南水北调中线吴洼东沟排水倒虹吸设计.pdf

8 水 利 水 电工 程 设 计D WR H E 2 0 1 1 年 第 3 O卷 第 1 期 南水北调中线吴洼东沟排水倒虹吸设计 刘 正 军 赵 国杰 陈 浩 摘 要通过对吴洼东 沟排水倒虹吸水力计算结果 与模 型试验结果 的对 比，表 明所采用 的水力计 算方法合理 ，计算 结果 可靠。采用 S A P 2 0 0 0和 A N S Y S两种 方 法对 管 身段 的结构 进 行 计算 ，结 果 表 明 两种 方 法 计算 结 果 基本 相 近 ， S A P 2 0 0 0计算结果 略大， 内力趋势基本 相同。通过计 算发 现本工程 温度 对弯矩 的影响幅度小 于 1 0 ，吴洼 东沟排水 倒虹 吸设计具有一定 的代表性 ，值得类似工程参考。 关键词 倒虹 吸 模型试验S A P 2 0 0 0 A N S Y S 结构计算 南水北调 中线工程 中图分类号T V 6 7 2 5 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 7 6 9 8 0 ( 2 0 1 1 ) 0 1 0 0 0 8 0 4 南水北调中线工程南起湖北省丹江 口水库 ，北 至北京市颐和园的团城湖 。其中鲁山 2段工程范围 为 T S 2 2 9 +2 1 1 一T S 2 3 9 +0 3 1 ，位于 河 南省 平 顶 山 市 境 内，渠道上游与鲁山 1 段相接 ，下游与鲁山北段 相连 ，分段设计流量 3 2 0 m 3 s ，加大流量 3 8 0 m s 。 鲁山 2段工程沿线共布置 3 座左岸排水建筑物 ，均 为排水倒虹吸型式。其中吴洼东沟排水倒虹吸位于 河南省鲁山县吴洼村南约 1 8 0 m处 ，交于南水北调 中线总干渠桩号 T S 2 3 3+5 9 8 0处 。其任务是将 洪 水从总干渠的左侧安全地泄往右侧 ，确保总干渠安 全通 过 ，此外 吴洼 东沟 排水倒 虹 吸还 承担 昭平 台南 干渠 的退水任务。 1 工 程 地 质 场地 区地表为上更新统 冲积层 ( a l Q ) 覆盖 ，下 伏基岩为上第三系( N ) 黏土岩、砂岩、砂砾岩 ，基 岩埋深 8 51 5 0 m。第 四系上更新 统 ( a l Q ) 自上 而下 主要 由粉 质壤 土 、粉 质黏 土 、粗砂 及粉 土质砾 组成 。粉质壤土层厚 1 5 m左右 ，分 布于地表 ；粉 质黏土分布稳定 ，厚 7 01 5 0 m，底板高程 1 1 8 1 2 9 m；粗砂层厚 1 0 m左右 ，呈透镜状分布 于粉 质黏土层下部 ；粉土质砾层厚 23 m，位 于粉质 黏土层下部。勘探深度内基岩主要 由黏土岩及砂砾 岩组成 ，局部夹砂岩薄层 ，黏土岩层厚一般 3 5 1 5 0 m，砂砾岩层厚 1 4 m 。管身坐落在粉质黏土 层上 ，工程 地质条件较好 ，但粉质黏土具 弱膨胀 性 ，应 注意 防护 。 2 工 程 总 体 布 置 吴洼东沟工程主要建筑物由进 口至出口依次为： 验认为降低 7 一1 5 较为合适 。如果按这个标准来衡量 的 话 ，枢纽布置 IA推荐 的三期 一4 方案就不成立 。在这样 的条件下 ，方案 比选 的说服力不够 ，推荐方案值得商榷 。 4 3 参与 比选 的方 案尽量精简 ，并非越 多越好 就枢纽布置 IA来 说 ，总共 提 出了 8个 分期 导流及 临时通航方 案 ，实际可 以精 简。 