南水北调中线河（渠）渠交叉工程主要类型及渡槽类总体布置原则

陈卫国

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

1 南水北调中线工程概况

南水北调中线工程是一项跨流域、跨省市的特大型水利工程，是优化我国水资源配置、关系实现全面建设小康社会宏伟目标的重大基础性战略工程，对国民经济全局和中华民族的长远发展具有重大而深远的意义。南水北调中线工程南起湖北省丹江口水库、北至北京市颐和园的团城湖，输水总干渠全长1275km，其中河北省渠段由冀豫交界处的漳河北始至冀京边界处的北拒马河中支南止，全长464.037km。南水北调中线一期工程年均调水规模为95亿m3。该工程不仅有效缓解京津和华北地区的缺水状况，而且改善了区域生态环境，支撑受水区国民经济和社会可持续发展，惠及子孙后代。

2 渠道建筑物主要类型

为保障总干渠安全输水，防止水质污染，提高供水保证率，便于运行管理，总干渠与沿途河流、灌渠、铁路、公路的交叉工程全部采用立交布置。因此，渠道需布置和采用的建筑物包括：控制工程、河渠交叉大型工程、隧洞工程、左岸排水工程、渠渠交叉工程、公路交叉工程和铁路交叉工程7种类型。

2.1 控制工程

控制工程是指控制渠道运行的建筑物，包括节制闸、退水闸和分水口门。

2.2 河渠交叉工程

交叉断面以上流域面积大于等于20km2的天然河道与总干渠的交叉建筑物为河渠交叉大型工程（简称河渠交叉工程）。

河渠交叉建筑物型式分为：梁式渡槽、涵洞式渡槽、渠道倒虹吸、渠道暗渠、排洪涵洞、排洪渡槽、河道倒虹吸7种。前4种为渠穿河型式，需消耗总干渠水头；后3种为河穿渠型式，不消耗总干渠水头。

2.3 隧洞工程

总干渠经过山体时，经绕山和穿山线路方案比选后，采用穿山方案时，均采用隧洞工程。

2.4 跨（穿）渠排水工程（左岸排水工程）

交叉断面以上流域面积小于20km2的天然河道及无天然河沟的坡水区，与总干渠的交叉建筑物其规模一般偏小，为河渠交叉小型工程，因此一般按照跨渠排水建筑物设计。

穿南水北调总干渠的河流一般由总干渠的左侧流向右侧，故跨渠建筑物亦称左岸排水建筑物。左岸排水工程分为排水渡槽、排水涵洞和排水倒虹吸，也有极少个别地段为右岸排水建筑物。

左岸排水建筑物的型式根据河沟底高程、洪水位与总干渠底高程和渠水位的关系，共分4类：排洪槽类、河道倒虹吸类、排洪涵洞类、入渠类。

2.5 渠渠交叉工程

总干渠与灌溉渠道的交叉建筑物为渠渠交叉工程。

渠渠交叉工程分为灌渠渡槽、灌渠涵洞（管）和灌渠倒虹吸。中线总干渠与石津灌区总干渠、沙河灌区总干渠的交叉工程规模较大，归入河渠交叉工程内，前者称为石津渠暗渠，后者并入孟良河渠道倒虹吸工程。

2.6 公路交叉工程

总干渠与公路的交叉建筑物称为公路交叉工程。

2.7 铁路交叉工程

总干渠与铁路的交叉建筑物称为铁路交叉工程。

本渠段共布设总干渠交叉建筑物334座，其中：控制建筑物37座，河渠交叉建筑物23座，隧洞7座，左岸排水建筑物105座，渠渠交叉建筑物29座，公路交叉建筑物131座，铁路交叉建筑物2座。

本文主要介绍河渠交叉工程、跨渠排水工程和渠渠交叉工程3类水利工程的具体分类原则和使用条件，并且重点论述渡槽工程的具体总体设计原则。

3 河（渠）渠交叉建筑物主要类型及适用条件

3.1 渠穿河交叉建筑物主要类型

当河道100a一遇洪峰流量较大时，可采用大型渠穿河交叉方式，即采用渠道建筑物型式来穿越，并按以下条件选择建筑物型式：

（1）梁式渡槽

总干渠渠道设计水位高于河道设计洪水位，且渡槽梁底高程高于河道校核洪水位0.5m以上。

（2）涵洞式渡槽

总干渠渠道设计水位虽高于河道设计洪水位，但净空不能满足河道明流泄洪要求；槽身部分挡水，挡水高度应满足上游淹没限制和建筑物本身安全条件。

（3）渠道暗渠

河道底高程高于渠道设计水位，渠水可呈无压流状态从河底以下穿过，且通过加大流量时的净空不小于0.5m。

（4）渠道倒虹吸

当河渠相互水位关系及建筑物布置条件不适于上述3种型式时采用。

结合每一座河渠交叉建筑物的地形、水位条件，进行了不同穿越方式的比较，经过技术经济合理性分析论证。总干渠共布置河渠交叉建筑物23座。其中梁式渡槽3座、渠道倒虹吸16座、暗渠2座、排洪涵洞2座。

