某大型渠道工程穿河倒虹吸布置設計

呂彥偉 杜君行

倒虹吸管是設置在渠道與河流、谷地、道路相交處的壓力輸水建筑物[1]。在長距離輸水工程中應用較多。本文以某大型渠道工程穿河倒虹吸為例，對設計流量大、所穿河流寬的大型渠道穿河倒虹吸的選型過程和倒虹吸管的布置原則進行詳細闡述，總結穿河倒虹吸工程選型和布置的基本思路，為類似工程設計提供參考。

1 工程概況

某大型跨流域輸水渠道工程設計流量310 m3/s，與河流交叉處采用渠穿河倒虹吸穿越，總長1 048 m，屬于大型河渠交叉建筑物。設計洪水標準與所在渠段一致，穿河倒虹吸設計洪水標準為100年一遇，校核洪水標準為300年一遇。穿河倒虹吸主要建筑物由進口至出口依次為：進口漸變段、進口閘室段、管身段、出口閘室段、出口漸變段。

工程區極端最高氣溫為35.2 ℃，極端最低氣溫為-32.4 ℃。多年平均年降水量為551 mm，多年平均封凍天數132 d左右，最大凍土深度為2.0 m。多年平均風速4.12 m/s，最大風速可達22 m/s。倒虹吸坐落在級配良好細礫層上。

2 河渠交叉型式比選

2.1 河渠交叉建筑物型式選擇

河渠交叉建筑物主要有暗涵、梁式渡槽、涵洞式渡槽、渠道倒虹吸、河道倒虹吸、排洪渡槽、排洪涵洞等多種型式，從河渠水位、流量的相互關系，防洪影響和運行管理等方面進行綜合分析選擇[1]。

（1）從河、渠水位相對關系分析，渠道設計水位81.92 m，渠道設計底高程75.20 m，所穿河流天然設計水位81.64 m，河流天然底高程77.91 m。渠道設計底高程低于所穿河流天然設計水位，不滿足梁式渡槽槽下凈空的要求，不具備梁式渡槽穿越條件，同時河流天然設計水位接近渠道設計水位，若采用涵洞式渡槽，槽身受洪水沖擊，存在安全隱患，采取工程措施所需工程量較大，故排除涵洞式渡槽型式[2]。渠道設計水位高于所穿河流天然設計水位，不滿足暗渠的要求；渠道設計底高程低于河流天然底高程，凈空不滿足排洪涵洞的要求。綜上可知，從河、渠水位相對關系角度宜采用倒虹吸型式。

（2）從河、渠流量相對關系分析，渠道設計流量310 m3/s，所穿河流100 年一遇設計洪峰流量1 421 m3/s，渠道設計流量遠遠小于河流設計流量，本著“?。髁浚┐┐螅髁浚钡脑瓌t確定交叉型式為渠穿河倒虹吸。

2.2 正交、斜交方案比選

本工程渠道走向與所穿河流方向為斜交，倒虹吸與河道斜交布置可減少轉彎段，上下游渠道與倒虹吸銜接平順；正交布置需在倒虹吸進出口設置轉彎段與渠道銜接，但相應可以降低倒虹吸長度，節省投資。故進行正交、斜交方案比選，以確定倒虹吸的布置方式。正交、斜交兩方案的倒虹吸比選范圍包括：倒虹吸進出口漸變段、閘室段、管身段布置，以及受倒虹吸布置影響的上、下游部分渠道。不論正交方案還是斜交方案，分配的水頭維持一致，在此基礎上分別進行正交、斜交方案的設計及工程量計算。正交、斜交方案管身段對比見表1。

表1 正交、斜交方案倒虹吸管身段對比

由表1可知，倒虹吸斜交方案比正交方案管身段長度增加350 m，管徑也較正交方案加大，工程投資相較正交方案增加約7 645 萬元。斜交方案與輸水渠上下游銜接相較正交方案更平順，但考慮輸水渠設計流速較?。?1 m/s），彎道渠坡均設置防護，且轉彎半徑滿足5倍彎道段水面寬度，設置彎道對渠道與倒虹吸進出口銜接有一定影響但影響不大。綜上，正交方案相較斜交方案優勢明顯，倒虹吸采用與河道正交布置方案。

3 倒虹吸管布置設計

3.1 倒虹吸管頂埋深比選

倒虹吸管頂埋置深度主要考慮河床沖刷深度、河道水流條件及工程區最大凍深。本工程渠道與河道交叉斷面附近河道比較順直、開闊，屬于比較明顯的寬淺式河槽，主河槽水流穩定，位置相對固定，非游蕩性河流。河道沖刷深度按TB 10017—1999《鐵路工程水文勘測設計規范》有關公式分河槽、灘地進行計算。

經計算河槽部分100 年一遇洪水沖刷深度為2.81 m，300年一遇洪水沖刷深度為3.00 m；灘地部分100年一遇洪水沖刷深度為0.13 m，300年一遇洪水沖刷深度為0.25 m。結合倒虹吸管所在河段水流條件，河床的沖刷情況，對倒虹吸管埋置深度進行深埋方案和淺埋加防護方案進行比較。

深埋方案：倒虹吸管埋置深度依據按河道300年一遇洪水沖刷深度以下1 m 的原則確定，管頂最小埋深4 m 且滿足抗浮穩定要求。該方案不考慮管頂的河底護砌工程，僅兩岸倒虹吸進出口平臺鄰水側岸坡采取防沖護砌措施。