比如说 三期 一3方 案和 三 期 一 4方 案 ，两方 案基本 类似 ，三期 一3方案 没任何 优势 ， 参 与比选意义不 大 ；三期 一1 方案相对于三期 一2方案也 是 如此 ；四期方案 就更不必说 ，工期 长了 2 8个月 ，还有 比选 的必要 吗?所以笔者 认为方 案应符 合一定 的条 件 ，如通 航 基本 可行 、度汛 基本安全 、工期相 对较 短、导流 投资 相对 较小等才能参与 比选 ，并非越多越好。 4 4方案比选研究思路及成果可供类似工程借鉴 尽管工程还未开工 建设 ，但 从方 案 比选 成果来 看 ，还 是有许多地方值得类似工程借鉴 。 ( 1 )有通航要求的河 道 ，一期 施工 期应尽 量采 取主河 槽通航 ，确保通航水 力条件满 足施工 期临 时通航 要求 ；二 期或三期则利用永久船 闸临时通航 。 ( 2 )根据枢纽布置特 点 ，为尽 可能 提前发 电及 利用永 久船 闸临时通航 ，一 期选择在 同一基 坑 内围护 厂房 、船 闸 及 泄洪闸等建 筑物 为最 优施 工方 案 ，条 件允 许 的情 况下 ， 枢纽布置应尽可能朝这个 方向调整。 ( 3 )坝址上下游 已有桥梁横跨左右岸及洲 岛的情况下 ， 施 工期 通航 应维持原 主通 航孔通 航 ，方能有 效避免 桥 区通 航安全问题 。 ( 4 )库 区有 防洪堤垸 的，必须严格控制上游 库区水位 ， 施工宜选择过水 围堰 方案 ，枯期 围堰挡 水施 工 ，汛期 基坑 过水度汛 。 作者简介 虞 东亮 男 高级工程 师 中国水 电顾 问集 团中南勘测 设 计研究院 湖南长沙4 1 0 0 1 4 ( 收 稿 日期2 O l O一1 13 0 ) 刘正军等 南 水 北 调 中 线 吴 洼 东 沟 排 水 倒 虹 吸 设 计 上游河沟防护段 、进 口渐变段、倒虹吸管身段 、出 口渐变段 、下游河沟防护段等，其中上游河沟防护 段及进 口渐变段统称上游连接段 ，下游河沟防护段 及出口渐变段统称下游连接段 。建筑物水平投影总 长 1 9 7 0 9 0 m，其 中 进 出 口渐 变 段 采 用 圆 弧 挡 墙 ， 涵洞 进 口前 不 设 沉 沙 池 ，出 口段 不 设 消 力 池 ，进 、 出 口均不 设 闸 。 2 1 进 口渐 变段 进 口渐变段长 4 8 1 0 m。吴洼东沟进 口沟底 高 程为 1 3 4 8 0 0 m，拟定倒虹吸进 口底高程为 1 2 8 7 0 0 m，设置一斜坡段来连接河沟与倒 虹吸，斜坡段坡 比为 1 ： 5 ，斜坡段长 3 0 5 0 m。进 口平坡段长 1 7 6 0 m，底高程 为 1 2 8 7 0 0 m。两侧挡 土墙采 用扶臂式 圆弧翼墙 ，圆弧半径 1 7 6 0 m，圆弧中心角 9 0 。 。挡 土墙墙顶 高程与胸墙 齐平 ，为 2 0 0年一遇水 位加 0 4 m，挡土墙挡 2 0 0年一遇水位可 以防止进 口水 流对总干渠堤身 的淘刷 ，同时可 以缩短管身长度 ， 从 而减 小 工程 量 。 2 2 倒虹吸管身段 倒虹吸管身 段为 2孔 3 2 m3 2 m箱 型 C 3 0 钢筋混凝土管 ，两孔一联共一联 。倒虹吸管身水平 投影长 9 9 3 9 0 r n ，由进 口斜管段 、水平管身段 、出 口斜管段组成。进 口斜管段 、出口斜管段位于粉质 黏土地层上，水平管身段位于砂砾岩上 。 