南水北調(diào)中線河（渠）渠交叉工程主要類型及渡槽類總體布置原則

陳衛(wèi)國

（河北省水利水電勘測設(shè)計研究院，天津 300250）

1 南水北調(diào)中線工程概況

南水北調(diào)中線工程是一項跨流域、跨省市的特大型水利工程，是優(yōu)化我國水資源配置、關(guān)系實現(xiàn)全面建設(shè)小康社會宏偉目標的重大基礎(chǔ)性戰(zhàn)略工程，對國民經(jīng)濟全局和中華民族的長遠發(fā)展具有重大而深遠的意義。南水北調(diào)中線工程南起湖北省丹江口水庫、北至北京市頤和園的團城湖，輸水總干渠全長1275km，其中河北省渠段由冀豫交界處的漳河北始至冀京邊界處的北拒馬河中支南止，全長464.037km。南水北調(diào)中線一期工程年均調(diào)水規(guī)模為95億m3。該工程不僅有效緩解京津和華北地區(qū)的缺水狀況，而且改善了區(qū)域生態(tài)環(huán)境，支撐受水區(qū)國民經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展，惠及子孫后代。

2 渠道建筑物主要類型

為保障總干渠安全輸水，防止水質(zhì)污染，提高供水保證率，便于運行管理，總干渠與沿途河流、灌渠、鐵路、公路的交叉工程全部采用立交布置。因此，渠道需布置和采用的建筑物包括：控制工程、河渠交叉大型工程、隧洞工程、左岸排水工程、渠渠交叉工程、公路交叉工程和鐵路交叉工程7種類型。

2.1 控制工程

控制工程是指控制渠道運行的建筑物，包括節(jié)制閘、退水閘和分水口門。

2.2 河渠交叉工程

交叉斷面以上流域面積大于等于20km2的天然河道與總干渠的交叉建筑物為河渠交叉大型工程（簡稱河渠交叉工程）。

河渠交叉建筑物型式分為：梁式渡槽、涵洞式渡槽、渠道倒虹吸、渠道暗渠、排洪涵洞、排洪渡槽、河道倒虹吸7種。前4種為渠穿河型式，需消耗總干渠水頭；后3種為河穿渠型式，不消耗總干渠水頭。

2.3 隧洞工程

總干渠經(jīng)過山體時，經(jīng)繞山和穿山線路方案比選后，采用穿山方案時，均采用隧洞工程。

2.4 跨（穿）渠排水工程（左岸排水工程）

交叉斷面以上流域面積小于20km2的天然河道及無天然河溝的坡水區(qū)，與總干渠的交叉建筑物其規(guī)模一般偏小，為河渠交叉小型工程，因此一般按照跨渠排水建筑物設(shè)計。

穿南水北調(diào)總干渠的河流一般由總干渠的左側(cè)流向右側(cè)，故跨渠建筑物亦稱左岸排水建筑物。左岸排水工程分為排水渡槽、排水涵洞和排水倒虹吸，也有極少個別地段為右岸排水建筑物。

左岸排水建筑物的型式根據(jù)河溝底高程、洪水位與總干渠底高程和渠水位的關(guān)系，共分4類：排洪槽類、河道倒虹吸類、排洪涵洞類、入渠類。

2.5 渠渠交叉工程

總干渠與灌溉渠道的交叉建筑物為渠渠交叉工程。

渠渠交叉工程分為灌渠渡槽、灌渠涵洞（管）和灌渠倒虹吸。中線總干渠與石津灌區(qū)總干渠、沙河灌區(qū)總干渠的交叉工程規(guī)模較大，歸入河渠交叉工程內(nèi)，前者稱為石津渠暗渠，后者并入孟良河渠道倒虹吸工程。

2.6 公路交叉工程

總干渠與公路的交叉建筑物稱為公路交叉工程。

2.7 鐵路交叉工程

總干渠與鐵路的交叉建筑物稱為鐵路交叉工程。

本渠段共布設(shè)總干渠交叉建筑物334座，其中：控制建筑物37座，河渠交叉建筑物23座，隧洞7座，左岸排水建筑物105座，渠渠交叉建筑物29座，公路交叉建筑物131座，鐵路交叉建筑物2座。