淺埋加防護方案：此方案不必將倒虹吸管身埋置于校核洪水沖刷線以下，綜合考慮設計凍深、下游沖刷、倒虹吸管身的抗浮及抗滑穩定將倒虹吸管頂埋置于河底以下2.5 m，并對管頂側河床進行防護，其中河槽段采用50 cm 厚格賓防護，灘地段采用17 cm 雷諾護墊防護，防護范圍為倒虹吸管中心線上下游各延伸50 m，以保證建筑物的安全運行。該方案管頂高程為75.41 m，高于校核洪水沖刷深度0.50 m，河底及兩岸倒虹吸進出口平臺鄰水側岸坡均需采取防沖護砌措施。深、淺埋方案管身段投資對比見表2。

表2 深、淺埋方案倒虹吸管身段投資對比 萬元

由表2對比分析，如采取深埋方案，倒虹吸管頂埋置于沖刷深度1 m以下，開挖回填工程量較大，倒虹吸管管身荷載增加，對應鋼筋、混凝土工程量增加，且施工階段基坑排水費用增加，深埋方案比淺埋加防護方案增加投資約1 905 萬元。綜合考慮后采用淺埋加防護方案。

3.2 倒虹吸管型式比選

倒虹吸管的斷面型式主要有圓形、外城門洞內圓形、箱形等。圓形斷面，管道濕周小，與同樣大小過水面積的箱形管道比，水流條件好和過流能力大。圓形管管壁所受內水壓力均勻，抵抗外部荷載性能好。預制圓管施工方便、適宜于工廠內成批生產，但當管徑較大時，如采用預制生產，制造設備復雜，吊運安裝相當困難；因本工程渠道輸水量較大，設計管徑均在7 m 以上，因此不宜采用。外城門洞內圓形斷面，水流條件與過流能力與圓管相當，所受內水壓力均勻，在外壓較大時受力條件優于箱形斷面，三材用量較省。箱形斷面具有形狀規則，結構型式簡單，受力明確，便于多孔組合，上下游銜接平順，易于施工、便于檢修和防淤等優點，但是其受力性能不及圓管和外城門洞內圓形斷面，三材用量略多。

針對上述倒虹吸管斷面形式的主要優缺點，結合本工程實際情況，針對箱形斷面和外城門洞內圓形進行比選，典型斷面型式如圖1 和圖2 所示。從投資角度分析，外城門洞內圓形斷面型式相比箱形斷面每延米工程量可節省約15%，總投資節省約1 140 萬元。從施工角度分析，當內模為圓形時，模板的受力條件最好；外模為方形或城門洞形時，更便于混凝土入倉，因此，從施工方法來說，外斷面為城門洞形，內斷面為圓形時更有利于施工。從溫度控制角度分析，外城門洞內圓形斷面的頂拱與底拱等部位對溫度變化和不均勻沉陷非常敏感，若采用外城門洞內圓形斷面，需采取科學有效的溫控措施和地基處理措施?？紤]到穿河倒虹吸長度較長，投資占比較大，從節省投資、施工和溫控角度綜合考慮，倒虹吸管型式選用外城門洞內圓形斷面，現場澆筑。

圖1 箱形斷面（單位：mm）

圖2 外城門洞內圓形斷面（2孔一聯共4孔方案，單位：mm）

圖3 外城門洞內圓形斷面（3孔一聯共6孔方案，單位：mm）

3.3 倒虹吸管孔數比選

渠道設計流量310 m3/s，引水規模較大，在滿足輸水能力要求的情況下，如采用3孔一聯方案單孔寬度偏大，且倒虹吸管總寬度超過25 m，超過倒虹吸管不設置結構縫的最大間距，所以調整為兩聯外城門洞內圓形斷面，中間分縫，本工程比較了2孔一聯共4孔和3孔一聯共6孔方案，分別對2種方案管身段進行工程量比較，選擇工程量較小的方案。斷面型式分別如圖2、3所示，管身段主要工程量見表3。

表3 4孔、6孔方案管身段工程量對比

從表3 可以看出，除土方開挖和回填量6 孔方案略優于4孔方案，其他工程量4孔方案均優于6孔方案，投資角度分析4 孔方案優于6 孔方案，所以倒虹吸管孔數選擇2 孔一聯共4 孔方案，單孔直徑為7.5 m。

4 結 語

本工程穿河倒虹吸長度較長，規模較大，投資較高，在布置設計時，需進行充分的方案比選，著重考慮以下方面。

（1）需從河、渠水位流量相對關系分析確定河渠交叉建筑物型式。

（2）渠道走向與河道盡量正交以利于倒虹吸布置，如渠道軸線與河道斜交，交叉處上下游可設置轉彎段，盡可能與河道成正交，以減少倒虹吸長度，節省工程投資。

（3）倒虹吸管頂埋深應綜合考慮河床沖刷深度要求、設計凍深要求以及對投資影響等分析比選確定，并考慮對布置有倒虹吸的河段進行適當防護。

（4）倒虹吸管型式、孔徑和孔數選擇應從輸水能力、受力性能、溫度控制、施工難度、工程投資等角度，經過充分比選確定。