倒虹吸各管节间设沉陷缝 ，分缝处管壁厚度加 厚作为倒虹吸截渗环 ，并有利于缝间止水施工。沉 陷缝采用平接型式 ，缝内设 2层橡胶止水带 ，内填 闭孔泡沫塑料板 ，以适应地基不均匀沉陷及温度变 化引起 的管身变形。为了防止穿过河沟的总干渠渠 底产生不均匀沉降 ，在倒虹吸管顶铺设 3层土工格 栅。为了满足在总干渠正常运行条件下有效截断 内 水外渗渗漏通道 ，减少水量损失 ，并防止不满足输 水 要求 的外水 进人 渠道 ，在 倒虹 吸管 进 出 口斜 坡段 填土 比较高的适 当部位设置 4 r n 厚 的截渗齿墙。 2 3 出 口渐变 段 出 口渐 变 段 长 2 9 6 0 0 m 。平 坡 段 长 1 2 6 0 0 m， 底高程为 1 2 7 2 0 m，底板采用厚 5 0 c m的 C 2 5混凝 土护砌 ，下铺 2 0(3 1 11 级配砂砾料和 1 层土工布。两 侧 挡土 墙 采 用 悬 臂 式 圆 弧 翼 墙 ，圆 弧 半 径 1 2 6 0 0 m，圆弧中心角 9 0 。 。挡土墙墙顶 高程与胸墙齐平。 挡 土墙 内部 采 用 浆 砌 石 护 坡 ，坡 度 1 ： 2 ，下 铺 1 0 c m碎石垫 层。出 口吴 洼东 沟沟底 高程为 1 2 8 9 0 0 m，设置一斜坡段来连接河沟与倒虹吸，斜坡段坡 比为 1 ： 6 ，斜 坡段 长 1 7 O 0 m。 2 4河 沟 防护段 吴洼东沟排水倒虹吸的进 出口底部高程较天然 河道 低 。为 平顺 连接 水流 ，根 据 天然河 道建 筑物 的 横断面变化情况 ，对建筑物附近一定范围内的上下 游河道进行削坡 、整平 、护砌处理 ，以平顺上下游 的水 流 条件 。 3 倒 虹 吸 水 力计 算 水力计算的任务是在初步拟定建筑物纵横断面 尺 寸 以及进 出 口段 布置基 础上 ，以建筑 物下 游 的天 然水位流量关系曲线为基准。通过水力学计算 ，推 出建筑物上游的水位流量关系曲线 ，从而得出建筑 物的过流能力 曲线。倒虹吸过水流量按压力管道公 式计 算 ： q ： ( 1 ) 式中 流量系数 ； 涵洞总断面积 ，m 2 ； z 上下游水头差 ，m。 倒虹吸管过流能力计算结果见表 1 。 为了验证输水建筑物的过流能力，优化输水建 表 1 倒虹 吸进 口断面 过流能力曲线表 筑物 的轮廓尺寸 ，测定倒虹吸进出 口水流冲刷变化 规律 ，研究其对于渠影响等 ，对吴洼东沟排水倒虹 吸进行了模型试验。实验观测了吴洼东沟排水倒虹 吸布置的水流流态 ，测定了不同泄洪标准条件下吴 洼东沟倒虹吸过流能力 ，测量了进 、出口有关水力 要素，包括水面线 、流速分布及河床局部冲刷等 。 试验观测 了倒虹吸在不 同水位下的过流能力 ， 试验成果见表 2 。通过试验可知，在校核流量 Q= 水 利 水 电 工 程 设 计D WR H E 2 0 1 1午 第 3 0卷 第 1 期 1 4 9 m 3 s 时，倒虹吸上游进 口水位为 1 3 6 3 2 m，下 游出口水位为 1 3 2 6 0 m；在设计 流量 Q=1 1 7 m 3 s 时 ，倒虹 吸上 游进 口水位 为 1 3 4 8 2 m，下游 出 口水 位为 1 3 2 3 5 m，倒虹吸过流能力满足设计要求。 表 2 倒虹吸进口断面水位与流量关 系试验结果表 试验的水头差与计算水头差对 比见表 3 。 