毕业设计（论文）-南水北调中线中易水倒虹吸工程设计

题 目：河北工程大学 毕 业 设 计

南 水 北 调 中 线

中易水倒虹吸工程设计

目录

1. 前言 ...................................................... 3 2. 设计采用的主要规程、规范 .................................. 5 2.1文件依据 .................................................. 5 2.2执行规范、规程 ............................................ 5 3. 设计概况 .................................................. 6 3.1河道现状 .................................................. 6 3.2设计基本资料...............................................6 3.2.1倒虹吸设计指标?????????????????????.6 3.2.2总干渠设计指标?????????????????????.6 3.2.3交叉断面天然河道设计指标????????????????.7 3.2.4材料等级????????????????????????.7 3.2.5地质参数????????????????????????.8 4. 总体设计 .................................................. 9 4.1工程等别和标准 ............................................ 9 4.1.1工程等别及建筑物级别 .................................... 9 4.1.2防洪标准 ................................................ 9 4.1.3地震烈度 ................................................ 9 4.2结构安全指标 .............................................. 9 4.3 建筑物轴线选择 .......................................... 10 4.3.1选线原则 ............................................... 10 4.3.2轴线选择 ............................................... 10 4.4建筑物长度 ............................................... 11 4.4.1不同口门宽度的壅水计算?????????????????11

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4.4.2倒虹吸浅埋护砌对河道水位影响分析???????????..13 4.5一般冲刷深度计算 ......................................... 13 4.5.1 冲刷深度计算?????????????????????..14 4.5.2计算结果????????????????????????14

4.6工程布置和主要建筑物型式 ................................. 15 4.6.1主要建筑物型式 ......................................... 15 4.6.2工程布置 ............................................... 17 4.7 水力设计 ................................................ 19 4.7.1 倒虹吸进出口渐变段长度 ................................ 19 4.7.2 倒虹吸进出口高程确定 .................................. 19 4.7.3 倒虹吸管身水力设计 .................................... 20 4.8 主要建筑物稳定结构设计 .................................. 23 4.8.1稳定计算 ............................................... 23 4.8.2结构计算 ............................................... 26 4.9治导工程设计 ............................................. 41 4.9.1导流堤设计???????????????????????41 4.9.2导流堤顶面高程的确定??????????????????41 4.9.3导流堤的的堤顶宽和边坡确定???????????????41 4.9.4导流堤的冲刷与防护设计..................................42 5 节能设计????????????????????????.?44 5.1节能设计依据??????????????????????..44 5.2节能设计原则??????????????????????..44 5.3节能设计????????????????????????..44 5.3.1节能分析???????????????????????..44 5.3.2节能设计???????????????????????..44 6致谢????????????????????????????46 7参考文献??????????????????????????47 8图 纸???????????????????????????48

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1.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154.9km，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。

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总三合庄孙庄北白涧北高村西北奇东北奇N大胡解方城东高村中高村北白虹西白涧西罗村南福地干中罗村东罗村舍龙城西牛北靠向阳村渠2334裴山北韩01125km45 图1 中易水渠道倒虹吸地理位置略图

１:公路；2：建筑物位置；3:河流；4:村庄、乡镇; ５:总干渠

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表4—5 中易水倒虹吸冲刷深度成果表 现状河底高程（m） 倒虹吸不同口门宽度冲刷深度（m） 500m 6.81 6.15 56.4 50 20 5.60 4.23 5.81 4.43 5.88 4.48 6.04 4.62 400m 7.14 6.42 370m 7.24 6.50 300m 7.48 6.70 重现期(a) 300 100 4.6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63.714～63.507m；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，

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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48.0～50.0m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，

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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3176m3／s，主槽流量为2316m3／s，滩地流量为860m3／s。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》JTJ062—91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+026～411+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+026～411+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2.5～0，底宽7.5～11.2m，底部高程59.414～56.711m，纵坡1∶12.949，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φ100，下层孔中心线距底

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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+061～411+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2×100kN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+071～411+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5.1m×5.1m，每10～15m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1∶6.757；管身水平段长365m；出口反坡段长66m，纵坡1∶6.864。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+563～411+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2×160kN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2×50kN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+581～411+638，长57m。该段结构型式与进口渐变段相同，边坡系数0～2.5，底宽11.2～7.5m，底部高程为57.355m～59.207m，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。

