毕业设计（论文）-南水北调中线 中易水倒虹吸工程设计.doc

河北工程大学毕业设计河北工程大学毕 业 设 计题 目： 南 水 北 调 中 线中易水倒虹吸工程设计院系名称： 成教学院 专业班级： 2009级水利水电工程学 号： 学生姓名： 指导教师： 提交日期： 2011年8月20日 目录1. 前言32. 设计采用的主要规程、规范52.1文件依据52.2执行规范、规程53. 设计概况63.1河道现状63.2设计基本资料.63.2.1倒虹吸设计指标.63.2.2总干渠设计指标.63.2.3交叉断面天然河道设计指标.73.2.4材料等级.73.2.5地质参数.84. 总体设计94.1工程等别和标准94.1.1工程等别及建筑物级别94.1.2防洪标准94.1.3地震烈度94.2结构安全指标94.3 建筑物轴线选择104.3.1选线原则104.3.2轴线选择104.4建筑物长度114.4.1不同口门宽度的壅水计算114.4.2倒虹吸浅埋护砌对河道水位影响分析.134.5一般冲刷深度计算134.5.1 冲刷深度计算.144.5.2计算结果144.6工程布置和主要建筑物型式154.6.1主要建筑物型式154.6.2工程布置174.7 水力设计194.7.1 倒虹吸进出口渐变段长度194.7.2 倒虹吸进出口高程确定194.7.3 倒虹吸管身水力设计204.8 主要建筑物稳定结构设计234.8.1稳定计算234.8.2结构计算264.9治导工程设计414.9.1导流堤设计414.9.2导流堤顶面高程的确定414.9.3导流堤的的堤顶宽和边坡确定414.9.4导流堤的冲刷与防护设计.425 节能设计.445.1节能设计依据.445.2节能设计原则.445.3节能设计.445.3.1节能分析.445.3.2节能设计.446致谢467参考文献478图 纸481.前言南水北调工程中线工程是从汉江上游的丹江口水库取水，该工程总干渠自河南省安阳市丰乐镇穿过漳河进入我省后，基本沿太行山东麓和京广铁路西北侧行，途经邯郸、邢台、石家庄、保定及廊坊的部分县，于涿州市西町村北穿北拒马河中支进入北京市境内。总调水量145m3年。 该工程完工后，既可保证沿线邯郸、邢台、石家庄、保定一带重要城市和工农业基地用水，又可向衡水、沧州、廊坊等市供水，可以极大地缓解我省水资源供需矛盾。此外，中线工程的水质也比较理想，监测结果表明，中线工程水源水质除一项指标为地面水质量标准二级外，其他指标均符合一级水质量标准，输水总干渠是新开渠道，与沿线河渠全部立交，既不通航，也不纳污，渠线位于大城市上游，可以有效地保证供水水质。该工程总干渠和分干渠全部自流，供水成本和水费也较低。拟建的中易水渠道倒虹吸位于河北省易县城南10km的中易水河上，南距小罗村0.5km，距易保公路0.4km，交通方便。该项工程是南水北调中线工程总干渠上一座大型河渠交叉建筑物，倒虹吸位置见图1。中易水河是拒马河的一条支流，全长86km，渠道倒虹吸以上流域面积630.9km2，其中安各庄水库以上476km2，水库至渠道倒虹吸23km，区间流域面积为154.9km2，河流自西部山区曲折向东延伸，在本区近东西流向，河道比降小，常年流水。总干渠在中罗村和中高村西穿越中易水河，渠线呈南北走向，与中易水河近似正交。 图1 中易水渠道倒虹吸地理位置略图:公路；2：建筑物位置；3:河流；4:村庄、乡镇; :总干渠2.设计采用的主要规程、规范2.1文件依据 (1)南水北调工程总体规划（国家计委、水利部2002年）及批复意见(2003年5月)；(2)南水北调中线京石段应急供水工程可行性研究报告及审查意见（2003年7月）。2.2执行规范、规程 (1) 水利水电工程初步设计报告编制规程dl502193(2) 水利水电工程等级划分及洪水标准sl2522000(3) 防洪标准gb5020194(4) 水利水电工程结构可靠度设计统一标准gb5019994(5) 水工建筑物荷载设计规范dl50771997(6) 水工混凝土结构设计规范sl/t 19196(7) 水工建筑物抗震设计规范sl203-97(8) 水工建筑物抗冰冻设计规范sl211-98(9) 水闸设计规范sl2652001(10)渠道防渗工程技术规范sl1891(11)灌溉与排水工程设计规范gb5028899(12)渠系工程抗冻胀设计规范sl2391(13)水利水电工程土工合成材料应用技术规范sl/t2598(14)公路工程技术标准jtj00197(15)公路桥位勘测设计规范jtj06291(16)公路桥涵地基与基础设计规范jtj02485(17)钢结构设计规范gbj1788(18)碾压式土石坝设计规范sl2742001(19)水利水电工程进水口设计规范sl2852003 3.