表 3 各工况下倒虹吸管的流 量系数 从模型试验结果可见吴洼东沟试验过流能力与 计算过流能力相近 ，满足设计要求 ，倒虹吸体型设 计合 理 。 4管 身 段 结 构 计 算 4 1 S A P 2 0 0 0方 法结构 计算 倒虹吸管身的结构计算采用有限元分析方法，使 用 S A P 2 0 ( 结构分析程序计算 内力，沿水流方向截取 单位长度的管身进行内力有限元分析，按平面问题处 理，将结构视为有限弹性地基上的框架，利用文克尔 假定进行计算。计算中未计温度荷载的影响。 根据倒虹吸的总体布置情况 ，渠底下断面( 水 平管身断面) 和渠堤下断面( 填土最厚处 ) 管身 的受 力条件差别 较大 ，结构计 算时取 2个 断面进行计 算。倒虹吸管身结构计算荷载组合详见表 4 ，计算 结果见表 5 ，内力简图见图 1 。 表 4 倒虹吸管身结构计算荷载组合表 肘 一M。 6 ( k N m) Mk ( k N m) M ( k N m) Md。 一M t k N m M l ( k N m ) ， ( k N m ) ( k N m ) Q a b k N Q k N Q d c k N Q k N Q k N Q k N 一 1 0 8 9 6 3 8 5 4 2 9 7 6 6 9 4 1 1 1 2 6 4 3 2 8 8 3 9 5 3 6 5 O 8 1 3 5 9 4 4 0 3 2 2 4 0 2 0 1 0 l 2 2 2 9 2 9 2 7 4 2 2 5 5 4 2 1 6 5 0 1 3 5 6 3 1 2 2 O 1 1 3 6 0 1 2 9 0 2 2 51 4 8 3 2 2 3 1 3 41 0 7 2 9 8 4 3 一 l 3 7 3 0 7 7 8 9 1 0 8 9 6 3 8 5 4 2 9 7 6 6 9 4 1 l 1 2 6 4 3 2 8 8 3 9 5 3 6 5 0 8 一 l 3 5 9 4 4 O 3 2 2 4 0 2 01 0 l 2 2 2 9 2 9 6 1 2 2 3 6 6 O 2 2 7 7 7 1 3 8 7 0 1 5 5 4 l l 9 9 8 1 3 5 2 6 2 6 3 6 5 3 3 8 5 7 3 5 7 O 5 3 1 O O 3 1 3 7 2 2 7 7 9 7 8 0 1 4 1 6 8 6 7 1 6 9 3 1 1 2 1 3 8 8 1 7 8 0 3 8 9 7 5 6 1 9 2 7 7 2 3 9 9 8 2 5 9 2 O 2 3 9 5 O 一 1 3 1 4 1 9 6 9 3 1 9 9 1 6 2 6 6 1 2 2 5 6 8 4 2 4 2 4 0 7 3 7 6 1 2 7 o 2 1 4 7 7 7 3 6 8 7 3 4 0 4 4 5 4 2 3 7 0 41 6 6 6 3 4 0 4 7 2 8 0 8 7 8 0 1 4 l 6 8 6 7 1 6 9 3 l 1 2 1 3 8 8 1 7 8 0 3 8 9 7 5 6 1 9 2 7 7 2 3 9 9 8 2 5 9 2 O 2 3 9 5 0 1 3 1 4 1 9 6 9 3 1 9 9 1 6 2 6 6 1 2 2 5 6 8 4 2 4 2 4 0 7 3 7 6 1 2 7 【 ) 2 1 4 7 7 7 3 6 8 7 3 4 