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（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1.5～2.5，出口取2.5～3.5； 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15°26?。出口渐变段水面扩散角为9°37?。

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》（SL285－2003）确定，水位变动幅度取0.3m。

计算公式采用戈登公式:S?cVd，c值取0.55。

12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

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5.节能设计

5.1节能设计依据

节能设计主要依据的法律、法规及技术标准： （1）《中华人民共和国节约能源法》；

（2）水利部水规计[2007]10号文《转发国家发展改革委关于加强固定资产投资项目节能评估和审查工作的通知》；

（3）《中国节能技术政策大纲》； （5）《水闸设计规范》SL265-2001； （6）《堤防工程设计规范》GB50286-98；

（7）《民用建筑节能管理规定》（建设部令第143号）； （8）《公共建筑节能设计标准》（GB 50189-2005）； （9）《民用建筑热工设计规范》（GB 50176-1993）

5.2节能设计原则

节能工作是一项长期的战略任务，也是当前的紧迫任务。根据《中国节能技术政策大纲》，节能设计应遵循“开发与节约并举、节约优先”和“节能与发展相互促进”的方针，优先采用节能型的施工工艺和高性能节能设备，提高能源利用效率和效益，减少对环境的影响。

5.3节能设计

5.3.1节能分析

节能设计主要考虑：在设计中使用节能材料和设备，合理布局节约投资；在施工中采用合理安排工序，缩短工期和选用节能机械等节能措施。

土建工程中主要是土方、混凝土、砌石工程；金属结构主要为闸门、埋件、启闭设备；电气设备主要为变压器、配电柜等；建筑设计主要是建筑总体布局、建筑单体设计等。

5.3.2节能设计

根据工程特点及当地客观条件，确定节能措施如下： 1）建筑材料

工程主要建筑材料为水泥、钢筋、石材等，水泥优先选用大型窑外分解新型干法窑生产工艺生产的产品，并尽量使用高标号水泥；钢筋、油料等选用符合国家相关标准的产品。

2）结构设计优化

严格执行有关设计规范，进行多方案比较，选取经济合理的结构尺寸，节省投资、降低能源损耗和对环境的影响。交通桥上部结构采用梁高较低的空心板，降低了桥面高程，

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从而降低了引道纵坡、降低了车辆爬坡能耗。

3）机电设备

变压器、电容补偿柜、节能灯等都选用的新型低功耗节能设备，电力传输选用合适的经济截面电缆、减少导线电能损失。

4）建筑

（1）建筑总体布局

该工程地处我国建筑热工设计气候分区中寒冷地区，在建筑总平面的布置和设计中，充分利用冬季日照并避开冬季主导风向，利用夏季凉爽时段的自然通风，来调节室内物理环境，节约建筑用能。建筑的朝向采用南北向，主要房间避免夏季受东、西日晒。

办公区环境设计，在建筑周围种植树木、植被，阻挡风沙，净化空气；建筑的布置结合周围河道水面，用自然水面平衡环境温度、湿度、提高建筑室内热舒适度。

（2）建筑单体

建筑单体的体形设计适应寒冷地区的气候条件，采用紧凑的体形，缩小体形系数，减少热损失。管理用房办公楼的建筑体形系数为0.40。

5）施工组织

从施工总布置、施工方法、施工机械设备选型及施工工期方面考虑节能设计。 施工总布置：各种工厂尽量布置在对外公路附近；为少占农田，布置力求紧凑。

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6.致 谢

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7.参考文献

[1] 水利电力部第五工程局、水利电力不东北勘测设计院主编。土坝设计（上、下册）。北京：水利电力出版社，1978

[2] 清华大学、西安理工大学、河海大学、大连理工大学合编。水工钢筋混凝土结构学（第三版）。北京：中国水利水电出版社，1996

[3] 水利部主编。水工规范（SL/T191—96）。北京：中国水利水电出版社，1998 [4] 华东水利学院主编。水工设计手册（土石坝）。北京：水利电力出版社，

1984

[5] 水利水电工程等级划分及设计标准（SDJ21—78）。北京：水利电力出版社，

1981

[6] 碾压式土石坝设计规范（SDJ218—84）。北京：水利电力出版社，1985 [7] 水工隧洞设计规范（SD134—84）。北京：水利电力出版社，1985 [8] [美]YANG。H。H著。土坡稳定分析（包承刚、王清友、宋昆仑译）。北京：

