南水北调中线一期工程北汝河倒虹吸布置设计

□吴 迪（河南建筑职业技术学院）□祁建华（南水北调中线建管局河南直管局）

1.工程概况

北汝河倒虹吸位于河南省宝丰县东北大边庄与郏县渣园乡朱庄村之间，北汝河上，是南水北调中线总干渠沙河南-黄河南渠段穿越北汝河干流的大型河渠交叉建筑物,总长1282 m。工程主要建筑物从进口至出口依次为:进口渐变段、退水闸及过渡段、进口检修闸、倒虹吸管身、出口节制闸(检修闸)、出口渐变段。

根据南水北调中线一期工程总体设计,本工程设计输水流量为315 m3/s,加大输水流量为375 m3/s，设计水头0.5 m。

北汝河渠道倒虹吸属大型河渠交叉建筑物。工程防洪标准按100 a一遇洪水设计,300 a一遇洪水校核。北汝河天然洪水特性见表1。

表1 北汝河天然洪水特性表

工程场区为河谷地貌形态，地形较为宽阔平缓，北汝河自西向东流经本区，河道坡降2‰左右。河谷呈宽浅型，由于河流侧向侵蚀，河床由北向南迁移，两侧不对称。河流右岸为二级阶地，岸坡较陡；左岸为一级阶地，岸坡平缓。

河床宽浅，地面高程113.4～116.2 m，宽度70～120 m，枯水期水面宽30～40 m，水深0.6～1.2 m；漫滩两岸不对称，主要发育在左岸，宽度300～500 m，地面高程115.5～118.4 m。一级阶地分布于左岸，地形较为平缓，高程118.5～119.5 m；二级阶地分布于右岸，地形平坦，高程120.0～121.3 m，阶地前缘由第四系土层及上第三系砾岩构成岸坡，坡高3～5 m。

2.工程总体布置设计

2.1 建筑物轴线选择

选择建筑物轴线时，要结合建筑物工程区的地质条件、地形条件、河势以及建筑物的布置形式等，同时受到总干渠布置因素的影响。

北汝河河段越往上游河道越宽阔，高线方案建筑物长度较低线方案长很多，同时为确保总干渠水质，尽量减少交叉河流对干渠水质的影响，对集流面积较大、污染较重的河流交叉建筑物一律改为立交方式，采用低线方案，地势开阔，建筑物同上、下游渠道连接平顺，避开了人口稠密的村镇，地质条件满足要求。经综合比较,选择了现定的轴线。

2.2 河渠交叉建筑物型式选择

河渠交叉建筑物主要有暗渠、梁式渡槽、涵洞式渡槽、渠道倒虹吸、河道倒虹吸、排洪渡槽、排洪涵洞等多种型式,主要从河渠水位、流量的相互关系及安全运行等方面进行分析选择。

总干渠穿越北汝河交叉断面处总干渠渠道设计水位128.76～128.26 m，渠底高程121.76～121.26 m；天然河道百年一遇洪水位为122.11 m，三百年一遇洪水位为122.45 m，河床底高程113.4～116.2 m，宽度70～120 m；漫滩在两岸分布不对称，主要发育在左岸，宽度300～500 m，地面高程115.5～118.4 m；一级阶地分布于左岸，阶面宽度400 m，地面高程118.5～119.5 m。根据上述总干渠及河道的特征值高程关系，本次从以下三方面对交叉建筑物型式做了进一步复核。

首先，从河渠水位相对关系分析，若采用涵洞式渡槽，涵洞顶板1.2 m，主河槽段涵洞净高6.6 m，涵洞漫滩段最大净高5.1～2.1m，一级阶地涵洞净高不足2.0m，且交叉建筑物上游控制流域面积大，河道上游受人类活动影响，水流上部漂浮物多，很容易使涵洞发生淤堵，对工程安全造成严重影响。另外，由于涵洞式渡槽右边两联是大量开挖后修建而成，涵洞底板低于原地面4～5m，正常过流情况下，底部很容易产生淤积，将进一步减小过流断面面积，建筑物上游易造成大量壅水，建筑物整体稳定性难以保证。

其次，从流量关系分析，总干渠设计流量为315m3/s，加大设计流量为375m3/s，河道100年一遇设计洪峰流量为9220m3/s，300年一遇校核洪峰流量为11800m3/s，渠道流量远小于河道洪峰流量，交叉建筑物可采用渠道倒虹吸符合“小流量穿大流量”的原则。