本文主要介紹河渠交叉工程、跨渠排水工程和渠渠交叉工程3類水利工程的具體分類原則和使用條件，并且重點論述渡槽工程的具體總體設(shè)計原則。

3 河（渠）渠交叉建筑物主要類型及適用條件

3.1 渠穿河交叉建筑物主要類型

當河道100a一遇洪峰流量較大時，可采用大型渠穿河交叉方式，即采用渠道建筑物型式來穿越，并按以下條件選擇建筑物型式：

（1）梁式渡槽

總干渠渠道設(shè)計水位高于河道設(shè)計洪水位，且渡槽梁底高程高于河道校核洪水位0.5m以上。

（2）涵洞式渡槽

總干渠渠道設(shè)計水位雖高于河道設(shè)計洪水位，但凈空不能滿足河道明流泄洪要求；槽身部分擋水，擋水高度應(yīng)滿足上游淹沒限制和建筑物本身安全條件。

（3）渠道暗渠

河道底高程高于渠道設(shè)計水位，渠水可呈無壓流狀態(tài)從河底以下穿過，且通過加大流量時的凈空不小于0.5m。

（4）渠道倒虹吸

當河渠相互水位關(guān)系及建筑物布置條件不適于上述3種型式時采用。

結(jié)合每一座河渠交叉建筑物的地形、水位條件，進行了不同穿越方式的比較，經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟合理性分析論證?？偢汕膊贾煤忧徊娼ㄖ?3座。其中梁式渡槽3座、渠道倒虹吸16座、暗渠2座、排洪涵洞2座。

3.2 河穿渠交叉排水建筑物主要類型

當河道100a一遇洪峰流量較小時，可采用河穿渠交叉方式，即采用修建河道建筑物來穿越交叉。具體型式主要是根據(jù)河溝的底部高程、洪水位與總干渠的底部高程、渠水位的相互關(guān)系，在河道倒虹吸、排洪涵洞和排洪槽（跨渠渡槽）3種型式中選擇：

（1）排洪渡槽：河道底高程高于總干渠渠道加大水位以上0.5m者，擬定為上排水，即排水渡槽（也稱排洪渡槽）；

（2）排洪涵洞：當河溝底部高程較低，河道校核洪水位位于總干渠渠底高程0.5m以下者可建排洪涵洞；

（3）排洪倒虹吸：當河溝底部高程在總干渠渠底附近或位于總干渠渠底與加大水位之間時，可建排洪倒虹吸（也稱河道倒虹吸）。

總干渠左岸排水建筑物 （包括右岸排水的白蓮峪排水倒虹吸）共105座，其中排水渡槽22座，排水涵洞18座，排水倒虹吸65座。

3.3 渠渠交叉建筑物主要類型

總干渠與原有灌溉渠道交叉時，需要修建渠渠交叉建筑物來穿越總干渠。穿越型式均采用灌溉渠道穿總干渠的交叉型式，以節(jié)約總干渠寶貴的水頭。

對于灌溉渠道設(shè)計流量大于0.8m3/s者，單獨布設(shè)渠渠交叉建筑物；小于0.8m3/s者，可多條渠道合并后，選擇合適位置布設(shè)渠渠交叉建筑物。

渠渠交叉建筑物長度根據(jù)總干渠上開口寬度確定。

結(jié)構(gòu)型式分為灌渠渡槽、灌渠涵洞和灌渠倒虹吸3種。主要依據(jù)灌溉渠道設(shè)計水位、渠底高程和總干渠設(shè)計水位、渠底高程之間的關(guān)系確定。

