南水北调中线工程排水倒虹吸布置的优化分析

□杨书统 □周志平（河南省水利勘测设计研究有限公司）

一、前言

南水北调中线工程是一项跨流域调水的特大型输水工程，沿伏牛山和太行山前平原开渠引水自流到北京、天津，穿越长江、淮河、黄河、海河四大流域，渠线全长1432km（含天津干渠）。跨渠排水建筑物是指集流面积＜20km2的河流和坡面集水区与总干渠交叉的建筑物，一般由总干渠的左侧流向右侧，为河道穿越总干渠型式，也称为左岸排水建筑物。根据河流底高程、洪水位与总干渠底高程和渠水位的关系，分为排水渡槽、排水倒虹吸、排水涵洞。其中排水倒虹吸为左岸排水建筑物中数量最多的一种型式，沿线分布广，工程规模也是差别很大，其工程布置直接影响交叉断面处河流的行洪能力及总干渠的安全。

二、工程概况

李村沟排水倒虹吸位于河南省平顶山市鲁山县辛集乡李村东北约300m处，是南水北调中线工程总干渠与李村沟之交叉建筑物，交叉断面以上河道集流面积3.1km2。交叉断面处总干渠桩号为SH(3)16+857.3。交叉断面天然状态下50年一遇洪峰流量为105m3/s，200年一遇洪峰流量为137m3/s。工程修建后50年一遇设计流量为94m3/s，200年一遇校核流量为119m3/s，建筑物总长221.5m，场区地震动峰值加速度小于0.05g，相当于地震基本烈度小于Ⅵ度，抗震设防烈度采用Ⅵ度。

三、总体布置

排水倒虹吸的工程布置应根据：倒虹吸管轴线在平面布置上的投影宜为直线，并宜与河流、沟渠、道路中心线正交；在满足总干渠渠道设计断面和不影响渠堤稳定的前提下，管身段的水平投影长度应尽可能短，但斜管段进出口不应布置在堤身部位；排水倒虹吸进出口一般以八字翼墙或圆弧翼墙与天然河道相接，进出口翼墙的平面布置应能平顺引导水流进入涵管或便于涵管出口水流向下游河道扩散，应采取措施避免涵管进口附近的翼墙顶部入流；排水倒虹吸设计应考虑泥沙淤积问题，应根据河床泥沙特性，视需要可在排水倒虹吸进口前布置拦砂设施，李村沟排水倒虹吸工程场区位于丘陵地带，地势北高南低,自北向南倾斜,平均地面坡降1/51.8，流域上游及沟道左岸为丘陵岗地，冲沟较深；下游及沟道右岸相对平坦。总干渠由西南向东北流过工程区，李村沟在此呈西北～东南流向，与总干渠呈106.47°斜交。根据地形、地质条件，并尽量使建筑物长度较短，进出口流态平顺等，选择李村沟排水倒虹吸按原沟道布置，李村沟排水倒虹吸工程中心线与总干渠中心线斜交，沿水流方向交角为106.47°。

四、工程布置

为达到水力条件良好，运行可靠并满足稳定、防渗、防洪要求，李村沟排水倒虹吸工程主要由进口连接段、管身段、出口消能防冲段等部分组成，总长221.5m。

（一）进口连接段

进口连接段总长45m。其中靠近倒虹吸进口设20m长的水平段，底宽为7.5m，底部高程126.45m，前端以1:5的坡与沟底连接，沟底高程129.45m；为便于与两岸联接并改善进流条件，设有半径为34m的圆弧翼墙，翼墙采用悬臂式挡土墙，墙顶高程133.83m；为减少清淤工作，在倒虹吸管身段前35m处布置一拦砂坎，坎顶高程为129.95m。

（二）管身段

倒虹吸中心线与总干渠中心线斜交，沿水流方向交角为106.470，水平投影总长129.5m。管身由进口斜管段、水平管段和出口斜管段三部分组成，其中进口斜管段水平投影长52.5m，进口斜管段坡度为1:6，水平管段长29m，出口斜管段长48.0m，出口斜管段坡度为1:6。倒虹吸进口底板高程126.45m，水平管段管底高程117.700m，出口底板高程125.70m。

管身在开挖基面上平铺0.1m厚的C10素混凝土。经水力计算，倒虹吸管管身由两孔3.5m×3.5m的钢筋混凝土箱涵构成，横向两孔一联。边墙厚0.65m，中隔墙厚0.5m，底板厚度0.65m，顶板厚度0.6m。倒虹吸管身段混凝土强度等级均采用C30。为防止接触冲刷破坏，在斜管段每段分缝处设置截水环，截水环外伸长0.5m、宽0.5m。

为防止渠道在倒虹吸段发生不均匀沉降，在管顶以上至总干渠渠底范围回填厚1.5m的高塑性土。在管身两侧、管顶以下施工基坑范围回填低压缩性土，其余填筑土料同总干渠填筑土料。为保证回填土和管身接触良好，对管身外壁涂两道粘土泥浆。并在截水环顶部沿管身纵方向埋设土工格栅。倒虹吸管相邻两段之间设伸缩沉降缝，缝内设止水，以适应建筑物因温度变化引起的变形和地基不均匀沉陷的影响。伸缩沉降缝缝宽20mm，管壁内设两道橡胶止水带，内侧采用30mm厚密封胶，填缝材料采用低泡沫塑料板。

（三）出口消能防冲段

倒虹吸管的出口段，通常做成消力池形式，池后用渐变段与原沟道衔接，以调整流速分布，避免冲刷下游沟道。本工程此段主要由出口消力池段、海漫段和防冲槽组成。出口消力池段紧接倒虹吸出口，长15.0m，底板高程125.70m，两岸为悬臂式挡土墙；海漫段长25m，分两部分，前一部分为连接段长15m，后一部分为水平段长10m，水平段底板高程129.00m，M7.5浆砌石护底，底板厚0.3m；为防止海漫底部遭受冲刷，在海漫末端设防冲槽，深2.0m。

（四）河沟控导及防冲设计

李村沟沟形较明显，为安全渲泄洪水，须对倒虹吸管上游沟道10m范围、下游沟道20m范围内进行削坡、整平、护砌处理，以平顺进出口水流条件。治理段采用梯形断面。一端与原沟道连接，底宽与现状沟道底宽一致；一端与倒虹吸进出口护砌段连接，断面要素同进出口护砌段，并对边坡进行浆砌石护砌。当地有关部门应对下游泄水沟道进行管理维护，防止当地群众私自乱挖乱掘，建房修路，以保证倒虹吸下游的泄流通道畅通。

（五）渗控设计

为了保证在正常条件下有效防止输水系统发生较大渗漏，渠道在短期内不发生严重溃决和倒塌，在左排建筑物管身进出口进行渗控设计。在渠道一级马道堤顶中心线下方对应部位的管身段两侧设置截渗齿墙两段。齿墙范围内的基坑回填低压缩性土，管身两侧及顶部1.5m范围内采用高压缩性土回填。结合渠道排水要求，在管身进出口段总干渠左右岸处外边坡采用贴坡式排水护坡，并在坡脚处设排水沟。

五、结语

排水倒虹吸作为南水北调中线工程交叉建筑物的一种重要型式，数量多、分布广、结构形式多样。其工程布置的优化直接影响着总干渠左岸交叉断面河流洪水的泄流及周边人民群众和财产的安全。合理优化排水倒虹吸的工程布置不仅能够节省投资，降低成本，而且能够保持原有河道自身的泄洪能力，保证整个南水北调工程经济合理、安全可靠、利国利民。