梅溪河渠道倒虹吸工程导流设计

□陈礼强（河南省水利第二工程局）

梅溪河渠道倒虹吸工程导流设计

□陈礼强（河南省水利第二工程局）

梅溪河渠道倒虹吸工程是南水北调中线总干渠穿越梅溪河的交叉建筑物，导流工程跨越时间较长，能否安全运行，确保施工期满足施工需要对工程施工至关重要。通过对导流工程进行设计及验算，按照经过设计验算的数据进行施工运行后，安全可靠，满足了施工导流需要和防汛要求，其经济价值在实际工程施工过程中得到了很好的应用和体现。

渠道倒虹吸；导流设计；实际应用

0　引言

南水北调中线一期工程总干渠陶岔渠首至沙河南段工程南阳段三标的梅溪河渠道倒虹吸工程，位于南阳市卧龙区七里园乡雷庄西南200m处，是南水北调中线总干渠穿越梅溪河的交叉建筑物。渠道倒虹吸总长度278m，设计流量340m3/s，加大流量410m3/s。进口处设计水位141.26m，加大水位141.99m；出口处设计水位141.08m，加大水位141.81m。梅溪河按50年一遇洪水设计，200 a一遇洪水校核，50 a一遇洪峰流量333m3/s，相应水位137.58m；200a一遇洪峰流量463m3/s，相应水位138.00m。工程区地震基本烈度Ⅵ度。

1　导流设计

1.1水文资料

根据设计及相关技术要求，施工导流度汛标准为10年一遇，即洪峰流量193m3/s、对应水位136.90m，详见表1。

表1　梅溪河洪峰流量、对应水位资料表

1.2导流规划及布置

梅溪河主河道较窄，汛期流量较大，施工导流设计采用全断面围堰法导流，导流渠通过倒虹吸上游进口段绕至下游河床。根据导流建筑物设计、建筑物场区河道地形、地貌条件等因素，导流建筑物的布置与主体工程分期施工相协调。梅溪河渠道倒虹吸全断围堰法导流建筑物由上、下游围堰和导流明渠组成。上下游围堰与渠道中心线大致平行，上游围堰在距倒虹吸轴线70m处布置；下游围堰在距倒虹吸轴线60m处布置。在梅溪河河道右岸开挖导流明渠，明渠进口布置在围堰上游20m处，出口布置在围堰下游30m处。

1.3围堰设计

施工期上游挡水围堰采用梯形断面，堰顶宽度7m，堰顶高程Hd=hd+ha+δ。其中hd为下游水位高程，按汛期10a一遇洪峰流量（193m3/s）对应静水位136.90m；ha为波浪爬高，ha取0；δ为围堰安全超高，围堰采用均匀土质围堰，级别IV级，安全超高按0.50m。

根据以上公式，堰顶高程Hd=136.90+0.50=137.40m，围堰顶高程取137.50m。因0.50%重现期洪水位达到138.00m，为避免出现险情，堰顶高程直接取到138.50m。

围堰迎水面坡度1：2，迎水坡面铺设塑料薄膜，从坡面延伸至坡脚外3m，用袋装土压盖，并延伸至围堰顶与背水坡塑料膜相连。背水坡比按1:2，塑料膜覆盖，延伸至坡脚埋入土槽内。堰体填筑材料采用粘土或壤土，利用导流渠开挖料进行填筑。为利用堰顶面，堰顶采用砖渣修筑路面，以利通行。

下游围堰采用弱膨胀土填筑。堰顶高程按136.00m，宽度3.00m，上下游边坡1:2。

1.4导流明渠设计

导流明渠按10 a一遇洪峰流量设计，洪峰流量Q为193m3/s。导流明渠布置在梅溪河河道右岸，此段河道底部高程约134.50m，河道两岸高程为135.30～139.50m，综合考虑梅溪河流量、水深变幅，渠道断面采用倒梯形，设计坡比1:2，明渠坡降1/500。

根据明渠均匀流试算公式，即曼宁公式和谢才公式试算：

式中：ω-过水断面面积，m2；X-湿周，m；R-水力半径，m；C-谢才系数；Q-10%重现期洪峰流量，193m3/s，对应水位136.90m，取137.00m；n-糙率；m-边坡系数，1/2；i-坡降，1/500。

