南水北调中线一期工程白河倒虹吸工程布置设计.pdf

第 41卷 第 16期 2 0 1 0 年 8 月 人 民 长 江 Y angtze R iver Vo l 41 No 16 Aug 2010 收稿日期 2010 07 04 作者简介 游万敏 女 工程师 硕士 主要从事水利水电枢纽工程设计工作 E mai l youwanm in cjwsjy co m cn 文章编号 1001 4179 2010 16 0039 03 南水北调中线一期工程白河倒虹吸工程布置设计 游 万 敏 上 官 江 黄 星 旻 长江勘测规划设计研究院 枢纽设计处 湖北 武汉 430010 摘要 白河倒虹吸是南水北调中线工程陶岔 鲁山段总干渠穿越白河干流的大型河渠交叉建筑物 全长 1 337 m 在河渠交叉建筑物设计中具有一定的代表性 通过简要介绍工程概况 结合工程水文 地形地质条件 从 建筑物的轴线选择 河渠交叉型式选择及长度选择等方面 详细阐述了河渠交叉建筑物总体布置方案比选原 则 通过对倒虹吸管的埋深 型式及孔数选择 阐述了渠道倒虹吸管身段的布置原则 总结了渠道倒虹吸工程 布置设计的基本思路 关 键 词 白河倒虹吸 河渠交叉建筑物 工程布置 比选原则 南水北调中线一期工程 中图法分类号 TV67 文献标志码 A 1 工程概况 白河倒虹吸是南水北调中线总干渠穿越白河干流 的大型河渠交叉建筑物 距南阳市约 15 k m 的蒲山镇 蔡寨村东北 总长 1 337m 工程主要建筑物从进口至 出口依次为 进口渐变段 退水闸及过渡段 进口检修 闸 倒虹吸管身 出口节制闸 检修闸 出口渐变段 根据南水北调中线一期工程总体设计 本工程设 计输水流量为 330 m 3 s 加大输水流量为 400 m 3 s 白河渠道倒虹吸属大型河渠交叉建筑物 工程防洪标 准按 100 a一遇洪水设计 300 a一遇洪水校核 白河 天然洪水特性见表 1 表 1 白河天然洪水特性参数 洪水频率 P 洪峰流量 m3 s 1 天然水位 m 204080132 34 104700132 59 55590132 92 17690133 61 0 338950133 99 工程区地势开阔 地形起伏 地貌形态由孤山及河 谷组成 白河河谷不对称 发育有河床 低漫滩 高漫 滩及 级阶地 河床底部高程 123 0 128 5 m 切深 2 0 5 0m 枯水期水面宽 100 150 m 洪水期水面 宽 600余米 低漫滩地面高程 128 6 130 0 m 主要 分布在左岸 宽 130 250 m 高漫滩也分布在左岸 宽 90 230 m 地面高程 130 0 131 9 m 级阶地 阶面高程 129 5 132 7 m 左 右岸阶面各宽约 500 m 孤山位于右岸 地形起伏 地面高程 130 200 m 相对高差 70m 工程区地层主要为震旦系下统 Z1 上第三系 N 和第四系全新统 Q4 震旦系下统由大理岩 片 岩组成 分布在白河右岸丰山一带 上第三系 N 主 要为砂砾岩 广泛分布于白河河床及左岸 级阶地的 第四系覆盖层之下 第四系全新统 Q4 分为上部 Q1 1 4 和下部 Q 2 4 两部分 全新统下部分布于白河左 岸 级阶地及河床漫滩 主要由砂壤土 细砂 含砾中 砂和砾砂等组成 厚度 11 0 13 0 m 全新统上部分 布于河床漫滩 主要由粉砂 细砂 含砾中砂 含砾中粗 砂和砾砂等组成 厚度 10 0 15 0 m 2 工程总体布置设计 2 1 建筑物轴线选择 河渠交叉建筑物轴线选择应根据河 渠 水流 地 形地质条件 并考虑了以下几个主要原则 根据总 人 民 长 江2010年 干渠总体渠线布置最优的原则确定 尽量避让现有村 庄和重要建筑物 所选择交叉断面处天然河道主槽 的水文地质形态应具有水流集中 稳定性好和岸坡稳 定的特点 河渠交叉建筑物应与两岸总干渠渠线平 顺连接 其轴线宜与天然河道主泓垂直 结合不同 型式建筑物对地形 地质条件的要求 选择相对较优的 轴线位置 白河倒虹吸工程的轴线受南水北调中线工 程总干渠线路的限制 如图 1所示 进口连接渠道 以挖方为主 出口连接渠道为填方渠道 最大开挖高度 约为 20m 最大填方高度约为 11 5m 地形 地质条件 比较合适 轴线进口端位于白河右岸丰山下游山麓 处 与白河河槽近乎正交 丰山最高处高程约 260m 与地面高差约 130 m 白河倒虹吸轴线上移将横穿丰 山 加大进口开挖量 轴线下游地形平坦 地势逐渐降 低 距下游村庄约 170m 如白河倒虹吸下移 虽可减 少进口开挖量 但将增加居民拆迁数量 经综合比较 选择了现定的轴线 图 1 白河总干渠布置线路 2 2 河渠交叉建筑物型式选择 河渠交叉建筑物主要有暗渠 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 