设计概况3.1河道现状中易水东水冶以上为山区河道，在安各庄水库上游有8条较大支流，最大支流长18.5km，河底平均纵坡27，为卵石河床。自水库坝址至东水冶，河长16km，该河段河底纵坡为3.62.3，为砂卵石河床，河道宽度呈上宽下窄，安各庄附近河段，河宽10002000m，至北盘石河宽缩窄为500m左右，至东水冶处河宽仅有300m。从东水冶以下至中高村河段，地势明显降低，河道进入丘陵地带，逐渐展宽为10002000m，河床有150300m宽的主河槽，河底纵坡较上游又有所变缓，至中高村附近河段，平均纵坡为2.4。中高村以下河道进入平原区，纵坡逐渐减小为0.8，河床质组成主河槽为砾质粗砂，两侧滩地为中粗砂。19771978年，保定地区曾对西水冶到易县、定兴县界河段进行了整治，开挖了宽100m、深1.2m的中心河槽，滩地外筑堤，堤高平均3m左右，两堤距离约250m。在定兴县内百楼做裁弯取直工程。治理河段行洪能力一般在17002100m3/s，定兴段主槽较窄，泄量为1200m3/s。据大清河流域防洪规划报告（河北省部分），中易水现状过水能力不足800m3/s。规划治理标准按10年一遇，设计流量964 m3/s。主要治理措施为：对原有砂坝、护村埝进行加高培厚，结合筑堤修整河道；对部分险工及靠近村庄的河段采取干砌石护坡等。 3.2设计基本资料 3.2.1倒虹吸设计指标设计流量 60m3s 加大流量 70m3s进口设计水位 63.714m出口设计水位 63.507m进口加大水位 64.017m出口加大水位 63.811m地震设防烈度 7度 3.2.2总干渠设计指标倒虹吸上游连接渠道底高程 59.414m倒虹吸上游渠道设计水深 4.3m 倒虹吸上游渠道加大水深 4.603m 倒虹吸下游连接渠道底高程 59.207m倒虹吸下游渠道设计水深 4.3m倒虹吸下游渠道加大水深 4.603m渠道底宽 7.5m渠道内边坡 1：2.5渠道底纵坡 倒虹吸上游渠段126000下游渠段125000渠道左、右岸一级马道宽 5.0m 一级马道高程 倒虹吸进口65.414m出口65.207m3.2.3交叉断面天然河道设计指标100年一遇洪峰流量 3176m3s300年一遇洪峰流量 4054m3s100年一遇洪水位 59.700m300年一遇洪水位 59.970m河槽底高程 56.500m 3.2.4材料等级3.2.4.1强度等级倒虹吸管身段普通混凝土c30 闸室混凝土c30渐变段、挡土墙混凝土c20素混凝土垫层c10普通受力钢筋级 3.2.4.2抗渗等级倒虹吸管身及进出口渐变段混凝土w63.2.4.3抗冻等级倒虹吸管身混凝土f50进出口渐变段、闸室混凝土f1503.2.4.4混凝土物理力学指标混凝土重度24knm3钢筋混凝土重度25knm33.2.5地质参数3.2.5.1天然地基渗透系数 67100md承载力建议值：中粗砂 200kpa砾 砂 300 kpa砾 石 350kpa强风化页岩 350kpa泥灰岩 800kpa内摩擦角：中粗砂 30砾 砂 30砾 石 33摩擦系数建议值：混凝土与砾石、砾砂 0.45混凝土与强风化页岩 0.50常年地下水位： 56.80058.000m建议临时边坡：砾砂、砾石 1：1.51.75泥灰岩 1：0.753.2.5.2回填砂石料湿密度 20.5knm3浮密度 11.5knm3内摩擦角 304.总体设计4.1工程等别和标准4.1.1工程等别及建筑物级别根据南水北调中线工程的规模和水利水电工程等级划分及洪水标准（sl2522000），确定南水北调中线工程为等工程，中易水渠道倒虹吸主体工程建筑物级别为1级；附属工程包括河道治导建筑物级别为3级，临时工程包括导流围堰等建筑物级别为4级。4.1.2防洪标准根据有关标准和总干渠的工程等别和建筑物级别，集水面积大于20 km2河流的河渠交叉建筑物防洪标准按100年一遇洪水设计，300年一遇洪水校核；渠道与河渠交叉建筑物的连接段，按相应建筑物防洪标准设防。