1.前言

　　南水北調中線(xiàn)工程橫跨江、淮、黃、海四大流域，是我國特大型調水工程。其中，渠倒虹是該調水工程中數量最多的一種河渠交叉建筑物。南水北調中線(xiàn)工程總干渠設計為自流輸水，水頭緊張，分配給每座渠倒虹的設計水頭都很少，因此在大流量、小水頭的設計條件下，渠倒虹過(guò)水斷面必然較大。所以南水北調渠倒虹的特點(diǎn)是流量大、水頭小、規�？涨�。

　　2.渠倒虹的總體布置

　�。�1）軸線(xiàn)選擇及管身長(cháng)度的確定

　　渠倒虹的軸線(xiàn)受南水北調中線(xiàn)工程總干渠軸線(xiàn)的制約。在地形、地質(zhì)條件允許的情況下，渠倒虹的軸線(xiàn)盡可能與主河床正交，以減少建筑物的長(cháng)度，降低投資。

　　管身長(cháng)度主要受工程建成后河道洪水、上下游河道洪水壅高情況、工程區地形、地貌、地質(zhì)條件等因素的影響，長(cháng)度的確定以不對當地防洪排澇規劃造成大的影響為準，并盡量減少工程量。為此應進(jìn)行調洪演算，擬定幾組渠倒虹長(cháng)度，通過(guò)調洪演算得到各種長(cháng)度對應的上游最高壅水位值，并計算各種方案的工程量，通過(guò)方案比選和論證，選擇出適宜的長(cháng)度。

　�。�2）管身布置

　　斜管段坡度視地形、地質(zhì)以及水平段管頂埋深等條件確定。為了方便施工和檢修，一般采用1：3～1：4的坡度。管身橫向縫間距根據地基特性、斷面尺寸、溫度變幅等條件確定，土基上現澆砼管縫間距采用15～20m，巖基上一般采用15m.

　　管頂埋置在河道設計洪水沖刷線(xiàn)以下不小于0.5m，當沖刷深度較大時(shí)，可適當淺埋，并對管身進(jìn)行防護。對地震設計烈度7度以上者，采用埋深不小于2.5m.

　�。�3）輔助工程設置問(wèn)題

　　渠倒虹由進(jìn)口段、管身段和出口段三部分組成。

　　由于南水北調中線(xiàn)工程水源為丹江口水庫庫水，不需考慮輸水中的泥沙問(wèn)題，因此建筑物進(jìn)口不設沉沙池。同時(shí)由于渠倒虹出口流速很小，也不需設消能工。

　　為了對渠倒虹進(jìn)行全面的研究，使工程建立在可靠的技術(shù)基礎上，河南省水利設計院與鄭州工業(yè)大學(xué)聯(lián)合進(jìn)行了以淇河渠倒虹工程為典型的1：20的大型水工模型試驗和廣泛的資料分析論證。試驗表明，節制閘布置在下游便于調節渠倒虹進(jìn)口水位，改善進(jìn)口流態(tài)，除始流狀態(tài)外任何流量均不發(fā)生進(jìn)口水躍，摻氣現象也不嚴重，對結構無(wú)不良影響。因此，渠倒虹節制閘采用后置方式，設在出口段。檢修閘設在進(jìn)口段。管身進(jìn)、出口底部高程采用與總干渠渠底高程相同，不再降低。

　　關(guān)于通氣孔的設置問(wèn)題，根據試驗，實(shí)測渠倒虹進(jìn)口曲面壓強分布均為正壓，無(wú)法正常通氣。一般設置通氣孔主要用于穩壓水流，防止氣蝕，這些問(wèn)題對于南水北調中線(xiàn)工程這種低水頭、大流量的渠倒虹工程均不存在，而小流量由閘門(mén)控制運行時(shí)出現的摻氣問(wèn)題可在運用控制時(shí)解決。所以，南水北調渠倒虹無(wú)設置通氣孔的必要。

　　3.建筑物的選型

　�。�1）進(jìn)、出口漸變段

　　進(jìn)、出口漸變段常用的結構型式有扭曲面式、八字形和園弧形翼墻。八字形翼墻的優(yōu)點(diǎn)是施工簡(jiǎn)單，但不能形成良好的收縮或擴散水流，在緊靠垂直段墻體處易產(chǎn)生回流，影響水流的平順過(guò)渡。園弧形、扭曲面式翼墻均能創(chuàng )造較好的漸變收縮或擴散條件，流勢較為平順。根據淇河渠倒虹水力學(xué)實(shí)驗，直線(xiàn)型扭曲面式翼墻的局部水頭損失較小，為減少渠倒虹管身的結構尺寸，進(jìn)出口漸變段采用直線(xiàn)扭曲面較為適宜。

　�。�2）檢修閘、節制閘

　　檢修閘設在進(jìn)口前，其作用是為了檢修、清淤和臨時(shí)停水；節制閘位于出口處。由于兩閘都與管身直接相連，為較好地適應明渠與管身之間的過(guò)渡，采用兩閘底板高程與總干渠渠底齊平。閘室均采用開(kāi)敞式平底結構型式。

　　閘門(mén)常用的型式有弧形鋼閘門(mén)和平板鋼閘門(mén)�；⌒弯撻l門(mén)可以承受較高的水頭，所需啟閉力較小，但因其支臂較長(cháng)，且其啟閉軌道為曲線(xiàn)，需增加閘室段順水流方向的長(cháng)度，閘墩高度和厚度也要相應增加。平面閘門(mén)的啟閉軌道為垂直上下，閘室段長(cháng)度只需滿(mǎn)足結構布置和穩定要求即可。根據淇河渠倒虹的計算，出口節制閘采用弧形閘門(mén)比采用平板閘門(mén)投資大34％。對于低水頭、大流量的南水北調渠倒虹，采用平板鋼閘門(mén)能夠滿(mǎn)足實(shí)際運用的要求，且可節約投資。所以檢修閘和節制閘均采用平板鋼閘門(mén)。