0 4 4 5 4 2 3 7 0 41 6 6 6 3 4 o 4 7 2 8 0 8 7 尸l P2 P B ， ( ? ff f 1 f f f f ff 1 t g 一 一 ( a 1 双孔 箱溉荷 载简 图 二 n ( 、 一 b ( b ) YZf L 箱涵弯矩 图 图 1 荷载及内力简图 一6 ( c ) 双孔 箱涵剪力 图 十 t 刘 正军等 南 水 北 调 中 线 吴 洼 东 沟 排 水 倒 虹 吸 设 计 4 2 A N S Y S方法结构计算 为了验证 S A P 2 0 0 0方法计算结果的正确性 ，并 且分析温度荷载对结构 的影响，又采用国际通用大 型结构计算软件 A N S Y S对 涵体结构 、基础进行整 体三维有限元计算分析 。计算单元采用八结点三维 实体单元 、涵洞和基础问用接触单元 。假定模型沿 倒 虹吸流水的方 向为 方 向，倒虹 吸横断面方 向 为 Y方 向，铅垂 向上为 正方 向。倒虹 吸结 构计 算模型单元图见图 2 ，积分截面号示意图见图 3 。 图2倒虹吸结构计算模型单元 图 I l I 2 I 3 图 3 积分截 面号示意图 选取填土最厚斜管段的设计 工、设计 ，并分 为不考虑温度荷载、内低于外 3，外低于 内3 三种情况分别计算 ，计算结果见表 6 。 对 比表 5与表 6 ，两 种方法 计算 结 果基 本 相 近 ，S A P 2 0 0 0计算结果 略大 ，内力趋势基本 相 同。 对 比表 6中数据得 出温度对弯 矩 的影 响幅度小 于 1 0 。鉴于 S A P 2 0 0 0是结构分析方面比较成熟和完 善的有限元软 件 ，具有 可操作 性强 、分 析结果 可 靠 、便于设计人员应用等优点 ，加之本设计段 内小 倒虹 吸较 多 ，本 设 计 阶段 对 其 它 倒 虹 吸 均采 用 S A P 2 0 0 0进行 计算 ，在 配筋 时考 虑温 度应 力 的影 响 ，将弯矩值加大 1 0 。 5 结 语 本文首先对吴洼东沟排水倒虹吸的布置做 了简 要介绍 ，然后通过水力计算结果与模型试验结果 的 对比，表明所选水力计算方法合理，计算结果可靠 。 表 6 各工况 内力计算结果表 对管身段的结构计算采用 了 S A P 2 0 0 0和 A N S Y S 两种方法 ，两种方法计算结 果基本 相近，S A P 2 0 0 0 计算结果略大，内力趋势基本相同。本工程温度对 弯矩 的影响 幅度小 于 1 0 。鉴于 S A P 2 0 0 0是结 构 分析方面比较成熟和完善 的有限元软件 ，具有可操 作性强 、分析结果 可靠、便 于设 计人员应用 等优 点 ，加之 本工 程 段 内小 倒 虹 吸 较多 ，采 用 S A P 2 0 0 0 进行结构计算 ，在配筋时考虑温度应力的影响，将 弯矩值加大 1 0 ，这样 既可 以保证结构安全可靠 ， 也可以提高设计效率。具有一定 的代表性 ，值得类 似工程参考。 作者简 介 刘 正军 男 高级工 程师 中水 北方勘 测设计研 究有 限责 任公 司 天 津3 0 0 2 2 2 赵 国杰 男 工程 师 中水 北方勘 测设 计研 究有 限责 任公 司 天 津3 0 0 2 2 2 陈 浩 男 助理 工程 师 中水北 方勘测设 计研 究有 限责 任 公 司 天 津3 0 0 2 2 2 ( 收稿 日期 2 0 1 0 1 1 2 4 )