南水北調中線工程楊莊干渠灌渠倒虹吸設計

□何 佳 □李雪艷（河南省水利勘測設計研究有限公司）

1.工程概況

楊莊干渠為一天然沖溝中開挖的灌溉渠道，漿砌石矩形斷面，底寬1.3m，渠深1.5m，渠道設計流量1.0m3/s，由泵站提水澆地，水源地是楊莊水庫，在新鄭市后張莊村西北與總干渠相交，與總干渠交叉點處，渠深1.5m。

工程區附近均有村莊、道路等，地勢平坦開闊，根據該地質勘察報告，楊莊干渠倒虹吸工程場區為沖洪積平原，場區地質結構為屬粘礫多層結構，地層分布較穩定，地層巖性主要為黃土狀中、輕粉質壤土、卵石及重粉質壤土、粉質粘土；場區內地下水類型為孔隙潛水，地下水對混凝土無腐蝕性；區域構造穩定性差，相應地震基本烈度Ⅶ度。

2.建筑物總體布置

2.1 建筑物軸線選擇

倒虹吸建筑物軸線與總干渠軸線的交叉型式有正交和斜交2 種情況，正交方案建筑物主體段長度較短，進出口布置較簡單，但灌溉渠道與建筑物進出口的過渡連接段一般較長，進口引渠和出口尾渠需設彎道連接，故水流條件較差。斜交方案建筑物主體段較長，主體工程量大，進出口連接段平直，水流條件較好；建筑物軸線的選定同時應根據每個建筑物的實際情況具體分析確定，由于灌渠倒虹吸在總干渠渠底以下，不占用總干渠的水頭，同時考慮到水流平順和少占耕地，倒虹吸軸線盡可能沿灌渠軸線。

楊莊干渠是1 條沖溝中開挖的渠道，該沖溝為一條三級公路的排水溝，在新鄭市后張莊村西北渠道開始遠離公路向東北方向轉彎，在開始轉彎處與總干渠交叉，考慮到水流平順，減少挖方和占地。本次設計時倒虹吸推薦采用斜交方案，進口與原有渠道方向一致，出口采用渠道連接渠與原有渠道連接。

2.2 上下游漸變段結構型式比較

上游連接段由渠道護砌段和進口漸變段組成。

由于原灌溉渠道為硬化渠道，但硬化渠道已有不同程度的損壞，為便于與原渠道連接，進出口段設計5m 長混凝土水平護砌段。

漸變段常用的結構型式有直線扭曲面、直立八字形和圓弧形翼墻等型式，簡述如下：

八字形翼墻的優點是施工簡單方便，質量可靠，為防止緊靠垂直段墻體產生回流，影響水流的平順過渡，須選用適宜的擴散角。八字墻插入岸坡部分的墻體，其墻基基底可隨坡逐漸升高。

直線扭曲面漸變段型式水頭損失小，流勢平順，易于同梯形斷面銜接，但施工較復雜，對墻后回填土壓實密度要求較高。漸變段長度由式L＝C(B1-B2)確定，B1、B2 分別為漸變段兩端水面寬，系數C 進口取1.5～2.0，出口取2.5～3.0。出口扭曲面若坐落在回填土上，易產生裂縫，施工難度大，不易采用。

圓弧形翼墻型式的水流條件和施工難度介于八字墻和直線扭曲面之間。其長度結合上下游邊坡、水深等由布置確定。

由于楊莊干渠為矩形斷面，底寬1.3m，進出口漸變段設計采用八字型流槽。

2.3 孔數與高寬比選擇

根據水力計算，對倒虹吸管身橫向斷面分別進行了不同方案比選。經綜合分析，楊莊干渠灌渠倒虹吸推薦單孔方案，單孔孔徑1.5m×1.8m（寬×高）。

2.4 建筑物總體布置

考慮到有利于總干渠的管理，倒虹吸布置時斜管段穿過截流溝和總干渠隔離網，進出口均設在總干渠兩側隔離網之外，洞頂設直墻擋土，減小建筑物的總長，降低造價。

楊莊干渠灌渠倒虹吸軸線與總干渠軸線斜交，交角70.5°。進口不設攔污柵、工作閘門、檢修閘門及沉沙池，建筑物由進口段、進口閘室段、管身段、出口閘室段和出口段組成，其軸線與總干渠軸線斜交。經布置建筑物水平投影總長174m，其中進口段長20m，倒虹吸段水平投影長122m，進出口閘室段各長6m，出口段長20m。出口連接渠段長135m。結合倒虹吸建筑物布置和楊莊干渠的結構型式，出口連接渠采用混凝土矩形斷面，底寬1.3m，渠深1.5m。

進口段長20m，其中5m長的水平流槽段與上游渠道連接、15m長的混凝土斜坡流槽與進口閘室段連接，進口底寬1.3m，出口底寬1.5m。

管身段水平投影總長122m，管身縱向每12～14m設一橫向沉陷縫，以適應地基不均勻沉陷。管身底部設有10cm厚的C10混凝土墊層，以方便施工。管身結構型式為單孔，鋼筋混凝土箱型斷面，孔徑為1.5m×1.8m（寬×高），每孔內壁四角設0.15m×0.15m的貼角，以改善節點處的應力分布。管身材料為C30鋼筋混凝土。倒虹吸管身的布置為地下埋管，管身水平段埋深應盡可能小，以減少施工難度，降低投資，設計時頂板以上埋深采用1.5m。為避免倒虹吸管身上面總干渠渠道因填土發生不均勻沉陷而導致其結構破壞，在管頂上方鋪設一層土工格柵。管頂高程以下管身兩側、施工基坑范圍回填低壓縮性土，要求壓縮系數а1-2<0.1MPa-1或壓縮模量Es>15MPa，土類可選用中、重粉質壤土；管頂以上至總干渠渠底范圍回填高塑性土，可選擇液限WL>35%、塑性指數IP=15~20，含水量控制在最優含水量+0~3%之間，要求壓實度≥1.0。

考慮灌渠過流變化大，在倒虹吸的進出口各布設6m長的閘室段，預留門槽但不設置閘門，對于倒虹吸通過不同流量時，提供控制進口水位的工作條件。

由于倒虹吸流速較小，下游出口不設消能工程。出口段長20m，其中由15m長的流槽斜坡與出口閘室段連接，底坡為倒坡，其后5m長的水平連接段與下游渠道連接渠連接。

3.結語

工程總體結構優化布置是建筑物設計中重要的一個環節，牽扯到整個工程的合理性、安全性和經濟性，楊莊干渠灌渠倒虹吸作為南水北調中線工程中的渠渠交叉建筑物，其總體布置是經過了全方位的比選及優化，保證了整個南水北調工程的經濟合理和安全可靠。