种型式 主要从河渠水位 流量的相互关系 防洪影响 和运行管理等方面进行分析选择 1 河渠水位相互关系分析 总干渠过白河段的 渠底高程为 133 124 132 424 m 设计水位 140 624 139 924m 白河河道天然设计洪水位 133 61 m 校 核洪水位 133 99 m 渠底高程低于河道天然校核洪 水位 不能满足梁式渡槽槽下净空的要求 不具备梁式 渡槽的跨越条件 另一方面 总干渠设计水位高于河 道天然洪水位 也不具备暗渠穿越的条件 2 河 渠流量相对关系分析 总干渠设计流量 330m 3 s 加大流量 400m 3 s 白河 20 a一遇洪峰流量 5 590 m 3 s 总干渠流量远小于白河 20 a一遇洪峰流 量 不能采用河道倒虹吸 排洪渡槽 排洪涵洞等河穿 渠类交叉型式 3 防洪影响和运行管理分析 交叉断面以上白 河流域面积 3 594 62 km 2 流域面积大 防洪要求高 如采用涵洞式渡槽方案 涵洞底高程取河底高程 128 0 m 涵洞顶高程约 131 4 m 低于白河 5 a一遇洪水位 132 34 m 故在低于 5a一遇频率洪水条件下 涵洞过 流均为有压流 阻水严重 并且 如涵洞过流面积取与 渠道倒虹吸方案河道遭遇 20 a一遇洪水相同的过流 面积 则涵洞净长为 1 450m 若进一步考虑涵洞壁厚 其长度近 1 800m 涵洞式渡槽欲达到渠道倒虹吸相 同的防洪效果 需考虑水力半径的影响 其长度还将进 一步加长 故涵洞式渡槽方案难以达到防洪影响评价 的要求 此外 从运行管理考虑 涵洞式渡槽方案存在 着排漂 排污 清淤等问题 综上所述 从河 渠水位相对关系分析排除了暗渠 及梁式渡槽 从河渠流量相对关系分析排除了河道倒 虹吸等河穿渠类交叉型式 从防洪影响和运行管理分 析排除了涵洞式渡槽型式 经综合比选 从而确定白河 交叉建筑物采用渠道倒虹吸型式 建筑物布置及结构 示意见图 2 2 3 建筑物长度选择 渠道倒虹吸的建筑物长度主要取决于预留河道行 洪口门宽度 考虑了以下原则 不超过当地现有防 洪排涝标准 并尽量减少工程量 应符合南水北调 中线总体规划要求和当地的防洪规划有关要求 根 据 而 100 a一遇和 300 a一遇洪水时上游水 位不产生壅高 对淹没无影响 能够满足上游防洪要 求 据此确定倒虹吸建筑保证河道行洪口门宽度为 1 000 m 既符合当地的防洪规划要求 又满足上游壅 水标准及防洪要求 行洪口门宽度与倒虹吸管水平管 段长度相同 由此确定建筑物总长为 1 337 m 3 倒虹吸管布置及型式选择 3 1 倒虹吸管埋深 倒虹吸管埋深根据建筑物所在河段的地形地质条 件 水流条件 河床冲刷情况和虹吸管抗浮要求确定 按 如采用现场浇筑 不仅施工难度大 工程量也比箱 形断面大 如采用城门洞形断面 则水流条件较好 适 用于无压涵洞 但在内水压力作用大时受力条件较差 且工程量也比箱形断面大 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 在工程实践中应用较多 经综合分析确定 倒虹吸管 型式选用箱形断面 3 3 倒虹吸孔数 在满足输水能力要求的情况下 对不同管身横断 面和孔数进行工程量比较 选择工程量较小的方案 初拟的 2个方案 方案 1为 2孔一联共 4孔 方案 2为 2孔一联加 3孔一联共 5孔 两方案仅统计分析 倒虹吸管身段的主要工程量 如表 2所示 方案 2工 程量较方案 1大 故选择 2孔一联共 4孔的倒虹吸管 方案 表 2 不同孔数管身主要工程量指标比较万 m3 方 案 土石方 开挖 土石方 回填 C30 混凝土 1 4孔 2孔一联 6 70m 6 70m 宽 高 147 3077 2017 24 2 5孔 2孔一联加 3孔一联 6 15m 6 15m 宽 高 168 7182 5718 63 4 结 语 白河渠道倒虹吸渠线长 河 渠交叉建筑物工程量 大 设计方案比选与优化尤为重要 为此 在工程方案 优选及设计优化方面 着重考虑了以下几个方面 1 河 渠交叉建筑物轴线选择应根据总干渠总 体最优的原则确定 考虑交叉断面处的水流 地形地质 条件 与总干渠渠线平顺连接及与天然河道主流的相 互关系等进行综合分析 2 河渠交叉型式应从河 渠 水位 流量的相对 关系 防洪影响和运行管理各方面进行分析选择 3 建筑物长度应符合防洪规划原则 满足上游 壅水标准及防洪要求 4 倒虹吸管埋深应根据地形地质条件 水流条 件 河床的冲刷情况和抗浮要求确定 5 倒虹吸管型式及孔数选择应从工程量 上下 游渠道衔接条件及施工难度等多方面 综合分析确定 编辑 喻 伟 下转第 50页 41 人 民 长 江2010年 砌接缝的最大纵向张开度和垂直错动量分别为 2 67 mm和 2 16 mm 