南水北调倒虹吸设计.doc

南水北调倒虹吸设计摘要  南水北调中线工程渠倒虹吸是该调水工程中数量最多的一种河渠交叉建筑物,本文针对其流量大、水头小的特点，论述了渠倒虹吸的总体布置、建筑物选型、水力计算、构造设计等方面的问题ﻫ核心词   渠倒虹吸   管身   箱型断面   水头损失系数ﻫ1.前言ﻫ南水北调中线工程横跨江、淮、黄、海四大流域,是国内特大型调水工程其中,渠倒虹吸是该调水工程中数量最多的一种河渠交叉建筑物南水北调中线工程总干渠设计为自流输水,水头紧张,分派给每座渠倒虹吸的设计水头都很少,相应管身过水断面必然较大因此南水北调渠倒虹吸的特点是流量大、水头小、规模空前ﻫ２.渠倒虹吸的总体布置(1）轴线选择及管身长度的拟定    渠倒虹吸的轴线受南水北调中线工程总干渠轴线的制约在地形、地质条件容许的状况下,渠倒虹吸的轴线尽量与主河床正交，以减少建筑物的长度,减少投资    管身长度重要受工程建成后河道洪水、上下游河道洪水壅高状况、工程区地形、地貌、地质条件等因素的影响,长度的拟定以不对本地防洪排涝规划导致大的影响为准,并尽量减少工程量为此应进行调洪演算，拟定几组渠倒虹吸长度，通过调洪演算得到多种长度相应的上游最高壅水位值，并计算多种方案的工程量，通过方案比选和论证,选择出合适的长度。

ﻫ（2)管身布置ﻫ    斜管段坡度视地形、地质以及水平段管顶埋深等条件拟定为了以便施工和检修，一般采用1:３～１:4的坡度管身横向缝间距根据地基特性、断面尺寸、温度变幅等条件拟定，土基上现浇砼管缝间距采用１5～２０ｍ,岩基上一般采用15m    管顶埋置在河道设计洪水冲刷线如下不不不小于０.5m，当冲刷深度较大时,可合适浅埋,并对管顶进行防护对地震设计烈度7度以上者，采用埋深不不不小于2.5ｍ  (3）辅助工程设立问题    渠倒虹吸由进口段、管身段和出口段三部分构成ﻫ    由于南水北调中线工程水源为丹江口水库库水,不需考虑输水中的泥沙问题,因此建筑物进口不设沉沙池同步由于渠倒虹吸出口流速很小，也不需设消能工    为了对渠倒虹吸进行全面的研究,使工程建立在可靠的技术基本上，河南省水利勘测设计院与郑州工业大学联合进行了以淇河渠倒虹吸工程为典型的１:20的大型水工模型实验和广泛的资料分析论证实验表白，节制闸布置在下游便于调节渠倒虹吸进口水位，改善进口流态，除始流状态外任何流量均不发生进口水跃，掺气现象也不严重，对构造无不良影响因此，渠倒虹吸节制闸采用后置方式,设在出口段检修闸设在进口段。

管身进、出口底部高程采用与总干渠渠底高程相似,不再减少有关通气孔的设立问题,根据实验，实测渠倒虹吸进口曲面压强分布均为正压,无法正常通气一般设立通气孔重要用于稳压水流，避免气蚀,这些问题对于南水北调中线工程这种低水头、大流量的渠倒虹吸工程均不存在,而小流量由闸门控制运营时浮现的掺气问题可在运用控制时解决因此，南水北调中线工程渠倒虹吸无设立通气孔的必要ﻫ３.建筑物的选型ﻫ   (1)进、出口渐变段ﻫ    进、出口渐变段常用的构造型式有扭曲面式、八字形和园弧形翼墙八字形翼墙的长处是施工简朴，但不能形成良好的收缩或扩散水流，在紧靠垂直段墙体处易产生回流，影响水流的平顺过渡园弧形、扭曲面式翼墙均能发明较好的渐变收缩或扩散条件,流势较为平顺根据淇河渠倒虹吸水力学实验，直线型扭曲面式翼墙的局部水头损失较小，为减少渠倒虹吸管身的构造尺寸,进出口渐变段采用直线扭曲面较为合适ﻫ   (2)检修闸、节制闸    检修闸设在进口前，其作用是为了检修、清淤和临时停水;节制闸设在出口处由于两闸都与管身直接相连，为较好地适应明渠与管身之间的过渡，采用两闸底板高程与总干渠渠底齐平闸室均采用开敞式平底构造型式    闸门常用的型式有弧形钢闸门和平板钢闸门。

