南水北调中线工程杨庄干渠灌渠倒虹吸设计

□何 佳 □李雪艳（河南省水利勘测设计研究有限公司）

1.工程概况

杨庄干渠为一天然冲沟中开挖的灌溉渠道，浆砌石矩形断面，底宽1.3m，渠深1.5m，渠道设计流量1.0m3/s，由泵站提水浇地，水源地是杨庄水库，在新郑市后张庄村西北与总干渠相交，与总干渠交叉点处，渠深1.5m。

工程区附近均有村庄、道路等，地势平坦开阔，根据该地质勘察报告，杨庄干渠倒虹吸工程场区为冲洪积平原，场区地质结构为属粘砾多层结构，地层分布较稳定，地层岩性主要为黄土状中、轻粉质壤土、卵石及重粉质壤土、粉质粘土；场区内地下水类型为孔隙潜水，地下水对混凝土无腐蚀性；区域构造稳定性差，相应地震基本烈度Ⅶ度。

2.建筑物总体布置

2.1 建筑物轴线选择

倒虹吸建筑物轴线与总干渠轴线的交叉型式有正交和斜交2 种情况，正交方案建筑物主体段长度较短，进出口布置较简单，但灌溉渠道与建筑物进出口的过渡连接段一般较长，进口引渠和出口尾渠需设弯道连接，故水流条件较差。斜交方案建筑物主体段较长，主体工程量大，进出口连接段平直，水流条件较好；建筑物轴线的选定同时应根据每个建筑物的实际情况具体分析确定，由于灌渠倒虹吸在总干渠渠底以下，不占用总干渠的水头，同时考虑到水流平顺和少占耕地，倒虹吸轴线尽可能沿灌渠轴线。

杨庄干渠是1 条冲沟中开挖的渠道，该冲沟为一条三级公路的排水沟，在新郑市后张庄村西北渠道开始远离公路向东北方向转弯，在开始转弯处与总干渠交叉，考虑到水流平顺，减少挖方和占地。本次设计时倒虹吸推荐采用斜交方案，进口与原有渠道方向一致，出口采用渠道连接渠与原有渠道连接。

2.2 上下游渐变段结构型式比较

上游连接段由渠道护砌段和进口渐变段组成。

由于原灌溉渠道为硬化渠道，但硬化渠道已有不同程度的损坏，为便于与原渠道连接，进出口段设计5m 长混凝土水平护砌段。

渐变段常用的结构型式有直线扭曲面、直立八字形和圆弧形翼墙等型式，简述如下：

八字形翼墙的优点是施工简单方便，质量可靠，为防止紧靠垂直段墙体产生回流，影响水流的平顺过渡，须选用适宜的扩散角。八字墙插入岸坡部分的墙体，其墙基基底可随坡逐渐升高。

直线扭曲面渐变段型式水头损失小，流势平顺，易于同梯形断面衔接，但施工较复杂，对墙后回填土压实密度要求较高。渐变段长度由式L＝C(B1-B2)确定，B1、B2 分别为渐变段两端水面宽，系数C 进口取1.5～2.0，出口取2.5～3.0。出口扭曲面若坐落在回填土上，易产生裂缝，施工难度大，不易采用。

圆弧形翼墙型式的水流条件和施工难度介于八字墙和直线扭曲面之间。其长度结合上下游边坡、水深等由布置确定。

由于杨庄干渠为矩形断面，底宽1.3m，进出口渐变段设计采用八字型流槽。

2.3 孔数与高宽比选择

根据水力计算，对倒虹吸管身横向断面分别进行了不同方案比选。经综合分析，杨庄干渠灌渠倒虹吸推荐单孔方案，单孔孔径1.5m×1.8m（宽×高）。

2.4 建筑物总体布置

考虑到有利于总干渠的管理，倒虹吸布置时斜管段穿过截流沟和总干渠隔离网，进出口均设在总干渠两侧隔离网之外，洞顶设直墙挡土，减小建筑物的总长，降低造价。

杨庄干渠灌渠倒虹吸轴线与总干渠轴线斜交，交角70.5°。进口不设拦污栅、工作闸门、检修闸门及沉沙池，建筑物由进口段、进口闸室段、管身段、出口闸室段和出口段组成，其轴线与总干渠轴线斜交。经布置建筑物水平投影总长174m，其中进口段长20m，倒虹吸段水平投影长122m，进出口闸室段各长6m，出口段长20m。出口连接渠段长135m。结合倒虹吸建筑物布置和杨庄干渠的结构型式，出口连接渠采用混凝土矩形断面，底宽1.3m，渠深1.5m。

进口段长20m，其中5m长的水平流槽段与上游渠道连接、15m长的混凝土斜坡流槽与进口闸室段连接，进口底宽1.3m，出口底宽1.5m。

管身段水平投影总长122m，管身纵向每12～14m设一横向沉陷缝，以适应地基不均匀沉陷。管身底部设有10cm厚的C10混凝土垫层，以方便施工。管身结构型式为单孔，钢筋混凝土箱型断面，孔径为1.5m×1.8m（宽×高），每孔内壁四角设0.15m×0.15m的贴角，以改善节点处的应力分布。管身材料为C30钢筋混凝土。倒虹吸管身的布置为地下埋管，管身水平段埋深应尽可能小，以减少施工难度，降低投资，设计时顶板以上埋深采用1.5m。为避免倒虹吸管身上面总干渠渠道因填土发生不均匀沉陷而导致其结构破坏，在管顶上方铺设一层土工格栅。管顶高程以下管身两侧、施工基坑范围回填低压缩性土，要求压缩系数а1-2<0.1MPa-1或压缩模量Es>15MPa，土类可选用中、重粉质壤土；管顶以上至总干渠渠底范围回填高塑性土，可选择液限WL>35%、塑性指数IP=15~20，含水量控制在最优含水量+0~3%之间，要求压实度≥1.0。

考虑灌渠过流变化大，在倒虹吸的进出口各布设6m长的闸室段，预留门槽但不设置闸门，对于倒虹吸通过不同流量时，提供控制进口水位的工作条件。

由于倒虹吸流速较小，下游出口不设消能工程。出口段长20m，其中由15m长的流槽斜坡与出口闸室段连接，底坡为倒坡，其后5m长的水平连接段与下游渠道连接渠连接。

3.结语

工程总体结构优化布置是建筑物设计中重要的一个环节，牵扯到整个工程的合理性、安全性和经济性，杨庄干渠灌渠倒虹吸作为南水北调中线工程中的渠渠交叉建筑物，其总体布置是经过了全方位的比选及优化，保证了整个南水北调工程的经济合理和安全可靠。