鄂北水资源配置工程2016年11标余店河倒虹吸优化设计

左文涛 赵晓露 孙亮科 关宇飞

1 工程概况

余店河倒虹吸位于湖北省广水市余店镇，系鄂北水资源配置工程总干渠与余店河及其支流余家畈河交叉需要而设置，设计流量7.4m3/s。原设计起点桩号218+850，终点桩号219+220，全长370m。平面上圆弧及直线布置，与河道垂直交叉。

进口段布置调整后起点桩号218+870，终点桩号219+220，全长350m，平面布置均位于直线段。

余店河倒虹吸分进口段、管身段和出口段3个部分，进口段设拦污栅，管身段为2.5m×3.0m单孔矩形钢筋混凝土箱涵，出口段包括出口闸，消力池和出口渐变段。

倒虹吸进口竖井及出口闸室段均位于基岩上，地基承载力满足建筑物要求。倒虹吸管身段与竖井及出口闸室衔接斜管段部分地基土为壤土，采用局部挖除换填处理。倒虹吸管身段其它段基础均为基岩，其承载力能满足建筑物要求。

2 工程布置优化

倒虹吸布置主要考虑因素首先是倒虹吸管尽量布设在地形、地质条件较好的地段，减少设计及施工难度；其次是倒虹吸管轴线在平面上投影宜为直线，并尽量与沟道正交。原设计余店河倒虹吸位置，倒虹吸进口段位于圆弧段，不利于设计及施工，故对进口段布置进行调整，调整后采用竖井式布置。倒虹吸进口段长度缩短20m，避开圆弧段，整个倒虹吸轴线在平面上投影均为直线。

2.1 进口连接段布置调整

2.1.1 原设计进口连接段

原设计进口段鄂北水资源配置工程干渠桩号范围为218+850.000—218+880.000，其中218+850.000—218+869.060段为圆弧曲线段，转弯半径为150 m。

倒虹吸进口连接段总长30.0m，由拦污栅段、渐变段及消力池段组成。具体布置图如图1所示。

图1 原设计进口连接段布置

拦污栅段为钢筋混凝土U形槽结构，长度为7.0m。底板顶高程为103.96m，拦污栅段中部设置固定式拦污栅，拦污栅栅条与水平夹角为80°。拦污栅段后接U形槽渐变段，渐变段长6.0m，底板顶高程为103.96m。渐变段后接消力池段。消力池段长14.0m，由4.0m长水平段，6.0m长陡坡段及4.0m长消力池段组成。消力池段后接倒虹吸管身段。

其中拦污栅段及渐变段均位于曲线部分，对于土建设计及施工，特别是拦污栅设计均较不利。

2.1.2 进口连接段优化布置

优化设计后进口段鄂北水资源配置工程干渠干渠桩号范围为218+870.000—218+884.500，原属于倒虹吸进口段的鄂北干渠桩号范围218+850.000—218+870.000段调整为余店河（张家湾）明渠段，转弯半径为150m。倒虹吸进口连接段总长14.5m，由拦污栅段及竖井组成。具体布置图如图2所示。

图2 优化设计进口连接段布置

拦污栅段为钢筋混凝土U形槽结构，孔口尺寸为3.8m×3.7m（宽×高），长度为7.0m，拦污栅段上游侧衔接余店河（张家湾）明渠，明渠为矩形渠，底高程为103.96m。拦污栅段中部设置固定拦污栅，拦污栅栅条与水平夹角为80°。

竖井截面为矩形断面，孔口尺寸为5.5m×3.8m，底板及壁厚为1.0m，上游侧孔口尺寸3.8m×3.7m，与拦污栅段衔接。下游侧孔口尺寸3.0m×2.5m，与倒虹吸管身段衔接。

2.2 水头损失复核

2.2.1 计算原则

根据鄂北水资源配置工程总干渠水头分配成果，按倒虹吸的总水头损失控制在0.24m以内设计。总水头损失只计算进口连接段上游至出口连接段下游的水头损失。

2.2.2 基本计算公式

式中 Q——过水流量，m3/s；

ω——过流断面，m3；

Z——进出口水位差，即总水头损失，m；

μ——流量系数，无因次量，与管内沿程摩擦损失及局部阻力损失有关；

ξf——沿程阻力系数；

Σξj——局部阻力系数之和；

L——全长；

R——水力半径；

hf——沿程水头损失，m

hj——局部水头损头，m；

v——管内平均流速，m/s；

g——重力加速度，m/s2。

夯实水泥土桩地基技术的特点包括：（1）夯实水泥土桩地基技术具有较大的承载力，有较强的稳定性和强度，可以承受较大的荷载；（2）夯实水泥土桩地基技术具有一定的压缩性，可以降低施工材料的使用效率，对材料的要求较低且便于就地取材，大大节省了材料的采购成本和运输成本；（3）夯实水泥土桩地基技术在施工过程中，对机械设备与辅助工具的要求不高，工程施工的具体操作方法比较便捷简单，并且具有施工效率高与施工成本低优势[2]。