中易水倒虹吸交叉断面以上河道流域面积为630.9 km2，其中安各庄水库控制流域面积476 km2，交叉断面至安各庄水库区间流域面积154.9km2，属大型河渠交叉建筑物，依据上述规定确定本工程防洪标准为100年一遇洪水设计，300年一遇洪水校核。4.1.3地震烈度根据中国地震动参数区划图（gb183062001）及中国地震局分析预报中心2003年11月对南水北调中线工程地震动参数评价成果，本工程所在地区属地震基本稳定区，地震动峰值加速度g为0.1g，相当于地震基本烈度7度；地震动反应谱特征周期（中硬场地）s为0.40s。根据水工建筑物抗震设计规范（sl20397），中易水倒虹吸工程地震设计烈度7度。4.2结构安全指标倒虹吸管身环境条件类别 二类倒虹吸渐变段、闸室环境条件类别 二类主体结构系数d=1.2主体结构重要性系数0=1.1结构自重作用（荷载）分项系数q=1.05主体结构静内水压力作用（荷载）分项系数q=1.05主体结构静外水压力作用（荷载）分项系数q=1.0挡土结构(闸室、挡土墙) 土压力作用（荷载）分项系数q=1.2管身结构土压力作用（荷载）分项系数q=1.1(0.9)永久作用（荷载）分项系数g=1.05(0.95)预应力作用（荷载）分项系数g=1.05(0.95)其它可变作用（荷载）分项系数q=1.2工程结构稳定、安全系数见表41表41 工程结构稳定、安全系数表荷载组合抗滑稳定抗浮稳定最大地基应力/最小地基应力基本组合1.351.12.0特殊组合1.21.052.5管身普通混凝土荷载效应的长期效应组合限制裂缝宽度0.25mm，短期效应组合限制裂缝宽度0.3mm；闸室底板、闸墩限制裂缝宽度0.2mm。建筑物各部位地基承载力设计值按水闸设计规范（sl2652001）计算，建筑物基底不允许出现拉应力，基底平均应力不得超过地基承载力设计值，当受偏心荷载作用时，最大应力要小于地基承载力设计值的1.2倍。4.3 建筑物轴线选择4.3.1选线原则中易水倒虹吸是南水北调中线总干渠上的一座建筑物，其工程选址与总干渠的线路选择密不可分。总干渠的选线原则为：（1）为确保总干渠工程输水安全，尽量避免深挖方和高填方，尽量使水面线与地面持平。（2）在保证安全输水的前提下，以线路最短，投资最省为目标。渠线力求顺直，并选择地质条件相对较好的地段布设渠线。（3）尽量避开居民点、工矿企业、重点文物及军事设施。（4）穿越公路以及河流时，尽量与之正交，选择顺直、稳定的河段布设渠线。4.3.2轴线选择按上述原则，南水北调中线总干渠中易水段线路对两个方案进行了比选。方案一为现倒虹吸位置，方案二在现倒虹吸下游约1.2km处。方案一，线路从裴山后绕到山前向西绕过中罗村，从小罗村东向北偏东穿中易水，继续向北在北高村东折向东北，到西北奇村北又折向北偏东继续北行。方案二，线路从裴山后绕到山的东侧后与保易公路并行向北，穿中易水河后继续向北，在保易公路与铁路中间，穿西进渠后折向西北在西北奇村北与方案一线路相交合一，向北偏东继续北行。方案二与方案一相比，具有线路短，顺直的优点，但是，方案二线路滩地段长，高程较方案一低2m左右，渠道阻断流量大，填方量增大；总干渠在铁路和公路中间穿行，污染较为严重；需要一座穿铁路的建筑物和拆掉一座水泥厂。在方案二上游除小罗村外的中罗村、中高村都在壅高水位以下，必将大大增加拆迁的数量。因此，该段线路推荐方案一。表42 中易水段渠线方案比较表方案长度(m)倒虹吸长度(m)土方开挖(万m3)石方开挖(万m3)土方回填(万m3)混凝土衬砌(万m3)拆迁(亩)穿铁路建筑物长(m)永久占地(亩)工程量及投资方案一6584.561218.65.4210.43.7无无646较小方案二5099.3612303.365.755.94.960.2300755较大4.4建筑物长度根据对交叉建筑物附近中易水河河段中泓位置和主槽宽度的分析，在南水北调中线京石段应急供水工程可行性研究报告中，将河道行洪口门宽度确定为370m。为了进一步论证交叉断面行洪口门宽度的合理性，对口门宽度进行了300、370、400、500m四各方案比较。中易水交叉处河宽为1590m，交叉建筑物口门远小于河道宽度，因此发生高标准洪水时，由于河滩地的渠道的阻挡，口门上游河道洪水位要有一定的壅高。