梅河倒虹吸優(yōu)化布置分析

□李慶亮 □馮瑞軍（河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司）

一、工程概況

梅河倒虹吸工程位于新鄭市龍王鄉(xiāng)，是南水北調(diào)中線一期工程總干渠與梅河的交叉建筑物。梅河系淮河流域沙潁河水系雙洎河的支流，為一條季節(jié)性河流，自北西轉(zhuǎn)向南流經(jīng)工程場(chǎng)區(qū)，河道坡降2.5‰左右，河床呈淺槽型。梅河與總干渠交叉斷面以上控制流域面積24.8km2。100年一遇天然洪峰流量為353m3/s，300年一遇天然洪峰流量為460m3/s。

二、建筑物的布置

（一）軸線選擇

在選擇建筑物軸線時(shí)，應(yīng)同時(shí)照顧到上下游渠道的走向與布置?？偢汕赖倪x線原則為：為確保總干渠工程輸水安全，盡量避免深挖方和高填方，盡量使水面線與地面持平；在保證安全輸水前提下，以線路短、投資省為目標(biāo)，渠線力求順暢，并布設(shè)在地質(zhì)條件相對(duì)較好的地段；盡量避開(kāi)居民點(diǎn)、工礦企業(yè)；渠線穿越公路以及河流時(shí)，盡量與之正交，并選擇順直、穩(wěn)定的河段布設(shè)。

根據(jù)以上布置原則，建筑物軸線選擇應(yīng)從工程建址處上下游河道河勢(shì)與洪水特性、地形、地質(zhì)條件、工程量與投資、工程防洪安全性等因素分析論證，并結(jié)合渠道局部線路優(yōu)化選擇，綜合分析確定。

1.從總干渠線路局部?jī)?yōu)化選擇分析。梅河倒虹吸位于包漳山繞崗線上，軸線總體上受繞崗線的總體走向與工程區(qū)沙丘位置的制約，現(xiàn)渠線位置倒虹吸進(jìn)口設(shè)計(jì)水位為122.588m，一級(jí)馬道高程為124.72m，場(chǎng)區(qū)地面高程為122.5～125m，渠線基本順等高線布設(shè)，且避開(kāi)了渠線左岸的趙郭李、大秦、廟后安村與渠線右岸的皮里店、廟后唐村等一系列村莊，渠線走向比較合理。

2.從河形與洪水特性分析?，F(xiàn)渠線位置，倒虹吸處于梅河的彎道部位，流勢(shì)較差，且與總干渠斜交，若考慮將梅河改道至大秦村東北，倒虹吸軸線與河道正交，可縮短建筑物30m左右，但新改道河長(zhǎng)4～5km，河道交叉斷面上游地勢(shì)較高，高程為124～126.5m，改道挖河工程量較大。另外，梅河改道后，故道附近地勢(shì)低洼，會(huì)產(chǎn)生積水，且改變了現(xiàn)狀河形、河勢(shì)，對(duì)行洪不利，宜維持現(xiàn)河道形態(tài)。工程場(chǎng)區(qū)上下游村莊密集，也無(wú)較為合適的建筑物軸線位置。

3.從工程地質(zhì)條件分析。倒虹吸建基面位于第四系Q3的粉砂層和黃土狀中粉質(zhì)壤土層，其承載力標(biāo)準(zhǔn)值分別為160、150kPa，工程地質(zhì)條件基本可行。

（二）形式選擇

河渠交叉處的建筑物有跨河渡槽、穿河倒虹吸、穿渠倒虹吸等形式。下面分別從水位關(guān)系、流量關(guān)系及工程安全方面分析建筑物形式。

1.從河渠水位相對(duì)關(guān)系分析。交叉建筑物處河底高程為119.4m，總干渠渠底高程115.588～115.468m，河道100年一遇洪水位為121.62m，300年一遇洪水位為121.69m?？偢汕O(shè)計(jì)水位為122.588～122.468m，渠道水位與河道100年洪水位和300年洪水位基本持平，不宜修建跨河渡槽，適合興建渠道倒虹吸。

2.從流量關(guān)系分析?？偢汕O(shè)計(jì)流量為315m3/s，加大設(shè)計(jì)流量為375m3/s，而梅河100年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量為353m3/s，300年一遇校核洪峰流量為460m3/s，渠道流量與河道洪峰流量相差不大。興建渠道倒虹吸和河倒虹均可。