2.2.3 计算管道沿程及局部水头损失

2.2.3.1 沿程水头损失

式中 L——管长，m；

R——水力半径，m；

V——管内流速，m；

C——谢才系数；

n——管道糙率，取n=0.015；

2.2.3.2 局部水头损失

式中 ξ进口——进水口的水头损失系数，取ξ进口=1.0；

ξ拦栅——拦污栅损失系数，ξ拦栅=1.5；

ξ出口——出水口的水头损失系数，经计算ξ出口＝1.0；

ξ弯折——弯折处的损失系数，ξ弯折=1.1。

倒虹吸水头损失见表1，进口段调整后水头损失满足设计要求。

表1 倒虹吸水头损失计算表

3 管身段壁厚优化

倒虹吸管身段埋深在3.0～8.0m之间，根据结构计算及抗冲、抗浮计算成果，对倒虹吸管身段壁厚优化，壁厚由60cm调整为45cm。

3.1 结构设计

倒虹吸管身段原设计为2.5m×3.0m单孔矩形钢筋混凝土箱涵，管身段长312m，采用C25钢筋混凝土（二级配）矩形箱涵，管身壁厚均0.6m，底板最低高程92.27m。根据结构计算及抗浮计算成果，倒虹吸管身段壁厚优化，壁厚调整为45cm。

倒虹吸进口调整后，倒虹吸管身段长307.5m，其中上游斜坡段51.04m，平管段长198.46m，下游斜坡段长58.00m。C25钢筋混凝土（二级配）矩形箱涵，管身壁厚均为45cm。管身段横断面图如图3所示。

图3 管身段横断面图

3.1.1 计算条件

倒虹吸埋深在3.0～8.0m之间。计算断面处校核洪水状况下管身段顶以上水深为10.16m。

3.1.2 计算工况及荷载组合

本次计算选取的计算工况主要有：

（1）工况1：基本组合，运行工况，自重+土压力+内水压力+外水压力；

（2）工况2：基本组合，检修工况，自重+土压力+外水压力。

3.1.3 计算方法

管身段结构计算采用结构的边值问题及数值解法，简化为非线性常微分方程组的边值问题，采用初参数数值解法，并结合结构的型式及荷载特点，以计算结构在各主动荷载及其组合作用下的内力、位移及抗力分布。

3.1.4 计算结果

综合考虑结构运行工况及检修工况下的受力特征，分别对管身段底板、侧墙进行配筋计算，并对构件典型断面上的裂缝宽度进行验算。计算结果见表2。管身段结构长期处于水下，为二类环境条件，最大裂缝宽度允许值0.30mm，经计算，各部位裂缝宽度均能满足限裂要求。

表2 管身段结构配筋及裂缝验算成果表

3.2 抗冲刷计算

余店河及支流余家畈河河床以壤土夹砾石、碎石为主，倒虹吸管身段冲刷的一般冲刷计算应用较广泛的为JTGC30—2015《公路工程水文勘测设计规范》64-1修正式。64-1修正式是根据输沙平衡原理建立的公式，计算形式为：

式中 hp——桥下河床一般冲刷后最大水深，m；

Ad——单宽集中系数；

Q2——桥下河槽部分通过的设计流最，m3/s；

μ——水流侧向收缩系数；

Bcj——桥下河槽部分河道过水净宽，m；

hcm——桥下河槽最大水深，m；

hcq——桥下河槽平均水深，m；

E——与含沙量相关系数，此处取0.66；

根据SL482—2011《灌溉与排水渠系建筑物设计规范》，地埋式倒虹吸管穿越河流时应埋入设计洪水冲刷线以下0.5m，此处最小覆土深度不应小于2.86m。本工程倒虹吸管身段管顶以上回填最小覆土深度3.0m，满足冲刷深度要求。

3.3 抗浮计算

进行倒虹吸抗浮计算时，选取水位最高、管内无水的工况。抗浮稳定安全计算公式：

式中 kc——计算的抗浮安全系数；

G——管身结构自重；

GE——上部回填料自重；

GW——管内水重；

W——作用于管段的浮托力。

抗浮计算结果表明管身段自身重力即可以满足1.10的抗浮安全系数，余店河倒虹吸管身段管顶以上最小覆土深度3.0m，满足抗浮要求。

4 结语

本文主要为余店河倒虹吸进口段布置优化及倒虹吸管身段壁厚调整。经水力学计算和结构计算、冲刷计算、抗浮计算等验证优化成果是合理、可行的。通过布置及结构优化后，可降低工程施工难度，减少工程投资，进一步加快工程进度，有利于尽快发挥工程效益。