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清华大学出版社，1978

[9] 汝乃华、牛云光编著。北京：水利水电出版社，2001

[10] 武汉水利电力学院水力学教研室主编。水力计算手册。北京：水利出版社，1980

[11] 钱家欢主编。土力学（第二版）。南京：河海大学出版社，1997 [12] 四川大学。吴迟恭主编。水力学（第三版上、下册）。北京：高等教育出版社，2003

[13] 天津大学。祁庆和主编。水工建筑物（第二版）。北京：水利电力出版社，1986

[14] 河北工程大学。马文英主编。水工建筑物（上、下册）。郑州：黄河水利出版社，2003

[15] 陕西水院。杨树宽主编。水工建筑物设计示例与习题。北京：中国水利水电出版社，1996

[16] 同济大学。叶书鳞、叶观宝编。地基处理（第二版）。北京：中国建筑工业出版社，2004

[17] 林昭著。碾压式土石坝设计（第一版）。郑州：黄河水利出版社，2003

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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4－2。

（1）水流通过倒虹吸的总水头损失计算采用以下公式：

△Z＝△Z1+△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4－4。

①进口渐变段水头损失△Z1

△Z1=(1+ζ1)（V22 -V12 ）/2g+L1J1 渐变段糙率n取0.015；

ζ1—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。 ② 进口闸墩引起的水头损失△Z2

△Z2=2k(k+10?-0.6)(?+15?4)(V02 )/2g V0—闸槽内流速；

k—闸墩头部形状系数，对半圆形取0.9； ?—缩窄断面的流速水头与水深之比； ?—闸墩总厚度与闸室总宽度之比。

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③ 进口渐变段末端至倒虹吸出口水头损失△Z3

△Z3＝(V32 -V22 )/2g+(ζ2+ζ3+ζ4+ζ5+2gL3/C2R)(V32 /2g) V3—管内流速(m/s)； ζ2—进管损失系数，取0.2； ζ3—出管损失系数，取ζ3=（1-ζ4—弯道损失系数；

ζ4=0.946sin2(?/2)+2.05sin4(?/2)，?为弯道与轴线夹角； ζ5—旁通管损失系数，取0.05/每道； ζ6—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。 ④ 出口水面回升值△Z4

△Z4=(1-ζ7)×[(V52 -V42)/2g-J2×L5 渐变段糙率n取0.015；

ζ7—出口渐变段损失系数，取0.25；

w22)； w1V5—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4—6 倒虹吸水力计算（按加大流量）成果表

每孔孔数 尺寸 （宽×高） 2 3 5.1×5.1 4.3加大设计流量（m/s） 70 70 3管内流速（m/s） 1.37 1.30 △Z1 加大流速下水头损失（m） △Z2 △Z3 △Z4 ∑△Z 0.007 -0.006 0.013 0.016 0.179 0.186 0 0.007 0.198 0.203 ×4.3 上表两种过水断面均满足过流要求，管身断面取2×5.1m×5.1m（宽×高）、3×4.3 m×4.3m，进一步通过工程量计算进行比选。

21

图4—2 倒虹吸水力计算示意图 22 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。

⑴ 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=

(G?GE?GW)≥[kW]

W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4—7，计算成果见表4—8。

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表4—7 倒虹吸管身抗浮荷载组合表

荷 载 荷载组合 自内外水重 土重 扬压力 河道洪水位61.490m， 河底护砌高程56.500m 备注 重 水重 1.管内有水，河道300年洪水 2. 管内无水，河道20年洪水 3. 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 √ √ √ 河道洪水位59.680m， 河底护砌高程56.500m 表4—8 倒虹吸管身抗浮稳定成果表

计算工况 抗浮稳定安全系数 工况1 2.078 工况2 1.533 工况3 1.806 由表4—8看出，抗浮稳定均满足要求。 ⑵ 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(Wycos??Wxsin?)/(Wysin?+Wxcos?)≥［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；

?—斜管段建基面的水平倾角，进口段?=8.418°，出口段?=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。

24

⑶ 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：4—9。

最大地基计算工况 应力 （kPa） 渠道正常输水，河道无水 单孔检修，考虑回淤 308.45 316.45 最小地基应力 （kPa） 不均匀系数η 308.45 189.18 1.0 1.67 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4—9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4—10～4—11。