通过常规方法计算了300年一遇及其以下洪水频率的上游壅水高度及其相应的壅水长度和冲刷深度，分述如下：4.4.1不同口门宽度的壅水计算计算采用1992年出版的公路桥位勘测设计规范中的公式。最大壅水高度计算公式：式中：最大壅水高度(m)；系数，与建筑物阻断流量有关，参照表43选用。表43 值选用表河滩路堤阻断流量与设计流量比值（%）500.050.070.100.15参照表42，中易水倒虹吸各方案值均为0.07。倒虹吸布置后断面平均流速(m/s)，；qp设计流量（m3/s）；j建筑物过水断面面积（m2）；天然河道建筑物范围内平均流速（m/s）；天然河道断面平均流速（m/s）；壅水长度计算公式：式中：l壅水长度(m)；最大壅水高度（m）；i水面比降。根据以上计算公式，对四个方案分别进行计算，成果列于表44。表44 中易水倒虹吸不同口门宽度水位流量关系表口门宽度重现期设计流量天然水位壅水高度壅高水位壅水长度（m）（a）（m3/s）（m）（m）（m）（m）500300410359.97 0.6460.61 534100317659.70 0.5060.20 41650236959.43 0.3659.79 29720168359.39 0.1959.58 156400300410359.97 1.0060.97 833100317659.70 0.7960.49 65850236959.43 0.5860.01 48320168359.39 0.3259.71 263370300410359.97 1.1961.16 988100317659.70 0.9460.64 78050236959.43 0.6960.12 57820168359.39 0.3659.75 300300300410359.97 1.6261.59 1350100317659.70 1.2860.98 106750236959.43 0.9660.39 80020168359.39 0.5159.90 4254.4.2倒虹吸浅埋护砌对河道水位影响分析在天然河道洪水位分析中，系按定床条件进行计算，在实际洪水时河床发生冲刷，断面过水面积相应加大，但糙率也相应提高。由于中易水倒虹吸采用浅埋方案，河道不再具备冲刷条件，为此进一步分析上述条件计算成果的合理性。通过分析估算，100年和300年一遇洪水条件下交叉断面主河槽冲刷面积在480m2左右，当主槽糙率调整为0.0500.055时，经分析洪水位与定床条件下分析成果基本一致。仍采用此糙率条件，按倒虹吸布置后限定的冲刷条件进一步分析100年和300年一遇洪水位分别为60.07m和60.30m，比现状河道洪水位分别高0.37m和0.33m，加上壅水高度，100年和300年一遇设计洪水位分别为61.01m和61.49m。4.5 一般冲刷深度计算4.5.1 冲刷深度计算在天然河道上修建建筑物后，由于缩窄了河道宽度，压缩了河道水流，增加了过水断面的单宽流量，水流挟沙能力随之增大，引起河床冲刷，这种冲刷称为一般冲刷。一般冲刷的计算方法比较多，本次采用长江委推荐的“641”公式，其形式如下：式中：hpm冲刷后最大水深(m)；qp设计流量（m3/s）；l建筑物净过水长度(m)；hm冲刷前最大水深(m)；断面平均水深(m)；河床质平均粒径(mm)；e与汛期含沙量有关的系数，当汛期含沙量s10kg/m3时，e=0.86；a单宽流量压缩系数；b河槽宽度，即通过造床流量时的水面宽度(m)；造床流量对应的平均水深(m)。4.5.2计算结果根据上述砾质粗砂的平均粒径和选用的计算公式，对不同标准洪水和倒虹吸不同口门宽度计算了交叉断面处的冲刷深度。成果见表45。表45 中易水倒虹吸冲刷深度成果表重现期(a)现状河底高程（m）倒虹吸不同口门宽度冲刷深度（m）500m400m370m300m30056.46.817.147.247.481006.156.426.506.70505.605.815.886.04204.234.434.484.624.6工程布置和主要建筑物型式4.6.1主要建筑物型式4.6.1.1交叉建筑物型式的确定 中易水交叉建筑物型式选择考虑了以下几个因素。 (1)从流量关系看，南水北调总干渠在本段设计流量为60m3/s，而中易水100年一遇洪水流量达3176 m3/s ，渠道流量远小于河道洪水流量。