（1）灌渠渡槽：當灌溉渠道底高程高于總干渠加大水位且兩者之間的凈距滿足總干渠過流要求時，交叉型式采用渡槽；

（2）灌渠涵洞：當灌溉渠道設(shè)計水位低于總干渠渠底高程且兩者之間的凈距滿足凈空要求時，交叉型式采用涵洞；

（3）灌渠倒虹吸：當不滿足前面兩條件時，則采用倒虹吸。

總干渠調(diào)整后共設(shè)有渠渠交叉建筑物29座。其中灌渠渡槽16座、灌渠涵洞2座、灌渠倒虹吸11座。

4 總干渠渡槽、排水渡槽、灌渠渡槽的總體設(shè)計布置原則

4.1 總干渠渡槽工程

4.1.1 總體布置原則

為提高運行的可靠性，同時考慮檢修方便，槽身宜選擇多槽方案。根據(jù)流量要求和槽身受力合理性，一般以雙槽一聯(lián)或者三槽一聯(lián)。

4.1.2 選址

渡槽中心線及槽身起止點位置一般由渠道總體設(shè)計中確定。

（1）新槽址在地質(zhì)條件、地形條件方面具有明顯優(yōu)勢；在滿足河道行洪條件及渡槽使用條件情況下，槽身長度較短。

（2）新槽址河床穩(wěn)定、水流順直，且軸線與水流方向正交。

（3）渡槽與上、下游渠道的連接，在平面上應(yīng)成直線。

4.1.3 建筑物長度確定

（1）渡槽長度和跨度的確定應(yīng)在不對河流防洪排澇造成大影響的前提下，盡量減少工程量。

（2）須進行不同槽長的方案進行調(diào)洪演算，求出各有關(guān)頻率洪水對應(yīng)的河道最高洪水位，通過對當?shù)胤篮榕艥车挠绊懞凸こ掏顿Y對比分析論證后確定渡槽長度和跨度。一般渡槽上游20a一遇洪水最高水位壅高值宜控制在0.3m以內(nèi)。

（3）渡槽中墩和邊墩臨水側(cè)應(yīng)以有利于河道行洪為布置原則，邊墩要滿足渡槽承重及擋土要求。

4.1.4 進出口建筑物的結(jié)構(gòu)型式和布置

進出口建筑物包括進出口漸變段、槽跨結(jié)構(gòu)與兩岸渠道的連接建筑物（槽臺、擋土墻等）、檢修閘，有的還需設(shè)置節(jié)制閘、退水閘、交通橋等。

4.1.5 進出口漸變段及連接段

漸變段使水流在渠道與渡槽之間實現(xiàn)平順過渡。漸變段與槽身相連的一端，近于直立，宜采用鋼筋混凝土擋土墻。

漸變段與槽身段之間可根據(jù)需要設(shè)連接段，以布置交通橋、節(jié)制閘、檢修閘。連接段過水斷面尺寸同渡槽槽身，因渡槽中墻與閘室段中墩厚度不同，其中墻和側(cè)墻厚度采用漸變型式，長度應(yīng)根據(jù)具體情況布置，一般取20～30m。

節(jié)制閘與退水閘應(yīng)根據(jù)《總體設(shè)計》設(shè)置，如果總體設(shè)計中該渡槽無節(jié)制閘，可考慮留檢修門槽和中閘墩。一般來說，節(jié)制閘、檢修閘宜設(shè)在連接段，退水閘宜布置在進口漸變段之前。

連接段還應(yīng)布置檢修門庫。在有凍脹的地區(qū)，漸變段、連接段側(cè)墻后應(yīng)換填非凍脹類土。

4.1.6 槽跨結(jié)構(gòu)與兩岸渠道的連接方式

（1）漸變段頂高程：由于總干渠渠堤低于渡槽側(cè)墻頂高程，漸變段頂高程應(yīng)在二者之間實現(xiàn)平順過渡，但縱坡應(yīng)不陡于交通要求；

（2）槽身與進出口閘室的連接型式：其連接形式主要決定于河道行洪斷面對邊坡的要求。若因修建渡槽影響河道行洪時，一般采用直立擋墻式連接；否則為減小工程量采用斜坡式，但要注意避免斜坡回填土對槽身側(cè)墻受力的影響。

若斜坡式連接段為回填段，或者為軟弱地基，應(yīng)盡量控制好填方渠道的沉陷，做好防滲漏處理。有承載力要求的填土宜采用碎石土填筑，分層夯實，上部做好防滲和止水。填方渠道末端的錐體土坡不宜過陡，并進行砌石護坡，坡腳設(shè)排水溝以導滲和排水。

直立擋土墻式連接，一般擋墻高度較高，應(yīng)采用換填法基礎(chǔ)處理，以滿足承載力和沉陷量要求，避免因沉陷造成撕破槽身止水。

4.1.7 槽身段的結(jié)構(gòu)布置

槽跨段結(jié)構(gòu)布置是渡槽設(shè)計的關(guān)鍵，主要包括選定槽跨段各組成部分（槽身、支承、基礎(chǔ)等）的結(jié)構(gòu)型式、材料和跨度，擬定各組成部分的尺寸和高程。

