梅溪河渠道倒虹吸工程導流設計

2016-10-17 01:51:14陳禮強河南省水利第二工程局

河南水利與南水北調 2016年8期

□陳禮強（河南省水利第二工程局）

梅溪河渠道倒虹吸工程導流設計

□陳禮強（河南省水利第二工程局）

梅溪河渠道倒虹吸工程是南水北調中線總干渠穿越梅溪河的交叉建筑物，導流工程跨越時間較長，能否安全運行，確保施工期滿足施工需要對工程施工至關重要。通過對導流工程進行設計及驗算，按照經過設計驗算的數據進行施工運行后，安全可靠，滿足了施工導流需要和防汛要求，其經濟價值在實際工程施工過程中得到了很好的應用和體現。

渠道倒虹吸；導流設計；實際應用

0　引言

南水北調中線一期工程總干渠陶岔渠首至沙河南段工程南陽段三標的梅溪河渠道倒虹吸工程，位于南陽市臥龍區七里園鄉雷莊西南200m處，是南水北調中線總干渠穿越梅溪河的交叉建筑物。渠道倒虹吸總長度278m，設計流量340m3/s，加大流量410m3/s。進口處設計水位141.26m，加大水位141.99m；出口處設計水位141.08m，加大水位141.81m。梅溪河按50年一遇洪水設計，200 a一遇洪水校核，50 a一遇洪峰流量333m3/s，相應水位137.58m；200a一遇洪峰流量463m3/s，相應水位138.00m。工程區地震基本烈度Ⅵ度。

1　導流設計

1.1水文資料

根據設計及相關技術要求，施工導流度汛標準為10年一遇，即洪峰流量193m3/s、對應水位136.90m，詳見表1。

表1　梅溪河洪峰流量、對應水位資料表

1.2導流規劃及布置

梅溪河主河道較窄，汛期流量較大，施工導流設計采用全斷面圍堰法導流，導流渠通過倒虹吸上游進口段繞至下游河床。根據導流建筑物設計、建筑物場區河道地形、地貌條件等因素，導流建筑物的布置與主體工程分期施工相協調。梅溪河渠道倒虹吸全斷圍堰法導流建筑物由上、下游圍堰和導流明渠組成。上下游圍堰與渠道中心線大致平行，上游圍堰在距倒虹吸軸線70m處布置；下游圍堰在距倒虹吸軸線60m處布置。在梅溪河河道右岸開挖導流明渠，明渠進口布置在圍堰上游20m處，出口布置在圍堰下游30m處。

1.3圍堰設計

施工期上游擋水圍堰采用梯形斷面，堰頂寬度7m，堰頂高程Hd=hd+ha+δ。其中hd為下游水位高程，按汛期10a一遇洪峰流量（193m3/s）對應靜水位136.90m；ha為波浪爬高，ha取0；δ為圍堰安全超高，圍堰采用均勻土質圍堰，級別IV級，安全超高按0.50m。

根據以上公式，堰頂高程Hd=136.90+0.50=137.40m，圍堰頂高程取137.50m。因0.50%重現期洪水位達到138.00m，為避免出現險情，堰頂高程直接取到138.50m。

圍堰迎水面坡度1：2，迎水坡面鋪設塑料薄膜，從坡面延伸至坡腳外3m，用袋裝土壓蓋，并延伸至圍堰頂與背水坡塑料膜相連。背水坡比按1:2，塑料膜覆蓋，延伸至坡腳埋入土槽內。堰體填筑材料采用粘土或壤土，利用導流渠開挖料進行填筑。為利用堰頂面，堰頂采用磚渣修筑路面，以利通行。

下游圍堰采用弱膨脹土填筑。堰頂高程按136.00m，寬度3.00m，上下游邊坡1:2。

1.4導流明渠設計

導流明渠按10 a一遇洪峰流量設計，洪峰流量Q為193m3/s。導流明渠布置在梅溪河河道右岸，此段河道底部高程約134.50m，河道兩岸高程為135.30～139.50m，綜合考慮梅溪河流量、水深變幅，渠道斷面采用倒梯形，設計坡比1:2，明渠坡降1/500。

根據明渠均勻流試算公式，即曼寧公式和謝才公式試算：

式中：ω-過水斷面面積，m2；X-濕周，m；R-水力半徑，m；C-謝才系數；Q-10%重現期洪峰流量，193m3/s，對應水位136.90m，取137.00m；n-糙率；m-邊坡系數，1/2；i-坡降，1/500。