表4-10 进口闸室抗滑稳定成果表

工况 抗滑安全系数 30.93 21 18.79 28.9A 13B 12地基应力 C 12D 13.9 9.69 9.48 14不均匀 1.13 1.20 1.21 1.13 1.17 1.51 基本 组合 渠道正常输水，河道无水 渠道正常输水，河道100年一遇洪水 渠道加大流量，河道300年一遇洪.9 9..32 8..32 8.69 9.48 1411 7.82 1211 7.82 12特殊 组合 水 渠道加大流量，河道无水 施工完建期，河道无水 闸门一孔检修，河道20年洪水 8 .17 8..51 7..51 7..17 8.2222 3.82 76 11.89 50 7.86 50 9.59 76 10.16 注：A、B、C、D为闸室底板的四个角点。

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表4-11 出口闸室抗滑稳定成果表

抗工况 滑安 全系数 7814121214A B C D 地基应力 不均匀 系数 渠道正常输水，河道无水 基本 组合 水 渠道正常输水，河道300年一遇洪水 特 殊 渠道加大流量，河道无水 渠道加大流量，河道100年一遇洪1.15 1.25 1.28 1.15 1.25 1.06 1.09 1.51 .01 .69 .74 .74 .69 渠道正常输水，河道100年一遇洪499.7.7.9..82 47.09 7274 9.25 1478 7.30 1278 7.30 1274 9.25 14.20 46.91 9..95 7..95 7..91 9..52 1196 1299 1399 1396 12.42 8.78 5.38 组 水 河道无水，闸门1孔挡水 合 河道20年，闸门1孔挡水 河道无水，闸门2孔挡水 .77 8..42 8..21 9..21 9.44 3.23 78 5.38 58 8.15 58 8.15 注：A、B、C、D为闸室底板的四个角点。 以上各工况均满足规范要求。 4.8.2结构计算 4.8.2.1 管身结构计算 (1)计算数据和计算原则

中易水倒虹吸交叉断面处河槽底高程最高60.000m，回填土高程56.500m。回填土料为原河床开挖砂石料。因管身斜坡段最大埋深与水平段考虑回淤后相差无几，计算断面取管身水平段。

倒虹吸管身荷载计算参数取值：覆土厚度根据运用情况按护砌高度和回淤至原地面分别进行了承载能力极限状态和正常使用极限状态计算，管顶回填土竖向压力系数按覆土厚分别计算，侧向土压力采用朗肯主动土压力计算。

倒虹吸管结构计算荷载及组合： 基本组合：

工况一：管道设计水位，河道设计水位； 工况二：管道设计水位，河道无水；

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工况三：一孔检修，一孔过水，河道枯水位； 特殊组和：

工况四：渠道加大水位，河道无水，地震； 工况五：渠道加大水位，河道校核水位； 工况六：施工完建期； （2）计算方法

洞身结构计算采用了多孔涵洞内力及配筋计算程序。 ① 多孔涵洞内力及配筋计算程序法

计算原理沿倒虹吸管道纵向取单位长度进行内力有限元分析，按平面问题处理，视为弹性地基上的框架，采用文克尔假定，并用初参数法求解。混凝土强度等级C30，钢筋Ⅱ级。

倒虹吸管身结构断面进行了2孔、3孔的计算和比选，管身结构尺寸和延米混凝土量见表4—12。

表4—12 管身结构尺寸表

孔口孔尺寸 数 (宽×高)（m） 2 3 5.1×5.1 4.3×4.3 顶板厚 （m） 1.0 0.9 底板厚 （m） 10 0.9 侧墙厚 （m） 1.0 0.9 中墩 （m） 1.0 0.9 石方 开挖 (m3/m) 79.1 53.1 投资 比较 （元/m） 22179.26 24495.15 混凝土量(m/m) 3土方 开挖 (mm) 3/42.70 46.68 448.2 628.28 从上表看出，管身采用2孔1联工程量、投资较小，因此推荐两孔5.1×5.1的方案。管身断面见图4—5，其荷载及内力设计值见图4－5～4－9。

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图4—5 推荐普通混凝土管身断面图 土荷载p1p2p2p3p3外水压p4p5p5 p6p7p6内水压p9p11p11p12p12p18p17p8p15p16p12p11图4—6 管身荷载示意图 28 表4-13 管身荷载标准值 （单位KN/m)