（1）槽身段尾部宜設(shè)置集水井，以利檢修時排水。

（2）結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)通過多方案比較和結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，經(jīng)過充分論證、優(yōu)化才能最終確定。優(yōu)化原則為在安全可靠、方便施工的前提下盡可能經(jīng)濟、美觀。應(yīng)進行不同跨度、不同結(jié)構(gòu)形式的方案比較。

（3）渡槽的下部結(jié)構(gòu)一般采用重力墩或排架與樁基礎(chǔ)或排架與剛性基礎(chǔ)組合在一起的型式。

（4）重力墩墩身截面形狀有多種型式，在選用時主要考慮水流特性，盡量減少墩旁河床的局部沖刷和水流壓力并使水流順暢通過槽孔，常用的截面形式有圓端型槽墩，即墩身截面為矩型，兩端各加一個半圓。

（5）樁群的布置可采用對稱型、梅花型或環(huán)型，樁和樁基的構(gòu)造。

4.2 排水渡槽

4.2.1 排水渡槽類總體布置原則

（1）建筑物軸線應(yīng)盡量與渠道軸線垂直，必要時可對河溝進行控導處理。在特殊情況下，建筑物軸線也可不與渠道軸線垂直，但排洪槽的墩的走向應(yīng)與渠道軸線一致。

（2）建筑物進口不設(shè)攔污柵、工作閘門、檢修門，原則上不設(shè)沉沙池，必要時，排洪涵洞與倒虹吸進口可設(shè)攔大型漂浮物的排架。

（3）進出口一般可用圓弧翼墻、八字墻（統(tǒng)稱導墻）等與總干渠堤坡防護層連接，長度不宜太大；墻頂高程可根據(jù)總干渠外坡情況漸降，進出口一般不使用扭曲漸變段。

（4）當建筑物出口底高程高于下游河底時，可采用斜坡海漫向下游河床過渡，一般不采用跌水。

（5）出口發(fā)生急流或以陡槽過渡到下游河床時，應(yīng)設(shè)消力池。

（6）排洪槽類和涵洞類排水建筑物有可能與跨渠交通通道結(jié)合，兼有交通功能的排水建筑物布置還應(yīng)滿足相應(yīng)規(guī)范的規(guī)定。

（7）建筑物過水斷面的確定應(yīng)以常遇洪水（一般10a一遇，影響大的居民點按20a一遇）下不惡化當?shù)胤篮?、除澇條件（一般壅高水位值控制在0.3m以內(nèi)。經(jīng)論證，在不造成危害或損失的情況下，壅高水位值還可考慮加大）為主要原則。同時，還要顧及發(fā)生設(shè)計洪水、校核洪水時的情況。

（8）相鄰河溝分水嶺不高時，可能發(fā)生串流現(xiàn)象，此時，要進行有關(guān)河溝的統(tǒng)一調(diào)洪計算。

4.2.2 排水渡槽縱向布置原則

（1）排洪槽的水力設(shè)計確定過水斷面，進出口段的設(shè)計按八字墻或圓弧翼墻考慮。

（2）縱梁底高程至渠道加大水位的凈空一般不小于0.5m，在有流冰的渠段，縱梁底應(yīng)高于加大水位以上0.75m。

（3）總干渠一級馬道為管理維護交通通道，若交通通道在排洪槽下通過時，梁底應(yīng)高于路面4m。若不滿足凈空要求時，應(yīng)為交通通道另設(shè)跨槽公路橋并確定與一級馬道連通的方式。