小于接缝弹性密封垫防水允许值 隧 洞衬砌接缝满足变形和防水要求 2 考虑内水压 地震荷载及主槽整体摆动三者 遭遇的极端情况 衬砌接缝产生的最大张开度和垂直 错动量分别 3 09mm和 2 76 mm 仍小于接缝弹性密 封垫防水允许值 隧洞衬砌接缝满足变形和防水要求 3 无地震效应时 管片螺栓应力最大为 280 MPa 叠加地震后管片螺栓应力最大为 323MPa 因管 片采用高强螺栓连接 螺栓所承受应力在允许范围内 4 设计拟定分段的标准长度为 9 6 m 这对于 在与北岸和南岸施工竖井衔接的洞段以及地层变化洞 段局部加密的分段方案 是可以适应隧洞纵向变形的 并且有一定的安全裕度 编辑 喻 伟 Study on longitudinal deformation ofYellow River Crossing Tunnel ofPhase IW orks ofM iddle Route Project of S NW ater Diversion ZHANG Chuanjian LU Guoliang DENG Jialin Hydraulic Complex DesignD epart ment Changjiang Institute of Survey Planning Design and Research Wuhan 430010 China Abstract The longitudinal defor mation ofY ellow River Crossing Tunnel ofM iddle Route Project of S N W ater D iversion is mainly affected by construction disturbance settle ment variation of underlying soil layer souring and silting of river channe l Therefore through hydraulic model test we de monstrated variation of scouring and silting load analyzed the defor mation distri bution and influence under seism ic load andmainly calculated defor mation under the conditions of different internalwater pres sures and souring and silting The arrange ment scheme of the tunnel ai m ing at the 3 load combination conditions is proposed It is verified that the proposed sche me can adapt to longitudinaldefor mation and has safety margin K ey words Yello w R iver Crossing Tunne l river regi me variation souring and silting variation seismic load longitudinal de for mation 上接第 41页 Layout design of Baihe inverted siphon works ofM iddle Route Project of S NW ater Diversion YOU W an m in S HANGGUAN Jiang HUANG Xingm in HydraulicCo mplex D esign Depart ment Changjiang Institute of Survey Planning Design and Research Wuhan 430010 Chi na Abstract Baihe inverted siphon in Taocha Lushan section ofM iddleRoute Project ofS N W aterD iversion is a large river canal crossing structure passing through the Baihe R iverw ith a total length of1337m which is typical in river canalcrossing structures By a brief introduction to the outline of Baihe in