交叉建筑物采用渠道倒虹吸符合“小(流量)穿大(流量)”原则。 (2)从水位关系看，渠河交叉部位总干渠设计水位为63.71463.507m；河道100年一遇洪水位为59.70m，渠道水位高于河道水位，交叉建筑物采用渠道倒虹吸不符合“低(水位)穿高(水位)”原则。(3)从建筑物防淤角度看，交叉建筑物型式采用渠倒虹比河倒虹更有利，因为总干渠水流含沙量较少且多为悬移质，过管水流流速大于渠道流速，不会引起渠倒虹严重的淤积。采用河倒虹虽然可节省总干渠部分水头，但中易水为沙质河床，遇较大洪水推移进入倒虹吸，清理难度较大。 根据中易水河道冲刷深度较大的特点，倒虹吸管埋置深度比较了“深埋”和“浅埋加防护”两种布置方案。 (1)“深埋”方案倒虹吸管顶埋置高程按河道300年一遇洪水冲刷线以下不小于0.5m的原则确定。根据河道冲刷计算结果，300年一遇洪水河道冲刷深度为7.240m，高程为49.160m，管顶设计高程为48.660m，管底高程为43.460m。已经在基岩面以下，倒虹吸管整个嵌入岩石中，势必造成大量的岩石开挖。同时由于埋深达7.74m，管壁也将相应加厚好多。因此，深埋方案无论从施工难度和工程造价上都很高。(2)“浅埋加防护”方案“浅埋加防护”方案不必将倒虹吸管身埋置于校核洪水冲刷线以下，而是按照南水北调中线工程总干渠渠道倒虹吸土建工程初步设计大纲要求将倒虹吸管身埋置于河底以下2.5m，并对管顶河床进行防冲防护以保证建筑物的安全运行。河道护砌范围为口门内建筑物轴线上下游83m，护砌措施采用63m浆砌石和20m钢筋石笼，口门两侧采用钢筋混凝土护坡。(3) 管顶埋置深度推荐方案两方案相比，从工程安全考虑，高标准洪水时“深埋”方案由于管顶埋置于冲刷线以下，建筑物安全可靠性高；“浅埋”方案管顶采用浆砌石护砌，不冲刷允许流速大于河道过洪水流速，也是安全可靠的；从施工难度考虑，由于工程区域岩基出露在48.050.0m左右，“深埋”方案管顶已经在基岩面以下，倒虹吸管整个嵌入岩石中，势必造成大量的岩石开挖，同时由于中易水地下水位较高，排水难度、排水量更大；从工程量大小比较，“浅埋”方案需要口门防护，但由于埋深浅，管壁薄，土石方开挖回填量少。“深埋”方案管壁厚，土石方开挖回填较大。因此，在安全可靠的前提下，“浅埋”方案无论从施工难度和工程造价上都要比“深埋”方案优越。综上分析，中易水倒虹吸推荐采用“浅埋”方案。4.6.1.2 进出口渐变段型式选择为尽量减少水头损失，渐变段型式进行了直线扭曲面和曲线扭曲面两种形式比选，水力计算表明，进出口渐变段水头损失对建筑物总水头损失影响很小，对管身过水断面影响甚微，尽管曲线扭曲面形式的水流条件稍好，水头损失稍小，但其施工难度大，对结构断面影响甚微，故采用直线扭曲面渐变段形式。4.6.1.3 管身断面型式选择倒虹吸管身断面有多种型式可供选择，通过筛选，选取工程上常用的3种断面型式即箱型、城门洞型和圆型进行了比选。从工程布置和工程施工的角度分析，圆形断面管道湿周小，过水能力大，水流条件和承载性能好，但圆管不利多孔组合，与上、下游渠道衔接条件差，结构布置较为复杂。由于中易水倒虹吸输水量较大，设计管径较大，如采用预制生产，吊运安装很困难；如采用现场浇筑，不仅施工难度大，工程量也比箱形断面大，故不予推荐。城门洞形断面，水流条件较好，一般适用于无压水流条件，在内水压力作用大时，受力状态较差，且工程量也比箱形断面大，故也不予推荐。箱形断面具有形状规则，结构简单，受力明确，便于多孔组合，上、下游衔接平顺，工程布置紧凑合理，易于施工和工程量小等优点，因此在工程实践中应用较多，而且长委颁发的南水北调中线工程渠道倒虹吸土建部分初步设计大纲建议，倒虹吸断面型式应优先选用箱形。故中易水渠道倒虹吸的管身采用箱形断面方案。4.6.1.4 管身结构型式选择倒虹吸管身结构型式可采用普通混凝土和预应力混凝土两种方案，但由于预应力方案工期长，施工难度大，工艺较复杂，而普通混凝土方案施工方便，质量有保证，故推荐采用普通混凝土方案。4.6.1.5 治导建筑物型式选择中易水总宽约1590m，口门宽度只有370m，中易水渠道倒虹吸工程防洪标准为100年一遇洪水设计，300年一遇洪水校核。工程交叉断面处100年一遇洪水流量3176m3s，主槽流量为2316m3s，滩地流量为860m3s。