部位 垂直土压力 顶板 外水压力 内水压力 内水压力 水平土压力 水平动土压力 侧墙顶部 内水压力 内水压力 水平土压力 水平动土压侧墙底部 力 外水压力 内水压力 内水压力 中墙顶部 内水压力 内水压力 内水压力 内水压力 外水压力 底板 内水压力 内水压力 157.13 157.13 157.13 157.13 160.16 160.16 160.16 160.16 0 0 157.13 0 129.4 157.13 157.13 106.13 106.13 157.13 157.13 133.9 92.5 157.13 157.13 106.13 106.13 157.13 157.13 97 92.5 160.16 160.16 109.16 109.16 160.16 160.16 97 134.2 160.16 160.16 109.16 109.16 160.16 160.16 138.7 92.5 0 0 0 0 0 0 97 120.8 157.13 0 106.13 0 157.13 0 125.3 106.1 106.1 47.86 0 106.13 106.13 47.86 0 109.16 109.16 47.86 2.16 109.16 109.16 47.86 0 0 0 37.41 0 106.13 0 47.86 0 外水压力 66 64.9 106.1 106.1 22.78 0 69.4 66 28 106.13 106.13 22.78 0 32.5 66 28 109.16 109.16 22.78 1.03 32.5 66 69.7 109.16 109.16 22.78 0 74.2 33 28 0 0 12.33 0 32.5 66 56.3 106.13 0 22.78 0 60.8 荷载 工况1 工况2 工况3 工况4 工况5 工况6 2

中墙底部 29

表4-14 管身荷载设计值表（单位KN/m)

2

部位 荷载 垂直土压力 工况1 72.6 64.9 106.1 106.1 20.502 0 69.4 106.1 106.1 52.65 0 129.4 157.13 157.13 106.13 106.13 157.13 157.13 133.9 157.13 157.13 工况2 59.4 28 106.13 106.13 20.502 0 32.5 106.13 106.13 43.075 0 92.5 157.13 157.13 106.13 106.13 157.13 157.13 97 157.13 157.13 30

工况3 59.4 28 109.16 109.16 20.502 1.03 32.5 109.16 109.16 43.075 2.16 92.5 160.16 160.16 109.16 109.16 160.16 160.16 97 160.16 160.16 工况4 72.6 69.7 109.16 109.16 20.502 0 74.2 109.16 109.16 52.65 0 134.2 160.16 160.16 109.16 109.16 160.16 160.16 138.7 160.16 160.16 工况5 36.3 28 0 0 13.563 0 32.5 0 0 40.7 0 92.5 0 0 0 0 0 0 97 0 0 工况6 72.6 56.3 106.13 0 20.502 0 60.8 106.13 0 52.65 0 120.8 157.13 0 106.13 0 157.13 0 125.3 157.13 0 顶板 外水压力 内水压力 内水压力 水平土压力 水平动土压侧墙顶部 力 外水压力 内水压力 内水压力 水平土压力 水平动土压力 侧墙底部 外水压力 内水压力 内水压力 中墙顶部 内水压力 内水压力 内水压力 内水压力 外水压力 中墙底部 底板 内水压力 内水压力 31 32

33

34

35

36

表4－15 管身不同组合跨中、杆端内力标准值表（多孔涵洞内力有限元程序结果）

部位 跨顶板 中 杆端 跨侧墙 中 杆端 跨中墙 中 杆端 跨中 杆

内力 弯矩轴力剪力弯矩轴力剪力弯矩轴力剪力弯矩轴力剪力弯矩轴力剪力弯矩轴力剪力弯矩轴力剪力弯矩工况1 105.12 -23.56 4.08 -119.82 -23.56 145.89 59.85 190.37 -10.17 94.2 230.87 -31.07 0 429.5 0 0 470 0 -130.87 42.13 5.22 99.66 工况2 55.69 -135.21 27.53 88.44 -135.21 8.86 110.51 64.86 -8.25 46.04 118.86 56.52 0 210.72 0 0 251.22 0 -92.86 -67.6 -12.64 58.47 37

