倒虹吸設(shè)計(jì)探析

王勇

（遼寧省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，遼寧沈陽 110006）

1 工程概況

永定河倒虹吸進(jìn)口位于大寧水庫副壩下游。倒虹吸管身穿越水庫副壩、水庫庫底、右堤、主河槽、左堤及公路以后，終點(diǎn)與箱涵相接。全長2 520 m。

2 倒虹吸結(jié)構(gòu)布置

2.1 進(jìn)口段及閘室段

倒虹吸進(jìn)口段位于調(diào)壓池北側(cè)，長18.79 m。兩側(cè)翼墻布置為弧線型式，向上游與調(diào)壓池池壁擋墻垂直相接。

倒虹吸進(jìn)水閘為4孔3.4×3.8（寬×高）帶胸墻的潛孔閘，進(jìn)水閘采用潛孔平板閘門，固定卷揚(yáng)啟閉機(jī)。

倒虹吸進(jìn)水閘閘室段長15 m。單孔凈寬3.4 m，凈高3.8 m，共4孔，閘室總寬20.42 m。閘室底高程46.8 m，閘墩頂高程63.0 m。閘室底板厚1.5 m，邊墩厚1.0 m，中墩厚1.5 m，縫墩厚0.9 m。

2.3 管身段

倒虹吸沿途分別穿越水庫副壩、水庫庫底、右堤、主河槽及左堤。倒虹吸管身段根據(jù)地形不同采用不同的埋置深度，共分5段。

1）穿副壩段。倒虹吸穿副壩段長290 m，倒虹吸基本垂直穿過水庫副壩，管身底板高程46.8 m，管身頂板高程51.70 m，底板、頂板厚均為0.9 m，邊墻厚0.8 m，中墻厚0.7 m，管頂覆蓋土層厚11.5 m。

2）穿水庫庫底段。倒虹吸穿水庫庫底段長517 m，現(xiàn)狀地面高程最高為44.00 m，極端最低點(diǎn)達(dá)34.00 m。遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)庫底高程48.00 m。為不使開挖及回填方量增加很多，庫底段涵底高程約為39.50 m，涵外頂高程約44.00 m。底板、頂板厚均為0.7 m，邊墻厚0.7 m，中墻厚0.7 m。

庫底段涵身斷面及上下游20 m寬范圍內(nèi)回填至設(shè)計(jì)庫底48.00 m，管頂覆蓋土層厚4 m。上下游均以1∶3的坡坡向地面。

3）穿右堤段。倒虹吸穿右堤段長168 m，倒虹吸管身底板底高程39.45～42.50 m，管頂最高覆蓋土層厚達(dá)14.5 m，底板、頂板厚均為1.0 m，邊墻厚0.8 m，中墻厚0.7 m。

4）穿主河槽段。穿越永定河主河槽時(shí)需分別按設(shè)計(jì)洪水及校核洪水標(biāo)準(zhǔn)考慮沖刷要求，設(shè)計(jì)防護(hù)工程。

①河道沖刷深度的確定：沖刷深度按《鐵路橋渡勘測設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算。由于河床覆蓋層均為砂或砂礫石，計(jì)算公式為：

式中：hp——為沖刷后的最大水深，m；——河槽最大水深，m；hc——河槽平均水深，m；Bc——河槽寬度，m；Qc——設(shè)計(jì)流量，m3/s；E——與汛期含沙量有關(guān)的系數(shù)；A——單寬流量集中系數(shù)；——河槽土平均粒徑，mm。

計(jì)算設(shè)計(jì)情況取值：

Q=2500m3/s，hmc=18.9m，Bc=857m，=9.2 m，bc=0.33mm，Bd=948m，=11.1m，A=1.165。交叉斷面100年一遇平均水位54.71 m。

計(jì)算得出沖刷深度hp=6.137 m，即沖刷后河底高程為48.573 m。

計(jì)算校核情況取值：

Q=4 000 m3/s，hmc=18.95 m，Bc=857 m，=9.2 m，=0.33 mm，Bd=948 m，=11.1 m，A=1.165。交叉斷面300年一遇平均水位54.76 m。

計(jì)算得出沖刷深度hp=8.26 m，即沖刷后河底高程為46.501 m。

②設(shè)計(jì)沖刷防護(hù)工程措施。穿主河槽段長704 m，在倒虹吸涵身斷面及上游15 m寬、下游20 m寬范圍內(nèi)，倒虹吸涵頂設(shè)0.7 m砂礫料墊層，墊層上采用0.8 m厚漿砌塊石護(hù)砌。兩側(cè)邊緣各做深2 m漿砌石齒墻。上、下游側(cè)漿砌石防沖保護(hù)帶外寬20 m范圍做1 m厚干砌石護(hù)砌。