弧型钢闸门可以承受较高的水头，所需启闭力较小,但因其支臂较长，且其启闭轨道为曲线，需增长闸室段顺水流方向的长度，闸墩高度和厚度也要相应增长平面闸门的启闭轨道为垂直上下，闸室段长度只需满足构造布置和稳定规定即可根据淇河渠倒虹吸的计算，出口节制闸采用弧形闸门比采用平板闸门投资大３0％左右对于低水头、大流量的南水北调中线工程渠倒虹吸,采用平板钢闸门可以满足实际运用的规定,且可节省投资因此检修闸和节制闸均采用平板钢闸门3)管身    渠倒虹吸吸管身常用的断面型式有:圆形、箱形和直墙正反拱形等圆形管道与同样过水面积的箱形、拱形管道相比，其湿周小，水流摩阻力小,水流条件好，过水能力大，但其施工较为复杂,模板制作安装的难度大，施工周期长,钢筋的绑扎及混凝土浇筑也有一定难度,管道顶部砼施工质量难量以保证,易导致顶部产生非均匀收缩，使管道浮现裂缝箱形断面构造形式简朴,在低水头、大流量的渠倒虹吸设计中应用较为广泛,并且施工以便,施工质量可以保证,利于检修、清淤直墙正反拱形管道的顶拱与底拱在施工中与圆形管道存在同样的问题，并且对温度变化及不均匀沉陷非常敏感综合分析,拟定选用多孔加腋的箱形断面管身，一般采用2孔或3孔为一联。

ﻫ４.水力设计问题ﻫ    水力设计是渠倒虹吸设计的基本，也是渠倒虹吸设计与否经济合理的核心为了对渠倒虹吸的水力学问题进行研究,对水力设计的计算公式、多种设计参数进行论证，河南省水利勘测设计院与郑州工业大学进行了淇河渠倒虹吸水力学模型实验研究为了实验成果精确可靠,采用整体正态模型比尺为1:20,并严格做到边界几何相似及模型糙率相似，上、下游渠道及渐变段内共设２６个测压管，渠倒虹吸管身共设5４个测压管,监测各断面上各流量级时测压管水头变化,从而推算各部分水头损失系数ﻫ    合理选择各项水头损失系数，是水力设计精确的核心各局部水头损失系数是在实验的基本上选用的,进、出口渐变段局部水头损失系数分别取０．1２和0.25,管身段进出口弯道水头损失系数取0.1,闸门槽水头损失系数取0.05ﻫ渠倒虹吸水力计算公式为:总水位落差为:     ﻫ    进口渐变段水面降落值 为:         ﻫ    进口闸墩引起的水面降落值 为：             进口渐变段末端至管出口水面降落值 为:       x槽 出口水面回升值 :ﻫ                     式中: 、 ¾分别为上游渠道末和下游渠道始的水位(m）；ﻫ         、 ¾分别为进口渐变段末和管道出口的水位(m）;ﻫ        Ｖ1、V２、V、Ｖ３、Ｖ4¾分别为上游渠道、进口渐变段末端、管身、管身出口、下游渠道各断面平均流速(ｍ/s)；ﻫ      w1、w2、w、w3、w4¾分别为上述流速相应的断面面积(ｍ2);      x1、x2¾进出口渐变段的局部水头损失系数，分别取0．12和０.25。

ﻫ       、 ¾进出口渐变段平均水力坡度；      L1、L2¾进出口渐变段长度(m）;      xi¾管内局部水头损失系数,进口取０.1；出口局部水头损失系数按 计算；ﻫ 槽¾闸槽水头损失系数,取为0.05；      Cｉ、Ri、Li¾分别为管身计算段水流的谢才系数、水力半径和管长；      Ｖ¢¾闸槽断面平均流速，ﻫ      V0¾进口闸闸上流速（m/ｓ)；      K¾闸墩水头形状系数，对半圆形可取0.９;      a¾闸墩总厚度与闸室总宽度之比，称为束窄比;      w¾束窄断面的流速水头与水深之比ﻫ通过水力计算，拟定给定水头差的渠倒虹吸横断面尺寸和孔数ﻫ5.构造设计问题ﻫ    为了分析特大型倒虹的构造受力状态,河南省水利勘测设计院与郑州工业大学联合进行了以淇河渠倒虹吸为典型的构造实验研究，按1:50的比例进行电测模型实验,按1:100的比例进行光弹模型实验,联合开发了《智能化倒虹吸框架构造分析专用程序》,对淇河渠倒虹吸进行了二维有限元和三维有限元的计算多种措施的计算成果与实验成果互相印证，觉得在初步设计阶段采用《智能化倒虹吸框架构造分析专用程序》可满足构造的计算精度。

该程序模型为取倒虹吸管横剖面,沿倒虹轴线取单位长作为搁置在地基上的静力平衡框架,地基反力假定按直线分布，地基摩擦力沿渠倒虹吸吸底面均匀分布程序采用构造力学措施对构件进行计算倒虹的受力状况如图示:ﻫ    通过程序对渠倒虹吸构造进行优化设计，使得在安全的前提下工程量最省。