3.2 河穿渠交叉排水建筑物主要类型

当河道100a一遇洪峰流量较小时，可采用河穿渠交叉方式，即采用修建河道建筑物来穿越交叉。具体型式主要是根据河沟的底部高程、洪水位与总干渠的底部高程、渠水位的相互关系，在河道倒虹吸、排洪涵洞和排洪槽（跨渠渡槽）3种型式中选择：

（1）排洪渡槽：河道底高程高于总干渠渠道加大水位以上0.5m者，拟定为上排水，即排水渡槽（也称排洪渡槽）；

（2）排洪涵洞：当河沟底部高程较低，河道校核洪水位位于总干渠渠底高程0.5m以下者可建排洪涵洞；

（3）排洪倒虹吸：当河沟底部高程在总干渠渠底附近或位于总干渠渠底与加大水位之间时，可建排洪倒虹吸（也称河道倒虹吸）。

总干渠左岸排水建筑物 （包括右岸排水的白莲峪排水倒虹吸）共105座，其中排水渡槽22座，排水涵洞18座，排水倒虹吸65座。

3.3 渠渠交叉建筑物主要类型

总干渠与原有灌溉渠道交叉时，需要修建渠渠交叉建筑物来穿越总干渠。穿越型式均采用灌溉渠道穿总干渠的交叉型式，以节约总干渠宝贵的水头。

对于灌溉渠道设计流量大于0.8m3/s者，单独布设渠渠交叉建筑物；小于0.8m3/s者，可多条渠道合并后，选择合适位置布设渠渠交叉建筑物。

渠渠交叉建筑物长度根据总干渠上开口宽度确定。

结构型式分为灌渠渡槽、灌渠涵洞和灌渠倒虹吸3种。主要依据灌溉渠道设计水位、渠底高程和总干渠设计水位、渠底高程之间的关系确定。

（1）灌渠渡槽：当灌溉渠道底高程高于总干渠加大水位且两者之间的净距满足总干渠过流要求时，交叉型式采用渡槽；

（2）灌渠涵洞：当灌溉渠道设计水位低于总干渠渠底高程且两者之间的净距满足净空要求时，交叉型式采用涵洞；

（3）灌渠倒虹吸：当不满足前面两条件时，则采用倒虹吸。

总干渠调整后共设有渠渠交叉建筑物29座。其中灌渠渡槽16座、灌渠涵洞2座、灌渠倒虹吸11座。

4 总干渠渡槽、排水渡槽、灌渠渡槽的总体设计布置原则

4.1 总干渠渡槽工程

4.1.1 总体布置原则

为提高运行的可靠性，同时考虑检修方便，槽身宜选择多槽方案。根据流量要求和槽身受力合理性，一般以双槽一联或者三槽一联。

4.1.2 选址

渡槽中心线及槽身起止点位置一般由渠道总体设计中确定。

（1）新槽址在地质条件、地形条件方面具有明显优势；在满足河道行洪条件及渡槽使用条件情况下，槽身长度较短。

（2）新槽址河床稳定、水流顺直，且轴线与水流方向正交。

（3）渡槽与上、下游渠道的连接，在平面上应成直线。

4.1.3 建筑物长度确定

（1）渡槽长度和跨度的确定应在不对河流防洪排涝造成大影响的前提下，尽量减少工程量。

（2）须进行不同槽长的方案进行调洪演算，求出各有关频率洪水对应的河道最高洪水位，通过对当地防洪排涝的影响和工程投资对比分析论证后确定渡槽长度和跨度。一般渡槽上游20a一遇洪水最高水位壅高值宜控制在0.3m以内。

