視需要可在排水倒虹吸進口前布置攔砂設施，李村溝排水倒虹吸工程場區位于丘陵地帶，地勢北高南低,自北向南傾斜,平均地面坡降1/51.8，流域上游及溝道左岸為丘陵崗地，沖溝較深；下游及溝道右岸相對平坦?？偢汕晌髂舷驏|北流過工程區，李村溝在此呈西北～東南流向，與總干渠呈106.47°斜交。根據地形、地質條件，并盡量使建筑物長度較短，進出口流態平順等，選擇李村溝排水倒虹吸按原溝道布置，李村溝排水倒虹吸工程中心線與總干渠中心線斜交，沿水流方向交角為106.47°。

四、工程布置

為達到水力條件良好，運行可靠并滿足穩定、防滲、防洪要求，李村溝排水倒虹吸工程主要由進口連接段、管身段、出口消能防沖段等部分組成，總長221.5m。

（一）進口連接段

進口連接段總長45m。其中靠近倒虹吸進口設20m長的水平段，底寬為7.5m，底部高程126.45m，前端以1:5的坡與溝底連接，溝底高程129.45m；為便于與兩岸聯接并改善進流條件，設有半徑為34m的圓弧翼墻，翼墻采用懸臂式擋土墻，墻頂高程133.83m；為減少清淤工作，在倒虹吸管身段前35m處布置一攔砂坎，坎頂高程為129.95m。

（二）管身段

倒虹吸中心線與總干渠中心線斜交，沿水流方向交角為106.470，水平投影總長129.5m。管身由進口斜管段、水平管段和出口斜管段三部分組成，其中進口斜管段水平投影長52.5m，進口斜管段坡度為1:6，水平管段長29m，出口斜管段長48.0m，出口斜管段坡度為1:6。倒虹吸進口底板高程126.45m，水平管段管底高程117.700m，出口底板高程125.70m。

管身在開挖基面上平鋪0.1m厚的C10素混凝土。經水力計算，倒虹吸管管身由兩孔3.5m×3.5m的鋼筋混凝土箱涵構成，橫向兩孔一聯。邊墻厚0.65m，中隔墻厚0.5m，底板厚度0.65m，頂板厚度0.6m。倒虹吸管身段混凝土強度等級均采用C30。為防止接觸沖刷破壞，在斜管段每段分縫處設置截水環，截水環外伸長0.5m、寬0.5m。

為防止渠道在倒虹吸段發生不均勻沉降，在管頂以上至總干渠渠底范圍回填厚1.5m的高塑性土。在管身兩側、管頂以下施工基坑范圍回填低壓縮性土，其余填筑土料同總干渠填筑土料。為保證回填土和管身接觸良好，對管身外壁涂兩道粘土泥漿。并在截水環頂部沿管身縱方向埋設土工格柵。倒虹吸管相鄰兩段之間設伸縮沉降縫，縫內設止水，以適應建筑物因溫度變化引起的變形和地基不均勻沉陷的影響。伸縮沉降縫縫寬20mm，管壁內設兩道橡膠止水帶，內側采用30mm厚密封膠，填縫材料采用低泡沫塑料板。

（三）出口消能防沖段

倒虹吸管的出口段，通常做成消力池形式，池后用漸變段與原溝道銜接，以調整流速分布，避免沖刷下游溝道。本工程此段主要由出口消力池段、海漫段和防沖槽組成。出口消力池段緊接倒虹吸出口，長15.0m，底板高程125.70m，兩岸為懸臂式擋土墻；海漫段長25m，分兩部分，前一部分為連接段長15m，后一部分為水平段長10m，水平段底板高程129.00m，M7.5漿砌石護底，底板厚0.3m；為防止海漫底部遭受沖刷，在海漫末端設防沖槽，深2.0m。

（四）河溝控導及防沖設計

李村溝溝形較明顯，為安全渲泄洪水，須對倒虹吸管上游溝道10m范圍、下游溝道20m范圍內進行削坡、整平、護砌處理，以平順進出口水流條件。治理段采用梯形斷面。一端與原溝道連接，底寬與現狀溝道底寬一致；一端與倒虹吸進出口護砌段連接，斷面要素同進出口護砌段，并對邊坡進行漿砌石護砌。當地有關部門應對下游泄水溝道進行管理維護，防止當地群眾私自亂挖亂掘，建房修路，以保證倒虹吸下游的泄流通道暢通。

（五）滲控設計

為了保證在正常條件下有效防止輸水系統發生較大滲漏，渠道在短期內不發生嚴重潰決和倒塌，在左排建筑物管身進出口進行滲控設計。在渠道一級馬道堤頂中心線下方對應部位的管身段兩側設置截滲齒墻兩段。齒墻范圍內的基坑回填低壓縮性土，管身兩側及頂部1.5m范圍內采用高壓縮性土回填。結合渠道排水要求，在管身進出口段總干渠左右岸處外邊坡采用貼坡式排水護坡，并在坡腳處設排水溝。

五、結語

排水倒虹吸作為南水北調中線工程交叉建筑物的一種重要型式，數量多、分布廣、結構形式多樣。其工程布置的優化直接影響著總干渠左岸交叉斷面河流洪水的泄流及周邊人民群眾和財產的安全。合理優化排水倒虹吸的工程布置不僅能夠節省投資，降低成本，而且能夠保持原有河道自身的泄洪能力，保證整個南水北調工程經濟合理、安全可靠、利國利民。