工况3 左 52.57 -141.96 32.02 98.31 -141.96 18.81 109.59 66.59 8.24 49.98 107.09 54.82 4.46 192.76 -6.86 17.73 233.26 -7.88 -82.44 -71.96 -9.45 47.41 -97.03 -81.26 18.76 -70.44 右 50.69 -146.8 -26.89 87.2 -146.8 -13.68 -121.47 58.23 5.14 -34.19 112.23 -72.6 工况4 107.49 -18.21 2.95 -122.04 -18.21 150.07 57.46 195.74 -11.18 96.51 236.24 -35.28 0 439.99 0 0 480.49 0 -132.69 47.39 6.08 101.64 工况5 129.31 202.47 7.9 -130.13 202.47 208.3 -119.14 310.1 4.19 155.09 364.1 -246.33 0 597.8 0 0 638.3 0 -149.12 321.72 -3.83 130.6 工况6 左 106.09 -58.56 -0.001 141.47 -58.56 -148.65 -284.3 76.25 -68.22 -108.65 211.25 27.407 -211.37 700.92 395.38 -226.93 767.53 422.23 -127.28 25.5 -6.05 -66.06 -245-629右 2183030.0-36303422158457-37319527-44底板 端 轴力剪力42.13 -182.54 -67.6 -101.93 -79.26 -89.47 -85.64 -66.27 47.39 -186.4 321.72 272.76 25.5 -171.73 4543注：表中弯矩顶板、底板下侧受拉为正，侧墙、中墙左侧受拉为正；轴力拉为正，压为负；剪力顺时针为正，逆时针为负。

38

表4－16 管身不同组合跨中、杆端内力设计值表（多孔涵洞内力有限元程序结果） 部位 顶板 跨中 内力 弯矩(KN-m) 轴力(KN) -23.23 -144.73 -151.48 -156.32 -17.88 208.71 -54.35 工况1 118.34 工况2 44.4 左 41.28 工况3 右 39.4 工况4 120.71 工况5 134.85 工况6 左 114.98 右 231.61 311.93 剪力(KN) 2.66 30.15 34.65 -29.51 1.53 8.23 0.006 -0.0024 杆端 弯矩(KN-m) 轴力(KN) -23.23 -144.73 -151.48 -156.32 -17.88 208.71 -54.35 -132.05 92.57 102.44 91.33 -134.27 -134.87 145.66 -381.05 311.93 剪力(KN) 164.27 23.37 33.31 -28.18 168.45 216.55 -164.189 441.48 侧墙 跨中 弯矩(KN-m) 轴力(KN) 207.63 46.39 48.13 39.76 213 319.67 97.63 62.25 112.9 111.8 -123.85 59.86 -122.11 -289.37 161.89 475.08 剪力(KN) -9.27 -9.04 9.64 5.94 -10.28 4.85 -64.2 -38 39

4.37 杆端 弯矩(KN-m) 轴力(KN) 248.13 100.39 88.63 93.76 253.5 373.67 232.63 99.31 39.2 43.14 -27.35 101.62 158.64 -104.95 329.41 544.56 剪力(KN) -35.62 65.41 63.71 -81.49 -39.82 -252.83 28.82 -466 中墙 跨中 弯矩(KN-m) 轴力(KN) 剪力(KN) 杆端 弯矩(KN-m) 轴力(KN) 剪力(KN) 底板 跨中 弯矩(KN-m) 轴力(KN) 49.33 -79.29 -85.1 -92.94 54.6 330.39 12.41 514.68 0 -140.74 208.95 0 -84.24 -64.09 190.99 -7.88 -88.41 525.17 0 -142.56 658.75 0 -153.27 672.83 366.28 -139.3 -289.37 452.32 剪力(KN) 6.02 -14.42 20.83 20.54 6.87 -3.97 -13.81 -65474.18 0 0 168.45 0 0 150.49 -6.86 17.73 484.67 0 0 618.25 0 0 741.98 395.617 216.87 0 0 4.46 0 0 -212.53 40

.38 杆端 弯矩(KN-m) 轴力(KN) 49.33 -79.29 -79.26 -97.32 54.6 330.39 28.82 109.4 -56.1 -46.13 -74.05 111.38 133.74 -87.94 31.095 452.32 剪力(KN) -199.16 61.52 56 -53.28 -203.02 279.74 179.95 447.51 注：表中弯矩顶板、底板下侧受拉为正，侧墙、中墙左侧受拉为正；轴力拉为正，压为负；剪力顺时针为正，逆时针为负。 41

4.9治导工程设计

中易水倒虹吸治导工程即为左右岸导流堤。 4.9.1导流堤设计

为改善行洪口门的水流流态，经工程布置，中易水倒虹吸左右岸均采用曲线型导流堤导流。筑堤材料采用管身段的弃土（以中粗砂、砾砂和砂砾为主），外边坡坡比为1：2.5。

导流堤的平面形状采用包尔达可夫线型的导流堤，整个堤型由不同半径及转角组成，由于中易水没有通航要求，导流堤型上游由90°圆弧（半径为R）和半径为0.33R的 30°圆弧组成。下游由半径为R的30°圆弧组成。