（3）渡槽中墩和边墩临水侧应以有利于河道行洪为布置原则，边墩要满足渡槽承重及挡土要求。

4.1.4 进出口建筑物的结构型式和布置

进出口建筑物包括进出口渐变段、槽跨结构与两岸渠道的连接建筑物（槽台、挡土墙等）、检修闸，有的还需设置节制闸、退水闸、交通桥等。

4.1.5 进出口渐变段及连接段

渐变段使水流在渠道与渡槽之间实现平顺过渡。渐变段与槽身相连的一端，近于直立，宜采用钢筋混凝土挡土墙。

渐变段与槽身段之间可根据需要设连接段，以布置交通桥、节制闸、检修闸。连接段过水断面尺寸同渡槽槽身，因渡槽中墙与闸室段中墩厚度不同，其中墙和侧墙厚度采用渐变型式，长度应根据具体情况布置，一般取20～30m。

节制闸与退水闸应根据《总体设计》设置，如果总体设计中该渡槽无节制闸，可考虑留检修门槽和中闸墩。一般来说，节制闸、检修闸宜设在连接段，退水闸宜布置在进口渐变段之前。

连接段还应布置检修门库。在有冻胀的地区，渐变段、连接段侧墙后应换填非冻胀类土。

4.1.6 槽跨结构与两岸渠道的连接方式

（1）渐变段顶高程：由于总干渠渠堤低于渡槽侧墙顶高程，渐变段顶高程应在二者之间实现平顺过渡，但纵坡应不陡于交通要求；

（2）槽身与进出口闸室的连接型式：其连接形式主要决定于河道行洪断面对边坡的要求。若因修建渡槽影响河道行洪时，一般采用直立挡墙式连接；否则为减小工程量采用斜坡式，但要注意避免斜坡回填土对槽身侧墙受力的影响。

若斜坡式连接段为回填段，或者为软弱地基，应尽量控制好填方渠道的沉陷，做好防渗漏处理。有承载力要求的填土宜采用碎石土填筑，分层夯实，上部做好防渗和止水。填方渠道末端的锥体土坡不宜过陡，并进行砌石护坡，坡脚设排水沟以导渗和排水。

直立挡土墙式连接，一般挡墙高度较高，应采用换填法基础处理，以满足承载力和沉陷量要求，避免因沉陷造成撕破槽身止水。

4.1.7 槽身段的结构布置

槽跨段结构布置是渡槽设计的关键，主要包括选定槽跨段各组成部分（槽身、支承、基础等）的结构型式、材料和跨度，拟定各组成部分的尺寸和高程。

（1）槽身段尾部宜设置集水井，以利检修时排水。

（2）结构尺寸应通过多方案比较和结构应力分析，经过充分论证、优化才能最终确定。优化原则为在安全可靠、方便施工的前提下尽可能经济、美观。应进行不同跨度、不同结构形式的方案比较。

（3）渡槽的下部结构一般采用重力墩或排架与桩基础或排架与刚性基础组合在一起的型式。

（4）重力墩墩身截面形状有多种型式，在选用时主要考虑水流特性，尽量减少墩旁河床的局部冲刷和水流压力并使水流顺畅通过槽孔，常用的截面形式有圆端型槽墩，即墩身截面为矩型，两端各加一个半圆。

（5）桩群的布置可采用对称型、梅花型或环型，桩和桩基的构造。

4.2 排水渡槽

4.2.1 排水渡槽类总体布置原则

（1）建筑物轴线应尽量与渠道轴线垂直，必要时可对河沟进行控导处理。在特殊情况下，建筑物轴线也可不与渠道轴线垂直，但排洪槽的墩的走向应与渠道轴线一致。

（2）建筑物进口不设拦污栅、工作闸门、检修门，原则上不设沉沙池，必要时，排洪涵洞与倒虹吸进口可设拦大型漂浮物的排架。

（3）进出口一般可用圆弧翼墙、八字墙（统称导墙）等与总干渠堤坡防护层连接，长度不宜太大；墙顶高程可根据总干渠外坡情况渐降，进出口一般不使用扭曲渐变段。

（4）当建筑物出口底高程高于下游河底时，可采用斜坡海漫向下游河床过渡，一般不采用跌水。

（5）出口发生急流或以陡槽过渡到下游河床时，应设消力池。

（6）排洪槽类和涵洞类排水建筑物有可能与跨渠交通通道结合，兼有交通功能的排水建筑物布置还应满足相应规范的规定。

（7）建筑物过水断面的确定应以常遇洪水（一般10a一遇，影响大的居民点按20a一遇）下不恶化当地防洪、除涝条件（一般壅高水位值控制在0.3m以内。经论证，在不造成危害或损失的情况下，壅高水位值还可考虑加大）为主要原则。同时，还要顾及发生设计洪水、校核洪水时的情况。

