王芳佳

(江西省安澜工程咨询有限公司，江西 南昌 330001)

1 引言

倒虹吸是渠道工程穿越既有河道、建筑时常用的水工建筑物。倒虹吸修建完成后，可改变渠道水水流特性，使其按照设计方案流动，从而满足用水需求[1-3]。灌区渠道工程是灌区的重要组成部分，其流经范围广、线路长，往往需要与河道、道路等形成交叉，为了保证灌区的覆盖面积、节省工程投资，需采取倒虹吸等建筑[4-6]。结合驷马山灌区工程，对倒虹吸工程方案比选和工程设计进行分析。

2 工程概况

滁河三级干渠续建及四级站出水段工程位于肥东县境内， 建设项目包括三级干渠续建3.84 km、四级站出水段1.88 km 干渠及渠系建筑物。建筑物工程包括10 座桥梁、2座涵闸、2 个跌水及2 个倒虹吸。

3 倒虹吸方案比选

北河位于红桥水库下游，下泄水库的洪水。三级干渠开挖后，渠道横穿北河河道，为保证三级干渠正常输水和北河顺畅下泄洪水，必须在三级干渠与北河交叉处增建建筑物，协调渠道与河道的水流。

对于交叉河道，可以新建渡槽、倒虹吸涵洞和控制性水闸，均能协调河道水流，使交叉河道水流得以通过。各方案均有各自优缺点和适用条件。

三级干渠渠道与北河交叉于三级干渠桩号6+532 处，该处三级干渠设计渠底高程为27.80 m，该处北河河底现状高程为28.00 m 左右，由于渠道和河道底高程相差不大，故该交叉处不宜做渡槽。

针对白河坝处地形情况，拟定连接三级干渠倒虹吸涵洞、连接北河倒虹吸涵洞和三级干渠渠道两侧进、泄洪闸3 种方案进行比较。

方案一:连接三级干渠倒虹吸涵洞方案。该方案通过在三级干渠渠道上新建穿越北河河底的倒虹吸涵洞。根据规划条件，该处倒虹吸涵洞设计流量71.4 m3/s，涵洞洞身断面尺寸为4.0 m×4.0 m×6 孔(宽×高×孔数)，洞身顺水流方向投影长度88.0 m。根据规划参数，三级干渠续建工程范围内总水头为0.3 m，经综合比选确定，明渠利用水头为0.05 m，剩余0.25 m 作为通过白河坝倒虹吸的水头损失。为保证三级干渠堤顶交通道路畅通，增设跨北河交通桥一座，交通桥采用4跨布置，单跨长16.0 m，桥梁总长64.0 m，桥梁净宽4.5 m。

方案二:连接北河倒虹吸涵洞方案。该方案通过在北河河道上新建穿越三级干渠渠底的倒虹吸涵洞。根据规划条件，该处倒虹吸涵洞设计流量265.0 m3/s，涵洞洞身断面尺寸为5.0 m×4.5 m×8 孔(宽×高×孔数)，洞身顺水流方向投影长度72.0 m。

方案三:进、泄洪闸方案。该方案在三级干渠与北河交叉处的右侧堤防上新建白河坝进洪闸，在三级干渠与北河交叉处左侧堤防上新建白河坝泄洪闸。根据规划条件，白河坝进洪闸设计流量265.0 m3/s，水闸单孔宽度为7.0 m，共5 孔，闸室垂直水流向总宽度41.0 m，顺水流向宽度12.0 m;白河坝泄洪闸设计流量315.0 m3/s，水闸单孔宽度为7.0 m，共6 孔，闸室垂直水流向总宽度41.0 m，顺水流向宽度12.0 m。

3 种方案优缺点见表1。3 种建设方案均能解决三级干渠与北河河道交叉存在的水流问题，但均存在各自的优缺点。

表1 场地主要岩土层的计算参数值表

表1 3 种建设方案特性及优缺点对比表

综合比较上述3 种方案的利弊，同时结合三级干渠以输水为主，尽可能降低对交叉天然河道的影响和被影响，综合考虑，拟对白河坝与北河交叉处建设方案采用方案一，即新建连接三级干渠倒虹吸涵洞方案。

4 倒虹吸工程设计

白河坝倒虹吸位于三级干渠桩号6+488～6+576 处，洞身投影长度88.0 m，孔口尺寸为4.0 m×4.0 m×6 孔(b×h×孔数)。白河坝倒虹吸工程主要布置分为进口段、倒虹吸洞身段及涵洞出口段，具体布置如下:

1)进口段

为避免渗漏，倒虹吸管进口段的护坦和沉砂池均采用C25 钢筋混凝土结构，其中护坦长15.0 m，宽28.5 m～34.3 m，底板高程27.80 m，护坦两侧设置翼墙，翼墙采用C25 钢筋混凝土扶壁式结构，翼墙高度5.2 m～1.2 m。护坦前设沉砂池，沉砂池主体结构为C25 钢筋混凝土矩形槽结构，池深1.5 m，顺水流向池长15.0 m，其中水平段长9.0 m，斜坡段以1∶3 坡比与渠道底连接，垂直水流向宽度34.3 m，沉砂池底板厚0.4 m，下垫0.1 m 厚C15 素混凝土。

沉砂池主要设计参数按如下方式确定:

沉砂池长按下式计算:

式中:T沉砂池长，mm;D0管道内径;δ管壁厚度;

沉砂池宽度按下式计算:

式中:B为沉砂池宽度，m;Q为倒虹吸渠道设计流量;H为沉砂池内水深;v沉砂池内平均流速。

沉砂池长度按下式计算:

式中:L为沉砂池长度，m;h为渠道水深，m。

经计算，白河坝倒虹吸沉砂池拟采用参数为:池深为1.5 m，池长为15.0 m，池宽为34.3 m。

2)倒虹吸涵

倒虹吸涵采用现浇C25 钢筋混凝土箱涵结构，根据过流能力需求及地形情况，倒虹吸管结构及布置如下:

白河坝倒虹吸涵孔口尺寸为4.0 m×4.0 m×6 孔(b×h×孔数)，过水断面面积为96.0 m2，涵洞边墩及顶、底板厚度均为0.7 m，中墩厚度0.5 m。洞身共分成10 节，1、2、3、8、9、10 六节为紧贴两侧岸坡浅埋式，4～7 节为水平布置，水平段涵底高程21.3 m，进口斜坡段涵底高程27.80 m～21.3 m，出口斜坡段涵底高程21.3 m～27.75 m，涵洞洞身水平投影总长度为88.0 m，斜坡段单节长度8.0 m，水平段单节长度为10.0 m。

3)出口段

倒虹吸涵出口段设置C25 钢筋混凝土消力池及护底。

白河坝倒虹吸涵消力顺水流向长15.0 m，垂直水流向宽28.5 m～34.3 m，池深1.0 m，池底高程26.75 m，底板厚0.4 m。消力池后接8.0 m 长的浆砌石护底， 护砌厚度0.3 m， 下垫0.1 m 厚瓜子片垫层。

白河坝倒虹吸尺寸及特性见表2。

表2 倒虹吸特征表

根据地质报告，白河坝倒虹吸水平段洞身建基面主要位于⑤层砂卵石层，局部位于⑥1 层全风化砂岩层，对应允许承载力分别为260 kPa 和210 kPa，斜坡段洞身主要位于⑤层砂卵石层和④层砂砾石夹粘土层，对应允许承载力分别为260 kPa 和220 kPa，建筑物地基最大应力为117.5 kPa，天然地基承载力能够满足建筑物地基应力要求，但考虑到⑤层砂卵石层和④层砂砾石夹粘土层含有砂卵石和砾石，对渗流不利，同时考虑到洞身尤其是斜坡段洞身的不均匀沉降，本次设计对建基面位于④、⑤层段洞身基础采用水泥土换填。换填水泥土水泥含量8%，换填厚度1.5 m，压实度不小于0.95。

倒虹吸管输水能力按下式计算:

式中:Q为流量，m3/s;A为倒虹吸管的断面积，m2;z为上下游的水位差，m; 为流量系数;0为出口损失系数;Σ 为局部损失系数总和;为沿程摩阻损失系数;l为管长，m;D为管径，m;λ为能量损失系数，λ=8g/C2;C为谢才系数。

计算结果见表3，由表中数据可见，倒虹吸断面满足过流能力要求。

表3 倒虹吸过流能力计算表

5 结论

为了保证驷马山灌区的灌溉面积降低渠系工程的建设投资、提高过水能力。选取3 种倒虹吸方案进行比选。方案一:连接三级干渠倒虹吸涵洞方案，与其他两种方案相比具有对天然河道扰动小等优势，通过计算白河坝倒虹吸采用4.0 m×4.0 m×6 孔的型式可满足过水需求，由于区域地基土承载力较低，建议采用水泥土换填的方式进行处理。