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.16Aug.,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 ?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 337m,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:A1?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 m3/s,加大输水流量为 400 m3/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/m204080132.34104700132.5955590132.9217690133.610.338950133.99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 500m。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(Q114)和下部(Q24)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330m3/s,加大流量 400m3/s,白河 20 a一遇洪峰流量5 590 m3/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 km2,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 128.0m,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&南水北调中线一期工程总干渠渠道倒虹吸初步设计技术规定 要求,一般控制倒虹吸上游河道 20a一遇洪水最高水位较天然最高水位增加值在 0.3 m以内。&唐白河干流防洪规划报告 要求远景规划新修白河堤防堤距不小于 1 000 m,而白河交叉建筑物位置在远景规划整治范围内。因此将倒虹吸行洪口门宽度初拟为 1 000m,再根据水文条件采用同频率多库联合调洪的演算方法进行壅高复核。复核结果表明,白河20 a一遇洪水时其上游水位壅高值为 0.06 m,满足上游壅水标准;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&铁路桥墩勘测设计规范 TB10017-99有关40?第 16期?游万敏,等南水北调中线一期工程白河倒虹吸工程布置设计图 2?建筑物布置及结构示意公式计算,白河 300 a一遇洪水一般冲刷线高程为124.58 m,砂砾岩顶板高程约 114.7 m。在满足检修期管身抗浮要求的情况下,根据&南水北调中线一期工程总干渠渠道倒虹吸初步设计技术规定 要求,水平管段应埋置于 300 a一遇洪水冲刷深度以下 0.5m,则倒虹吸管建基面高程约为 114.78 m,略高于砂砾岩顶板高程。考虑砂砾岩为良好的基础,故将倒虹吸管置于其上,据此确定水平管段管顶高程为 124m。3.2?倒虹吸管型式倒虹吸管横断面常见的型式有圆形、箱形、城门洞形等。圆形断面,管道湿周小,过流能力大,水流条件和承载性能好,但当须用多根圆管排列时,与上、下游渠道衔接条件差,且因南水北调中线一期工程输水量大,设计管径均在 5m 以上,如采用预制生产,则存在制造设备复杂、吊运安装困难以及管座工程量大等困难;如采用现场浇筑,不仅施工难度大,工程量也比箱形断面大。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)168.7182.5718.634?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 2.67mm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 280MPa,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 TunnelofPhase IW orks ofM iddle Route Project of S-NW ater DiversionZHANG 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 ismainly affected by construction disturbance,settle ment variation of underlying soil layer,souring and silting of river channe.lTherefore,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.Itis 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 Projectof S-NW ater DiversionYOU 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 TaochaLushan 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-canalcrossingstructures.By a brief introduction to the outline of Baihe inverted siphon;and with the combination of engineering hydrolog ic,topographic and geological conditions,we describe the selection and comparison principle of its general layout in detail fro m theaspects of structural axis selection,river-canal crossing type and length selection etc.M oreover,through discussion on embed?ding depth,type and siphon number selection,the layout principle of canal inverted siphon pipe is further revealed.The basicthoughts of arrange ment and design of inverted siphon works are summarized.K ey words:?river-canal crossing structure;project layout;selection principle;Baihe inverted siphon;M iddle Route ProjectofS-N W aterD iversion50