3.從建筑物防淤及工程安全分析，總干渠為輸水渠道，含沙量較小，在管內(nèi)基本不會(huì)淤積，若采用河穿渠倒虹吸形式，雖然可以節(jié)省一部分水頭，但梅河屬于丘陵區(qū)排洪河道，流域多砂土崗，地表多沙壤土，水土流失嚴(yán)重，管內(nèi)會(huì)產(chǎn)生淤積，不僅清理難度較大，給運(yùn)行管理帶來(lái)很大的不便，而且對(duì)行洪不利，危及總干渠安全。建渠倒虹有利于洪水宣泄。

（三）行洪口門(mén)與管身長(zhǎng)度的確定

1.從工程總體布置分析。從工程布置上看，梅河河槽呈淺槽形，寬 20～40m，漫灘兩岸不對(duì)稱，寬 40～60m，地面高程120.30～121.60m，河槽最低高程119.40m，總干渠軸線與河道在彎道處斜交。軸線長(zhǎng)為180m(行洪口門(mén)寬度124m)時(shí)，倒虹吸進(jìn)、出口布置在原河道左右灘地，由于斜交，進(jìn)口左側(cè)、出口右側(cè)裹頭離主河槽較近，沒(méi)有太多的余度。如果進(jìn)一步縮短軸線長(zhǎng)度，則倒虹吸進(jìn)口和出口布置勢(shì)必縮窄主河槽寬度。因此，從工程布置分析，行洪口門(mén)寬124m較為合適。

2.從工程后水位成果分析。梅河為工程后串流河道，與廟后李溝串流。工程建成后，廟后李溝10a及其以上頻率洪水串流至梅河，在總干渠沿線形成一條寬約500m的淹沒(méi)帶，各頻率洪水最大水深0.5～1.3m，為減輕串流區(qū)洪水淹沒(méi)影響，調(diào)整加大了廟后李溝建筑物尺寸，減少了廟后李溝串入梅河的流量，梅河串流片洪水位采用二維流數(shù)學(xué)模型模擬方法計(jì)算確定。

梅河交叉斷面兩岸地面高程121.5m左右，村莊地面高程123.7m左右，5年一遇洪水位較工程前壅高0.23m，洪水位為121.51m，20年一遇洪水串流后水位較工程前壅高0.41m，洪水位為121.83m，對(duì)上游附近農(nóng)田、村莊沒(méi)有影響；100a、300a的洪水位較工程前壅高0.49～0.61m，對(duì)當(dāng)?shù)胤篮橛绊懖淮?，而此段總干渠堤頂高程為?nèi)水控制，滿足防洪要求。

經(jīng)綜合考慮，選擇梅河行洪斷面口寬124m，相應(yīng)倒虹吸管身段的水平投影長(zhǎng)為180m。該方案沒(méi)有縮窄河道斷面，不改變河道流態(tài)。同時(shí)，防洪影響評(píng)價(jià)認(rèn)為，口門(mén)寬124m時(shí)，工程布置在主槽外，工程后對(duì)河道行洪安全、對(duì)河道管理與河勢(shì)穩(wěn)定基本無(wú)影響，因此，推薦梅河倒虹吸行洪斷面口寬124m，相應(yīng)管身段的水平投影長(zhǎng)為180m。

三、孔數(shù)與高寬比比選

根據(jù)水力計(jì)算、管身結(jié)構(gòu)計(jì)算以及工程量計(jì)算，對(duì)倒虹吸管身橫向斷面分別進(jìn)行了兩種方案比選。方案一：4孔兩聯(lián)方案，每聯(lián)2孔，兩聯(lián)對(duì)稱布置；方案二：6孔兩聯(lián)，每聯(lián)3孔，兩聯(lián)對(duì)稱布置。兩種方案水力計(jì)算成果見(jiàn)表1。

表1 各方案水力計(jì)算成果表

下面對(duì)方案一和方案二的結(jié)構(gòu)和工程量做進(jìn)一步的比較，結(jié)構(gòu)尺寸及管身工程量見(jiàn)表2、表3。

表2 各方案每延米不同孔徑結(jié)構(gòu)尺寸比較表

表3 各方案不同孔徑工程量比較表

由工程量表可以看出，方案一（7m×6.95m×4）較方案二（6.0m×6.0m×6）管身混凝土工程量、鋼筋工程量、挖方工程量均較小，填方工程量相差不多，投資較省，選方案一較為合適。

四、結(jié)語(yǔ)

梅河倒虹吸采用渠穿河的建筑物形式，管身水平投影長(zhǎng)度為180m，倒虹吸管身橫向?yàn)?孔兩聯(lián)箱形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，單孔孔徑7.0m×6.95m（寬×高）。管壁尺寸為邊墻厚1.2m、中墻厚1.1m、縫墻厚1.2m、底板厚1.25m、頂板厚1.25m。建筑物結(jié)構(gòu)緊湊，對(duì)原河道無(wú)不利影響，不影響河道行洪且節(jié)省投資。