（4）條件允許時，排洪槽宜適當增大縱向比降，以減小工程量。

（5）排洪槽的跨度要作技術(shù)經(jīng)濟比較，宜采用較大的跨度。

（6）渠底寬范圍內(nèi)要盡量不設(shè)或少設(shè)槽墩。處于渠道水流中的槽墩應(yīng)盡可能減小厚度，并采用流線型墩頭。

（7）邊墩應(yīng)置于一級馬道外側(cè)；一級馬道路面寬度內(nèi)不布置槽墩。

4.2.3 排水渡槽橫向布置原則

（1）橫向尺寸的確定應(yīng)以調(diào)洪計算的結(jié)果為依據(jù)，并對槽寬、槽深作方案比較。

（2）在通過200a一遇洪水時，槽身不發(fā)生漫溢。

（3）槽身一般按單線、單槽設(shè)計。個別水流條件限制，河道為寬淺型式，并考慮槽身受力條件，也可以布置雙槽或三槽。

（4）槽身橫向設(shè)拉桿時，拉桿底應(yīng)高于加大水位。必要時可考慮溢流措施，以防止運行時滿槽水情況。

4.3 灌渠渡槽

4.3.1 灌渠渡槽總體布置原則

（1）確定建筑物斷面尺寸時，應(yīng)盡量減少對原灌渠水面線銜接的影響。

（2）對渠渠交叉渡槽，建筑物軸線宜與總干渠軸線垂直，槽墩的走向應(yīng)與總干渠軸線一致。對于渠渠交叉倒虹吸 (涵洞)，建筑物軸線宜與總干渠軸線垂直，兩端與原灌渠連接關(guān)系及聯(lián)接工程量進行方案比較。

（3）建筑物進口不設(shè)工作閘門、檢修門、攔污柵、沉沙池。

（4）進出口設(shè)置在總干渠堤坡腳外0.5m，一般可用圓弧翼墻、八字墻等型式。

（5）出口發(fā)生急流或以陡槽過渡到下游渠道時，應(yīng)設(shè)消力池。

（6）建筑物過水斷面的確定應(yīng)在滿足灌渠設(shè)計流量的前提下，以不對灌渠水面銜接產(chǎn)生過大影響為原則，選擇經(jīng)濟合理的斷面。

4.3.2 灌渠渡槽縱向布置

（1）灌渠渡槽一般按梁式渡槽布置，進出口段一般采用八字墻或圓弧翼墻。

（2）縱梁底高程應(yīng)不低于一級馬道或渠頂高程。

（3）總干渠一級馬道為管理維護交通通道，若交通通道在渠渠交叉渡槽下通過時，梁底應(yīng)高于路面4.5m。當無法滿足時，應(yīng)設(shè)跨槽公路橋或其它與一級馬道的連接通道。

（4）灌渠渡槽的跨度應(yīng)作技術(shù)經(jīng)濟比較，宜采用較大的跨度，并考慮橫向穩(wěn)定的要求。

（5）總干渠渠底寬范圍和一級馬道寬度范圍內(nèi)不設(shè)槽墩。處于渠道水流中的槽墩應(yīng)盡可能減小厚度，并采用流線型墩頭。槽墩阻水面積不超過總干渠過水斷面面積的5%。

4.3.3 灌渠渡槽橫向布置

（1）渡槽槽身橫斷面宜采用矩型或U型。滿槽時槽內(nèi)水深與水面寬度的比值矩型斷面可取用0.6～0.8；U型斷面可取用0.7～0.9。槽身過水斷面的平均流速宜控制為1～2m/s(當灌渠下游護砌良好的，流速可增大)。

（2）矩型斷面渡槽槽身側(cè)墻高度可取槽內(nèi)設(shè)計水深的13/12加0.05m或槽內(nèi)加大水深加0.1m中的大值；U型斷面渡槽可取槽身直徑的11/10或槽內(nèi)加大水深加0.1m中的大值。

（3）槽身橫向設(shè)拉桿時，拉桿底不應(yīng)低于滿足計算超高要求的側(cè)墻高。

5 結(jié)語

通過對南水北調(diào)中線大型跨流域調(diào)水工程進行設(shè)計實踐，總結(jié)了渠道建筑物設(shè)計要考慮的具體工程技術(shù)，從而深入研究了各類河渠交叉建筑物的使用條件。并且對渡槽工程的功能進行了詳細分類論證，對不同作用的渡槽設(shè)計原則進行了綜合性總結(jié)和論述，對我國渠道建筑物工程設(shè)計的發(fā)展和完善起到有利的推動作用。

［1］趙文華.渡槽［M］.北京：水利電力出版社，1989.

［2］朱和.渡槽的形式與抗震性能分析［J］.海河科技，1984，（1）.

［3］張際周.引灤橫河渡槽結(jié)構(gòu)型式選擇及槽身結(jié)構(gòu)計算方法［J］.海河科技，1989，（3）.