5）穿左堤灘地及左堤、公路段。倒虹吸穿左堤段長630 m，包括左堤灘地、堤身及公路。該段倒虹吸管身底板底高程44.58 m，管身頂板頂高程49.38 m，灘地段管頂覆蓋土層厚約8 m。底板、頂板厚均為0.8 m，邊墻厚0.8 m，中墻厚0.7 m。

3 管身段穩(wěn)定計(jì)算

3.1 管身段抗浮穩(wěn)定計(jì)算

1）計(jì)算工況。管身段抗浮穩(wěn)定計(jì)算分以下幾種工況進(jìn)行。

①設(shè)計(jì)情況1：管內(nèi)有水，管外過設(shè)計(jì)洪水。

②設(shè)計(jì)情況2：管內(nèi)無水，管外過設(shè)計(jì)洪水。

③校核情況：施工期管頂未填土，地下水位與管頂齊平。

2）計(jì)算公式。管段抗浮穩(wěn)定按以下公式計(jì)算：

式中：KW——計(jì)算的抗浮安全系數(shù)；G——倒虹吸管段結(jié)構(gòu)自重；GE——管段上方回填土石料及砌體重量，水下部分用浮容重；GW——管段內(nèi)部水重，管內(nèi)無水時(shí)GW=0；W——管段浮力，當(dāng)管段外水位等于或高于管頂時(shí)，W為管段同體積的水重；當(dāng)管段外水位低于管頂時(shí)，W為建基面上的揚(yáng)壓力；γ——自重、水重分項(xiàng)系數(shù)；γE——回填土石料及砌體分項(xiàng)系數(shù)；γW——浮力分項(xiàng)系數(shù)。

3）計(jì)算參數(shù)。其中計(jì)算參數(shù)按下列數(shù)據(jù)取值：

γ土浮=11kN/m3；γ土=19.8 kN/m3；填土飽和容重：γ土飽=21 kN/m3；混凝土容重：γi混凝土=24 kN/m3；水容重：γ水=10 kN/m3；γ=0.95，γE=0.9，γW=0.95。

計(jì)算成果見表1。

表1 倒虹吸抗浮穩(wěn)定計(jì)算成果表

通過計(jì)算說明：設(shè)計(jì)情況下滿足抗浮穩(wěn)定要求；施工期若泡槽，則抗浮穩(wěn)定不滿足要求。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，非汛期地下水位低于倒虹吸底高程2～7 m，而汛期永定河河內(nèi)不允許施工，施工期泡槽機(jī)率很小，通過采取適當(dāng)措施可以避免。施工期應(yīng)采取排水措施，使管外水位不得高于管頂以下0.9 m；當(dāng)?shù)叵滤黄焦茼敃r(shí)，為滿足抗浮穩(wěn)定要求，管頂最小填土厚度為0.9 m。施工期泡槽不作為控制工況。

3.2 斜管段抗滑穩(wěn)定計(jì)算

3.2.1 計(jì)算工況

1）設(shè)計(jì)情況：管內(nèi)滿水，管外覆土并過設(shè)計(jì)洪水。

2）校核情況：施工期管頂未填土，管內(nèi)加大流量試水。

在整個(gè)倒虹吸中取最陡的斜管段計(jì)算：取樁號(hào)DY0+213.7處i=0.08斜坡段為計(jì)算段，縱坡為1∶12.5，水平夾角為4.57°。

3.2.2 計(jì)算公式

抗滑穩(wěn)定按下列公式計(jì)算：

式中：KC——計(jì)算的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；Wx，Wy——分別為作用在管段上除基底反力以外全部作用力合力的水平分量與垂直分量；α——管段建基面水平傾角；f——管段與建基面之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)；[KC]——抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)允許值。

3.2.3 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算中各參數(shù)按下列數(shù)據(jù)取值。

γ浮=11 kN/m3，混凝土容重：γi混凝土=24 kN/m3，覆土飽和容重：γ土飽=21 kN/m3，f=0.5。α=4.57°，

3.2.4 計(jì)算成果

穩(wěn)定計(jì)算成果匯總見表2。

表2 倒虹吸斜管抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果表

從上表可見，斜管段抗滑穩(wěn)定滿足要求。

4 結(jié)語

作為南水北調(diào)工程的交叉建筑物，倒虹吸的結(jié)構(gòu)型式可以不影響上部構(gòu)筑物的正常運(yùn)用，而且倒虹吸施工方便，結(jié)構(gòu)簡單，對(duì)保證南水北調(diào)工程提早順利實(shí)施，加快工程建設(shè)，起到了十分必要的作用。確保了首都的政治穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)繁榮。