再次，从安全运行分析，渠道倒虹吸口门为开敞式宽顶堰型式，其超泄能力远大于有孔口限制的河倒虹及涵洞的过流能力，而且不必担心小流量时的淤积问题，其安全性能远大于河倒虹及涵洞式渡槽。

综合以上分析，确定南水北调中线总干渠穿越北汝河的交叉建筑物采用渠道倒虹吸（见图1）。

图1 建筑物布置及结构示意图

2.3 建筑物长度选择

渠道倒虹吸的建筑物长度主要取决于预留河道行洪口门宽度。在初步设计阶段，根据水力计算及调洪演算结果，拟定北汝河行洪口门底宽650 m倒虹方案,河床因人为因素的影响发生了变化，行洪宽度2 km左右，这样缩窄行洪宽度较多，20年一遇洪水主槽水位壅高0.21 m，左岸滩地最大壅高1.10 m，淹没的范围、水深和滞蓄时间明显增加，尤其对上游村庄安全影响较大。结合治理规划调整建筑物布置方案，倒虹吸进口位置保持不变，出口向后延伸300 m，河道口门底宽950 m，扩大行洪宽度，满足河道行洪及上游村庄安全。

最终确定倒虹吸管身段水平投影长度为1143 m，其中平管段950 m，进口斜管段和出口斜管段分别为90 m和103 m。包括进出口渐变段和闸室段的建筑物水平投影总长度为1282 m。

3.倒虹吸管布置及型式选择

3.1 倒虹吸埋深方案

倒虹吸管顶的埋置深度或管顶高程，主要取决于布置建筑物后河床的冲刷情况。不同的埋置深度，直接影响到建筑物的结构尺寸和投资，因此口门冲刷深度是影响建筑物布置的重要因素，同时河道冲刷情况也是影响倒虹吸建筑物长度的重要因素。倒虹吸埋深应从河道冲刷、工程地质条件及工程安全性等几方面综合考虑确定。

河道冲刷计算一般可不考虑局部冲刷问题，只考虑河道的一般冲刷。由地质勘察报告可知，交叉断面处河床表层为砂卵石，厚度4.5～7 m，其下为砾岩和粘土岩。工程建成后，管顶以上以砂卵石回填，因此河道一般冲刷深度按非粘性土公式计算。

根据渠道倒虹吸技术规定，管顶应埋置在河道校核洪水冲刷线以下≥0.5 m，河底高程114.0 m，综合冲刷计算及水工模型试验的结果，管顶高程确定为109.5 m，管顶埋深4.5 m。

3.2 倒虹吸管型式

倒虹吸管身常用的断面型式有：圆形、箱形和直墙正反拱形。圆形管道与同样过水面积的箱形、拱形管道相比，其湿周小，水流摩阻力小、水流条件好、过水能力大，但其施工较为复杂，模板制作安装的难度大，施工周期长，尤其多孔排列施工难度大。直墙正反拱形管道的顶拱与底拱在施工中与圆形管道存在同样的问题，而且对温度变化及不均匀沉陷非常敏感。箱形断面结构形式简单，在低水头、大流量的倒虹设计中应用较为广泛，而且施工方便，施工质量能够保证，利于检修、清淤。由于以上原因，北汝河倒虹吸管身断面型式选用箱形。

3.3 倒虹吸孔数与高宽比比选

初步设计阶段将管身孔数分为6孔、5孔、4孔3种方案进行了孔口尺寸及结构尺寸的比选计算，并进行了3种方案管身段工程量的比较。

从不同孔数工程量表中可以看出，不同孔径、孔数及结构尺寸的箱形断面管身，孔数越少总体工程量越小，工程投资也越少。北汝河渠倒虹吸管身基础为砂岩、砂砾岩基础，纵向每15m设一沉陷缝，与其相比，横向尺寸不宜过大，并且北汝河属常年有水河流，河床上层砂卵石透水性强，倒虹基础已穿透承压水层，因此基坑开挖的排水任务大，从这个角度讲，管身应采用较小的孔高以减小基坑的挖深；考虑工程投资、地质情况及管身布置等因素，管身断面选用4孔两联，单孔宽7.0 m，孔高6.95 m，见表2。

表2 不同孔数工程量表

4.结语

北汝河渠道倒虹吸渠线长,建筑物工程量大,设计方案比选与优化尤为重要。为此,在工程方案优选及设计优化方面,要充分考虑总干渠总体最优的原则,结合交叉断面处的水文、地形地质条件、从河渠水位相对关系、流量关系、安全运行、施工方便等各方面综合进行分析和选择，从而确定倒虹吸的轴线、河渠交叉型式及长度、管身埋深、孔数等。