　�。�3）管身

　　渠倒虹吸管身常用的斷面型式有：圓形、箱形和直墻正反拱形等。圓形管道與同樣過(guò)水面積的箱形、拱形管道相比，其濕周小，水流摩阻力小，水流條件好，過(guò)水能力大，但其施工較為復雜，模板制作安裝的難度大，施工周期長(cháng)，鋼筋的綁扎及混凝土澆筑也有一定難度，管道頂部砼施工質(zhì)量難量以保證，易導致頂部產(chǎn)生非均勻收縮，使管道出現裂縫。箱形斷面結構形式簡(jiǎn)單，在低水頭、大流量的渠倒虹設計中應用較為廣泛，而且施工方便，施工質(zhì)量能夠保證，利于檢修、清淤。直墻正反拱形管道的頂拱與底拱在施工中與圓形管道存在同樣的問(wèn)題，而且對溫度變化及不均勻沉陷非常敏感。綜合分析，確定選用多孔箱形斷面管身，一般采用2孔或3孔為一聯(lián)。

　　4.水力設計問(wèn)題

　　水力設計是渠倒虹設計的基礎，也是渠倒虹設計是否經(jīng)濟合理的關(guān)鍵。為了對渠倒虹的水力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行研究，對水力設計的計算公式、各種設計參數進(jìn)行論證，河南院與鄭州工業(yè)大學(xué)進(jìn)行了淇河渠倒虹水力學(xué)模型試驗研究。為了試驗成果準確可靠，整體正態(tài)模型比尺為1：20，并嚴格做到邊界幾何相似及模型糙率相似，上、下游渠道及漸變段內共設26個(gè)測壓管，渠倒虹管身共設54個(gè)測壓管，監測各斷面上各流量級時(shí)測壓管水頭變化，從而推算各部分水頭損失系數。

　　合理選擇各項水頭損失系數，是水力設計準確的關(guān)鍵。各局部水頭損失系數是在試驗的基礎上選取的，進(jìn)、出口漸變段局部水頭損失系數分別取0.12和0.25，管身段進(jìn)出口彎道水頭損失系數取0.1，閘門(mén)槽水頭損失系數取0.05.

　　5.結構設計問(wèn)題

　　為了分析特大型倒虹的結構受力狀態(tài)，我院與鄭州工業(yè)大學(xué)聯(lián)合進(jìn)行了以淇河渠倒虹為典型的結構試驗研究，按1：50比例進(jìn)行電測模型試驗，按1：100比例進(jìn)行光彈模型試驗，聯(lián)合開(kāi)發(fā)了《智能化倒虹吸框架結構分析專(zhuān)用程序》，對淇河渠倒虹進(jìn)行了二維有限元和三維有限元的計算。各種方法的計算結果與試驗成果相互印證，認為在初步設計階段采用《智能化倒虹吸框架結構分析專(zhuān)用程序》滿(mǎn)足結構的計算精度。該程序模型為取倒虹吸管橫剖面，沿倒虹軸線(xiàn)取單位長(cháng)作為擱置在地基上的靜力平衡框架，地基反力假定按直線(xiàn)分布，地基摩擦力沿渠倒虹吸底面均勻分布。程序采用結構力學(xué)方法對構件進(jìn)行計算。

　　通過(guò)程序對渠倒虹結構進(jìn)行優(yōu)化設計，使得在安全的前提下工程量最省。

　　6.結語(yǔ)及今后工作意見(jiàn)

　　淇河渠倒虹設計作為典型渠倒虹設計在長(cháng)江委舉行的研討會(huì )交流，得到與會(huì )同志的好評；淇河渠倒虹水力學(xué)模型試驗研究獲得河南省科技進(jìn)步二等獎，許多項試驗內容填補了大型渠倒虹試驗的空白；潁河渠倒虹典型設計在專(zhuān)家論證會(huì )也得到廣泛的好評。河南院承擔的南水北調渠倒虹共37座，通過(guò)對渠倒虹的優(yōu)化設計，能夠使一等工程做到一流設計，合理投資。

　　在初步設計階段，對渠倒虹的設計方法進(jìn)行大量的調研工作，作了多項模型試驗，一些重大技術(shù)問(wèn)題已基本解決，但有些問(wèn)題仍需進(jìn)一步的研究和探討。

　�。�1）河道沖刷計算：經(jīng)過(guò)計算發(fā)現，理論計算成果與實(shí)際調查的河道沖刷有一定的差別，而河道的沖刷深度直接決定管頂埋深和河道整治，對建筑物的工程量及投資影響甚大，應當做動(dòng)床模型試驗。

　�。�2）預應力鋼筋混凝土的應用：作為地下大型工程，倒虹使用普通鋼筋混凝土，國內的施工經(jīng)驗和技術(shù)已較為成熟。根據調研的成果，預應力鋼筋混凝土在地下大型倒虹的應用還較少。作為今后的發(fā)展方向，倒虹預應力技術(shù)的應用還需要進(jìn)行深入的研究和試驗。

　�。�3）三維有限元計算：在結構計算方面，作為初步設計階段，結構力學(xué)的計算方法是可行的，在下一階段或較為復雜的倒虹，就應進(jìn)行三維有限元分析計算，應當編制倒虹三維有限元計算的專(zhuān)用程序。