倒虹吸建成后工程阻断河道流量占河道总流量的37.1，大于25，根据公路桥位勘测设计规范jtj06291要求应设置导流堤。中易水两侧有滩且基本为对称分布，根据公路桥位勘测设计规范倒虹吸两侧布置对称的曲线形导流堤。4.6.2工程布置4.6.2.1 总体布置倒虹吸起止桩号为411+026411+638，起点座标x=4349203.841，y=623929.610；终点座标x=4349814.776，y=623965.684。建筑物轴线长612m。4.6.2.2 建筑物布置（1）倒虹吸主体工程由进口渐变段、进口闸室段、管身段、出口闸室段、出口渐变段五部分组成。进口渐变段桩号411+026411+061，长35m，该段采用底板与侧墙分离式的钢筋混凝土结构，两侧采用直线扭曲面，边坡系数2.50，底宽7.511.2m，底部高程59.41456.711m，纵坡112.949，底板厚0.5m。渐变段始端为贴坡式挡土墙，墙厚0.5m，末端为半重力式挡土墙，墙总高9.703m。渐变段一级马道高程65.414m。渐变段侧墙设上下两层逆止式排水孔，直径100，下层孔中心线距底板0.4m，上下层间距1.5m，顺水流方向间距5.0m。用渠倒虹吸型式是较为合理可行的。进口闸室段由桩号411+061411+071，长10m。该闸的功能主要是配合出口闸进行倒虹吸管身的事故检修。倒虹吸管检修前首先动水关闭出口工作闸门，再关闭进口检修闸门和出口检修闸门，待检修完毕，先小开度开启进口检修闸门充水平压后再关闭出口工作闸门，开启进出口检修闸，用工作闸门控制运行。检修闸设两扇检修闸门，倒虹吸管可一孔检修，也可两孔同时检修。进口闸室分2孔，每孔净宽5.1m，底板高程为56.711m。闸室为开敞式钢筋混凝土整体结构，中墩厚1.0m，边墩顶宽1.0m，底宽1.5m，底板厚1.3m。闸墩顶设交通桥和启闭机排架。闸室边墙设逆止式排水孔。闸室内设有2扇检修门，检修闸门为平面叠梁门，闸门总高度7.5m，每扇分3节，平时放置于门库中，采用2100kn电动葫芦起吊。门库布置在闸室左侧，地下结构，长16.1 m，宽4.5 m，高9.3m。管身段由桩号411+071411+563，长492m。管身为两孔一联的钢筋混凝土箱形结构，单孔过水断面尺寸5.1m5.1m，每1015m设一道横向伸缩缝，缝间设两道止水。管身段进口斜坡段长61m，纵坡16.757；管身水平段长365m；出口反坡段长66m，纵坡16.864。管身进出口底高程分别为56.711m、57.355m，管身水平段管顶高程54.000m，管底高程46.900m。管身顶板厚1.0m，中隔墙厚1.0m，边墙厚1.0m，底板厚1.0m。在倒虹吸管水平段进出口桩号411+132及桩号411+497处设集水井，供检修抽水。 出口闸室段桩号411+563411+581，长18m，设工作闸门和检修闸门。闸室分2孔，每孔净宽5.1m，底板高程为57.355m。闸室为开敞式钢筋混凝土整体式结构，中墩厚1.0m，边墩顶厚1.0，底厚1.5m，底板厚1.3m。设2扇工作钢闸门（弧门）和2扇检修钢闸门，工作门为动水启闭，墩顶高程67.753m。闸室边墙设逆止式排水孔。工作门为表孔弧形闸门，采用2160kn液压启闭机，闸门高度6.7m；检修闸门为平面滑动叠梁门，闸门总高度6.6m，分3节，平时放置于门库中，采用250kn电动葫芦起吊。门库布置在闸室左侧，地下结构，长16.1 m，宽4.5 m，高8.4m。出口渐变段由桩号411+581411+638，长57m。该段结构型式与进口渐变段相同，边坡系数02.5，底宽11.27.5m，底部高程为57.355m59.207m，纵坡1:30.778。渐变段一级马道高程为65.207m。边墙设逆止式排水孔。（2）河道治导建筑物 为改善河道行洪口门的流态，在倒虹吸进出口设置了治导建筑物，左右两侧均为包尔达可夫线型导流堤。由于中易水没有通航要求，导流堤曲线采用上游段由半径100m和33m两段园弧复合而成，园心角分别为90和30；下游段为半径100m，园心角30的圆弧。流速较大的导流堤头部及迎水面采用0.3m厚钢筋混凝土护坡，坡脚采用钢筋石笼护底，宽20m，厚2m；流速较小背水面和下游采用0.4m厚浆砌石护坡。下游迎水面采用钢筋石笼水平防护，宽10.0m，厚1m。 （3）口门防护倒虹吸采用浅埋方案，按照结构抗震要求将倒虹吸管身埋置于河底以下2.5m，并对管顶河床进行防冲防护以保证建筑物的安全运行。倒虹吸口门及上下游河床采用浆砌石护砌，护砌高程为56.500m，总长126m，上下游各63m，厚0.5m，之外为20m长的钢筋石笼护底，上游后1m，下游厚2m。口门两侧采用钢筋混凝土护坡，厚0.3m，并与上下游导流堤衔接。4.7 水力设计4.7.1 倒虹吸进出口渐变段长度为了使通过倒虹吸管的水流平顺，减少水头损失，在倒虹吸管与渠道连接处设置渐变段。其长度按经验公式确定 l=c(b1-b2)式中：c系数，进口取1.52.5，出口取2.53.5；b1渠道水面宽；b2渐变段缩窄端水面宽。按推荐断面（2孔1联）计算，进、出口渐变段长取35m和57m。加大流量时进口渐变段水面收缩角为1526。出口渐变段水面扩散角为937。4.7.2 倒虹吸进出口高程确定为保证倒虹吸进口在设计条件下的淹没进流状态，进口淹没度依据水利水电工程进水口设计规范（sl2852003）确定，水位变动幅度取0.3m。计算公式采用戈登公式:，c值取0.55。通过计算，设计条件下s=1.47m，校核条件下s=1.71m，取设计条件时淹没度1.85m。校核条件时淹没度为2.05m。出口淹没度取设计水位下1.0m。 依此确定倒虹吸进口底板高程56.711m，出口底板高程57.355m。在倒虹吸出口布置工作闸，用来调节总干渠和倒虹吸进口水位，倒虹吸小流量输水时通过控制工作闸开度调节倒虹吸进口水位，使倒虹吸进口处于淹没状态。并控制总干渠的输水量，事故截流和倒虹吸检修。4.7.3 倒虹吸管身水力设计对于渠道倒虹吸以通过加大流量作为断面控制条件。本倒虹吸管身断面按加大流量和分配总水头确定。 计算采用了长委编制的南水北调中线工程渠道倒虹吸土建部分初步设计大纲中的有关方法和公式，水力计算简图见图42。 （1）水流通过倒虹吸的总水头损失计算采用以下公式： zz1+z2+z3-z4式中：z1、z2、z3、z4分别表示进口渐变段水头损失、进口闸墩引起的水头损失、进口渐变段末端至倒虹吸出口水头损失、出口闸室和渐变段水面回升值。见图44。进口渐变段水头损失z1 z1=(1+1)（v22 -v12 ）/2g+l1j1渐变段糙率n取0.015；1进口渐变段局部水头损失系数，取0.15；l1进口渐变段长度，l1=35m；j1进口渐变段平均水力坡降； v1、v2进口渐变段始、未端流速。 进口闸墩引起的水头损失z2 z2=2k(k+10w-0.6)(a+15a4)(v02 )/2g v0闸槽内流速； k闸墩头部形状系数，对半圆形取0.9； w缩窄断面的流速水头与水深之比； a闸墩总厚度与闸室总宽度之比。 进口渐变段末端至倒虹吸出口水头损失z3 z3(v32 -v22 )/2g+(2+3+4+5+2gl3/c2r)(v32 /2g) v3管内流速(m/s)； 2进管损失系数，取0.2；3出管损失系数，取3=（1-；4弯道损失系数； 4=0.946sin2(q/2)+2.05sin4(q/2)，q为弯道与轴线夹角； 5旁通管损失系数，取0.05/每道；6闸槽损失系数，取0.1/每道； l3管道计算长度，l3=494m； c、r分别为管身段计算水流的谢才系数和水力半径，糙率n取0.014。 出口水面回升值z4 z4=(1-7)(v52 -v42)/2g-j2l5渐变段糙率n取0.015；7出口渐变段损失系数，取0.25；v5出口渐变段未端流速； v4出口渐变段始端流速； j2出口渐变段平均水力坡降；l5出口渐变段长度， l5=57m。表46 倒虹吸水力计算（按加大流量）成果表孔数每孔尺寸（宽高）加大设计流量（m3/s）管内流速（m/s）加大流速下水头损失（m）z1z2z3z4z25.15.1701.370.0070.0130.17900.19834.34.3701.30-0.0060.0160.1860.0070.203上表两种过水断面均满足过流要求，管身断面取25.1m5.1m（宽高）、34.3 m4.3m，进一步通过工程量计算进行比选。31 图42 倒虹吸水力计算示意图 4.8 主要建筑物稳定结构设计4.8.1稳定计算4.8.1.1管身稳定计算倒虹吸管为地下工程，其稳定计算包括两项内容，即管身水平段抗浮稳定和进出口斜坡段抗滑稳定。