试算后，得到过水典型断面为：底宽b=13.60m，上口宽度21.92m，过水断面高度2.40m，取2.50m对应洪峰时的流速为4.44m/s。

采用厚塑料膜将过水断面全断面防护，接头处在明渠过水断面内挖槽，浇筑混凝土。在过水断面坡顶用木桩拉铅丝悬挂土袋压盖边坡塑料膜，坡脚处用土袋连续压盖。过水断面至原始地面间的坡面用塑料膜覆盖，并压在过水断面的坡面上，在平台上每隔1.00m放置土袋一个。

1.5过导流渠道路设计

由于沿渠道路必须跨过导流渠，为保证道路通行，在导流渠位置需设置漫水桥。桥下设置5排钢筋混凝土管道，每排管道有6节直径2000mm、壁厚100mm、单根长度1.50m的钢筋混凝土管组成。每排管道之间留15cm空隙用于浇筑混凝土。管口底部与桥面上浇筑30cm厚的混凝土，桥面上设置路缘石，刷标志漆。

2　漫水桥对导流渠泄流影响验算

2.1管道泄流量计算

2.1.1根据水力学计算公式（2）、（3）计算沿程阻力系数

式中：λ为沿程阻力系数；C为谢才系数；R为水力半径，为1/2；n为管道内壁糙率，取0.02，计算得：λ=0.02。

2.1.2根据公式（4）计算上游总水头

在洪峰流量时，管道上游渠内的行进流速v=4.44m/s，局部水头损失ξ查表计算，单孔损失系数0.25，∑ξ=0.25×5 =1.25；则上游总水头根据式（4）计算为：

即漫水桥前的水面高为2.75m。

2.1.3根据公式（5）计算管道流量

计算管道的流量结果如下：

则：5排管道过流量为91.50m3/s。

2.2水位壅高影响

从上述计算过程得知，由于漫水桥的影响，在洪峰流量时，水位在桥前壅高至2.75m，按照渠底坡度1/500，导流渠长度260m计算，导流渠进口底部高程134.50m，下游漫水桥前的底部高程为134.5-260×0.002=133.98m。按最不利条件考虑，水位线回溯壅高到上游围堰前的高程为：134.5+2.75=137.25m，低于堰顶高程138.50m，因此对围堰没有影响。

2.3漫水桥顶面对泄流的影响

根据上述第2条验算，实际上，因管道内壁顶面以上还有0.40m的阻挡位置和0.30m的防撞墩，当桥前水深达到2.40m时，桥面顶部开始形成漫流。

不考虑桥面防撞墩的影响时，堰顶宽度B为12.60m，堰顶水头H为2.75-2.40=0.35m，堰顶厚度δ为9.00m，上游堰高P=0.40m，下游堰高P1=2.40m。根据水力学判别公式：当δ>10H时，水流形式为明渠均匀流；当δ<0.67H时，为薄壁堰流；当0.67H<δ<2.50H时，为实用堰流；当2.50H<δ<10H时，为宽顶堰流；漫水桥δ=9.00m（即桥面宽），10H=3.50m，符合上述条件1，应作为明渠流计算。

在洪峰流量193m3/s时，管道内泄流91.50m3/s，桥面泄流101.50m3/s。考虑防撞墩的影响时，过流断面底宽b=13.60m，边坡系数m=10，n=0.02，i=0.01，扣除防撞墩的影响面积，通过下式试算，

试算得桥面水面深为1.23m，桥面高程为133.98+2+ 0.40=136.38m，则桥面水位高程为137.61m，向上游回溯到上游围堰处的高程为134.50+（137.61-133.98）=138.13m，仍然低于上游围堰顶部高程138.50m。

3　导流渠两岸堤顶的加固与防护

按照漫水桥对导流渠泄流影响验算的方案进行验算，水位最高可以在漫水桥处抬高到137.61m的高程，由于导流渠两岸原始地面高程在135.30～139.50m之间，为保证水面线回壅的安全，在导流渠两岸堤顶按照渠底坡降进行加高，采用弱膨胀土进行回填筑堤，保证最高3.63m的水位高度。弱膨胀土按照压实度≥0.95分层碾压，堤底宽度≥3m，内外边坡按照1:2。修筑完成后用防雨布全覆盖，与导流渠边坡防护膜相接。

4　结语

梅溪河渠道倒虹吸导流工程按照经过设计验算的数据进行施工运行后，安全可靠，完全满足了施工导流需要和防汛要求，其经济价值在实际工程施工过程中得到了很好的应用和体现。

（责任编辑：左英勇）

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