試算后，得到過水典型斷面為：底寬b=13.60m，上口寬度21.92m，過水斷面高度2.40m，取2.50m對應洪峰時的流速為4.44m/s。

采用厚塑料膜將過水斷面全斷面防護，接頭處在明渠過水斷面內挖槽，澆筑混凝土。在過水斷面坡頂用木樁拉鉛絲懸掛土袋壓蓋邊坡塑料膜，坡腳處用土袋連續壓蓋。過水斷面至原始地面間的坡面用塑料膜覆蓋，并壓在過水斷面的坡面上，在平臺上每隔1.00m放置土袋一個。

1.5過導流渠道路設計

由于沿渠道路必須跨過導流渠，為保證道路通行，在導流渠位置需設置漫水橋。橋下設置5排鋼筋混凝土管道，每排管道有6節直徑2000mm、壁厚100mm、單根長度1.50m的鋼筋混凝土管組成。每排管道之間留15cm空隙用于澆筑混凝土。管口底部與橋面上澆筑30cm厚的混凝土，橋面上設置路緣石，刷標志漆。

2　漫水橋對導流渠泄流影響驗算

2.1管道泄流量計算

2.1.1根據水力學計算公式（2）、（3）計算沿程阻力系數

式中：λ為沿程阻力系數；C為謝才系數；R為水力半徑，為1/2；n為管道內壁糙率，取0.02，計算得：λ=0.02。

2.1.2根據公式（4）計算上游總水頭

在洪峰流量時，管道上游渠內的行進流速v=4.44m/s，局部水頭損失ξ查表計算，單孔損失系數0.25，∑ξ=0.25×5 =1.25；則上游總水頭根據式（4）計算為：

即漫水橋前的水面高為2.75m。

2.1.3根據公式（5）計算管道流量

計算管道的流量結果如下：

則：5排管道過流量為91.50m3/s。

2.2水位壅高影響

從上述計算過程得知，由于漫水橋的影響，在洪峰流量時，水位在橋前壅高至2.75m，按照渠底坡度1/500，導流渠長度260m計算，導流渠進口底部高程134.50m，下游漫水橋前的底部高程為134.5-260×0.002=133.98m。按最不利條件考慮，水位線回溯壅高到上游圍堰前的高程為：134.5+2.75=137.25m，低于堰頂高程138.50m，因此對圍堰沒有影響。

2.3漫水橋頂面對泄流的影響

根據上述第2條驗算，實際上，因管道內壁頂面以上還有0.40m的阻擋位置和0.30m的防撞墩，當橋前水深達到2.40m時，橋面頂部開始形成漫流。

不考慮橋面防撞墩的影響時，堰頂寬度B為12.60m，堰頂水頭H為2.75-2.40=0.35m，堰頂厚度δ為9.00m，上游堰高P=0.40m，下游堰高P1=2.40m。根據水力學判別公式：當δ>10H時，水流形式為明渠均勻流；當δ<0.67H時，為薄壁堰流；當0.67H<δ<2.50H時，為實用堰流；當2.50H<δ<10H時，為寬頂堰流；漫水橋δ=9.00m（即橋面寬），10H=3.50m，符合上述條件1，應作為明渠流計算。

在洪峰流量193m3/s時，管道內泄流91.50m3/s，橋面泄流101.50m3/s。考慮防撞墩的影響時，過流斷面底寬b=13.60m，邊坡系數m=10，n=0.02，i=0.01，扣除防撞墩的影響面積，通過下式試算，

試算得橋面水面深為1.23m，橋面高程為133.98+2+ 0.40=136.38m，則橋面水位高程為137.61m，向上游回溯到上游圍堰處的高程為134.50+（137.61-133.98）=138.13m，仍然低于上游圍堰頂部高程138.50m。

3　導流渠兩岸堤頂的加固與防護

按照漫水橋對導流渠泄流影響驗算的方案進行驗算，水位最高可以在漫水橋處抬高到137.61m的高程，由于導流渠兩岸原始地面高程在135.30～139.50m之間，為保證水面線回壅的安全，在導流渠兩岸堤頂按照渠底坡降進行加高，采用弱膨脹土進行回填筑堤，保證最高3.63m的水位高度。弱膨脹土按照壓實度≥0.95分層碾壓，堤底寬度≥3m，內外邊坡按照1:2。修筑完成后用防雨布全覆蓋，與導流渠邊坡防護膜相接。