管身抗浮管身抗浮稳定计算公式采用南水北调中线工程总干渠渠道倒虹吸土建工程初步设计大纲（2004年3月）推荐的公式计算。kw=kw 式中：kw计算的抗浮安全系数；kw抗浮稳定安全系数，设计工况为1.1，校核工况1.05；g倒虹吸结构自重；ge管段上方回填土石料及砌体重，水下部分用浮重；gw管段内部水重，当管内无水时gw=0；w管段所受浮托力。根据倒虹吸运用情况，管身水平段抗浮稳定分别对管内有水河道100年、管内无水河道20年一遇洪水和倒虹吸管单孔检修河道20年一遇洪水进行了不同组合的抗浮稳定分析计算。荷载组合见表47，计算成果见表48。表47 倒虹吸管身抗浮荷载组合表荷载组合荷 载备注自重内水重外水重土重扬压力1.管内有水，河道300年洪水河道洪水位61.490m，河底护砌高程56.500m2. 管内无水，河道20年洪水河道洪水位59.680m，河底护砌高程56.500m3. 单孔检修河道20年一遇洪水河道洪水位59.680m，河底护砌高程56.500m表48 倒虹吸管身抗浮稳定成果表计算工况工况1工况2工况3抗浮稳定安全系数2.0781.5331.806由表48看出，抗浮稳定均满足要求。 斜管段抗滑倒虹吸管身进出口斜管段，其坡度与长度应满足抗滑稳定和便于伸缩、沉陷缝的设置。中易水倒虹吸进口斜管段坡度为1：6.757，长61m，分四段，一段16m，三段15m；出口斜管段坡度为1：6.864，长66m，分四段，两段16m，两段17m。抗滑稳定按长委设计大纲中的公式计算： kc=f(wycosa-wxsina)/(wysina+wxcosa)kc式中：kc抗滑稳定安全系数，设计工况取1.30，校核工况取1.2。； wy，wx分别为作用在斜管段上的垂直力和水平力； a斜管段建基面的水平倾角，进口段a=8.418，出口段a=8.289；f斜管段与建基面之间滑动摩擦系数，考虑最不利工况发生管段，进口坐落于页岩上，取0.5，出口坐落于页岩和砂砾石上，取0.45。计算按管内无水，管外有水的最不利工况计算，进口斜坡段抗滑安全系数1.225，出口1.278，均满足抗滑稳定要求。 管身段地基承载力复核管身地基应力按直线分布，计算工况取河道无水，倒虹吸正常输水；一孔过水，一孔检修；两种工况，计算成果见下表：49。计算工况最大地基应力（kpa）最小地基应力（kpa）不均匀系数渠道正常输水，河道无水308.45308.451.0单孔检修，考虑回淤316.45189.181.67管身斜管段建基面为砾砂、砾石和强风化页岩层，承载力标准值为350 kpa，地基承载力设计值为516.76 kpa，管身水平段建基面为强风化泥灰岩，承载力标准值为800 kpa。从表49可以看出，最大地基应力均小于地基承载力，不均匀系数小于2.0，满足规范要求。但要求施工回填时，管身两侧土方要均匀填筑，夯压密实。4.8.1.2进出口闸室稳定计算倒虹吸进出口闸室进行了抗浮稳定、抗滑稳定计算。计算方法同前。倒虹吸进出口闸室按河道百年洪水计算，抗浮稳定安全系数分别为1.656、2.022，均满足要求。进出口检修闸室抗滑稳定计算工况及成果见表410411。表4-10 进口闸室抗滑稳定成果表工况抗滑安全系数地基应力abcd不均匀系数基本组合渠道正常输水，河道无水30.9313.912.3212.3213.91.13渠道正常输水，河道100年一遇洪水219.698.118.119.691.20特殊组合渠道加大流量，河道300年一遇洪水18.799.487.827.829.481.21渠道加大流量，河道无水28.9814.1712.5112.5114.171.13施工完建期，河道无水22228.767.507.508.761.17闸门一孔检修，河道20年洪水3.8211.897.869.5910.161.51注：a、b、c、d为闸室底板的四个角点。表4-11 出口闸室抗滑稳定成果表工况抗滑安全系数地基应力abcd不均匀系数基本组合渠道正常输水，河道无水78.01 14.69 12.74 12.74 14.69 1.15渠道正常输水，河道100年一遇洪水49.82 9.74 7.78 7.789.74 1.25 特殊组合渠道正常输水，河道300年一遇洪水47.09 9.25 7.307.30 9.25 1.28 渠道加大流量，河道无水