2）导流堤的主要半径R按照《公路桥位勘测设计规范》JTJ062-91中附18.14式计算： R＝α·λ·L 式中：

α─系数，查附表18.6，表中Qn1、Qn2分别为设计洪水是天然状态下，两侧渠道所阻断的较小流量和较大流量。Qn1/Qn2≈1，；取α＝0.6；

λ─系数，查附表18.5。天然状态下，流入口门流量为72.58％，取λ＝0.3968； L─口门净宽（m）。

经计算，R＝88.1m，取用R＝100m。 4.9.2导流堤顶面高程的确定

导流堤在倒虹吸轴线处的顶面高程Hmin按下式计算： Hmin＝Hp+△Z+he+∑△h+0.25 式中：

Hmin－导流堤顶面最低高程（m）； Hp－设计水位（m）； △Z－桥前壅水高度（m）； he－波浪侵袭高度（m）；

∑△h－诸因素影响水面高的总和，设计时应按实际情况取值。

经计算，100年一遇洪水情况下，Hmin为63.89m，300年一遇洪水情况下，Hmin为64.37m。综合考虑，上游导流堤顶面高程取为64.500m，下游导流堤顶面高程取为64.000m。

4.9.3导流堤的的堤顶宽和边坡确定

导流堤的的堤顶宽和边坡确定根据《公路桥涵设计手册—桥为设计》堤顶宽度及边坡： 堤身：3m 堤头：4m

42

边坡：1：2.5

4.9.4导流堤的冲刷与防护设计

尽管本工程采用了曲线型导流堤，但由于中易水倒虹吸阻断了一部分流量，洪水在归槽过程中产生一定的横向流 ，依然存在冲刷问题，须采取防护措施。

1）导流堤冲刷深度确定

导流堤冲刷深度包括河床自然演变冲刷深度和其自身的局部冲刷深度两部分。导流堤所在的河床由于历经多次洪水的冲刷，形成现在的地形，因此认为河床自然演变冲刷深度为零，在现地形上的局部冲刷深度即为导流堤头部的冲刷深度。

①局部冲刷深度计算

导流堤头部局部冲刷按照以下公式计算：

?Dt0.4V?V0hb?1.45()()hKm

hV0式中：

hb－导流堤头局部冲刷深度（m）；

Dt－上游导流堤头部端点至岸边距离在垂直水流方向上的投影长度，取95m； H－导流堤头部的冲刷前水深（m），100年一遇洪水为1.34m，300年一遇洪水为1.86m； V－导流堤头部的冲刷前垂线平均流速（m/s），100年一遇洪水为3.775m，300年一遇洪水为3.515m； V0－河床泥沙起动流速（m/s）； h0.14-710+h0.5V0=( )( )29.04d50+6.05×10d50d500.72d50－河床质平均粒径，根据钻孔资料取0.52mm； V0?－堤头泥沙始冲流速（m/s）； d500.1V′V0= 0.75( )0h Km－导流堤头部边坡对冲刷深度的折减系数，Km=2.7-0.2m； M－导流堤头部边坡系数，m=2.5。 计算得300年一遇洪水和100年一遇洪水导流堤头部局部冲刷深度为1.06m和1.53m。 ①坡脚水平防护长度 本工程除导流堤上游侧的圆弧段坡脚采用垂直防冲墙防护外，其他部位均采用水平防护措施。倒虹吸进出口斜管段上的水平护砌，兼有保护导流堤坡脚和管身的双重作用，其

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护砌长度按下式计算： hp—防护深度（m）,最大值取1.53m； m—边坡系数，取1.75； B—安全长度（m），取4.0m。 经计算得L=7.1m。 2）防护措施

中易水导流堤不同的部位流速不同，冲刷深度变化亦不一样，因此根据流速和冲刷深度的变化情况，对不同部位采取不同的防护措施。

上游导流堤头部至与口门衔接处迎水面采用0.3m厚钢筋混凝土护坡，长20m，厚2m的钢筋石笼护底。上游背水面及下游导流堤采用0.4m厚的浆砌石护坡。下游导流堤迎水面采用钢筋石笼护底，长20m，厚1m。

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