（8）相邻河沟分水岭不高时，可能发生串流现象，此时，要进行有关河沟的统一调洪计算。

4.2.2 排水渡槽纵向布置原则

（1）排洪槽的水力设计确定过水断面，进出口段的设计按八字墙或圆弧翼墙考虑。

（2）纵梁底高程至渠道加大水位的净空一般不小于0.5m，在有流冰的渠段，纵梁底应高于加大水位以上0.75m。

（3）总干渠一级马道为管理维护交通通道，若交通通道在排洪槽下通过时，梁底应高于路面4m。若不满足净空要求时，应为交通通道另设跨槽公路桥并确定与一级马道连通的方式。

（4）条件允许时，排洪槽宜适当增大纵向比降，以减小工程量。

（5）排洪槽的跨度要作技术经济比较，宜采用较大的跨度。

（6）渠底宽范围内要尽量不设或少设槽墩。处于渠道水流中的槽墩应尽可能减小厚度，并采用流线型墩头。

（7）边墩应置于一级马道外侧；一级马道路面宽度内不布置槽墩。

4.2.3 排水渡槽横向布置原则

（1）横向尺寸的确定应以调洪计算的结果为依据，并对槽宽、槽深作方案比较。

（2）在通过200a一遇洪水时，槽身不发生漫溢。

（3）槽身一般按单线、单槽设计。个别水流条件限制，河道为宽浅型式，并考虑槽身受力条件，也可以布置双槽或三槽。

（4）槽身横向设拉杆时，拉杆底应高于加大水位。必要时可考虑溢流措施，以防止运行时满槽水情况。

4.3 灌渠渡槽

4.3.1 灌渠渡槽总体布置原则

（1）确定建筑物断面尺寸时，应尽量减少对原灌渠水面线衔接的影响。

（2）对渠渠交叉渡槽，建筑物轴线宜与总干渠轴线垂直，槽墩的走向应与总干渠轴线一致。对于渠渠交叉倒虹吸 (涵洞)，建筑物轴线宜与总干渠轴线垂直，两端与原灌渠连接关系及联接工程量进行方案比较。

（3）建筑物进口不设工作闸门、检修门、拦污栅、沉沙池。

（4）进出口设置在总干渠堤坡脚外0.5m，一般可用圆弧翼墙、八字墙等型式。

（5）出口发生急流或以陡槽过渡到下游渠道时，应设消力池。

（6）建筑物过水断面的确定应在满足灌渠设计流量的前提下，以不对灌渠水面衔接产生过大影响为原则，选择经济合理的断面。

4.3.2 灌渠渡槽纵向布置

（1）灌渠渡槽一般按梁式渡槽布置，进出口段一般采用八字墙或圆弧翼墙。

（2）纵梁底高程应不低于一级马道或渠顶高程。

（3）总干渠一级马道为管理维护交通通道，若交通通道在渠渠交叉渡槽下通过时，梁底应高于路面4.5m。当无法满足时，应设跨槽公路桥或其它与一级马道的连接通道。

（4）灌渠渡槽的跨度应作技术经济比较，宜采用较大的跨度，并考虑横向稳定的要求。

（5）总干渠渠底宽范围和一级马道宽度范围内不设槽墩。处于渠道水流中的槽墩应尽可能减小厚度，并采用流线型墩头。槽墩阻水面积不超过总干渠过水断面面积的5%。

4.3.3 灌渠渡槽横向布置

（1）渡槽槽身横断面宜采用矩型或U型。满槽时槽内水深与水面宽度的比值矩型断面可取用0.6～0.8；U型断面可取用0.7～0.9。槽身过水断面的平均流速宜控制为1～2m/s(当灌渠下游护砌良好的，流速可增大)。

（2）矩型断面渡槽槽身侧墙高度可取槽内设计水深的13/12加0.05m或槽内加大水深加0.1m中的大值；U型断面渡槽可取槽身直径的11/10或槽内加大水深加0.1m中的大值。

（3）槽身横向设拉杆时，拉杆底不应低于满足计算超高要求的侧墙高。

5 结语

通过对南水北调中线大型跨流域调水工程进行设计实践，总结了渠道建筑物设计要考虑的具体工程技术，从而深入研究了各类河渠交叉建筑物的使用条件。并且对渡槽工程的功能进行了详细分类论证，对不同作用的渡槽设计原则进行了综合性总结和论述，对我国渠道建筑物工程设计的发展和完善起到有利的推动作用。

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