南水北调中线龙门东干渠二支管式倒虹吸下部结构优化设计

摘要：龙门东干渠二支管式倒虹吸是南水北调中线京石段应急供水工程的一座渠渠交叉建筑物，上部结构为钢管连续梁，通过对其下部支承结构拱桥方案、薄壁墩方案两种方案进行比选、论证，对其进行优化设计。

关键词：南水北调；倒虹吸；优化设计

1 工程概况

南水北调中线京石段渠渠交叉建筑物共31座，其中渡槽l5座，倒虹吸14座，涵洞2座。龙门东干渠二支管式倒虹吸位于河北省徐水县刘庄村北约300m的龙门东干渠上．是南水北调中线京石段应急供水工程渠渠交叉建筑物之一。该倒虹吸设计桩号(383+623．9)，累计桩号147+069．900，设计流量1．0m3／s，与总干渠中心线交角为90°，采用钢管多跨连续梁直接跨跃总干渠。

龙门东干渠二支管式倒虹吸管身采用内径800mm，壁厚10mm的钢管，总长度225m。钢管沿总干渠左右岸斜坡铺设，斜管段共长180m，中间设有镇墩以维持管道的稳定，防止管道沿斜坡滑动。跨总干渠段采用水平钢管，长度为45m，钢管架在桥面板上．跨总干渠段桥面板采用预制混凝土空心板，跨度10～13m，分为3跨，桥面宽3．25m；下部支撑结构为2个薄壁墩，厚600mm，高度为7．60m，基础采用扩大基础。该倒虹吸进口段设有沉砂池、闸室，进口连接段与原渠道上游相接：出口段设有消力池．出口连接段与原渠道下游相接。

2 工程地质条件

工程区地貌属太行山山前丘陵夹岗地，地面高程97100．8m，地形起伏不大。

地层为第四系上更新统、中更新统，蓟县系雾迷山组。地层结构为土岩双层结构，由上至下描述：

(1)第四系上更新统中段冲洪积(al+plQ23)

黄土状壤土。黄褐色，稍湿，硬塑~可塑，含少量钙质结核，层厚1~4m。

(2)第四系中更新统下段冰碛(glQ12)

粘土：褐黄色。稍湿，硬塑，含黑色豆状碳质结核及碳质条纹，层厚1～1．5m。

泥砾：紫红色．卵砾石成分以石英砂岩为主，白云岩次之，一般粒径5～7cm。最大40cm，含量75％~80％，其余为紫红色粘土及中粗砂，卵砾石风化严重，层厚约7~12m。

(3)第四系中更新统下段坡残积(el+dlQ12)

含粘土碎石：紫红色，碎石成分以白云岩为主，一般粒径3～5cm，最大12cm，含量60％～65％，厚度5~16m。

粘土：紫红色，稍湿，硬塑，含少量白云岩碎块，呈透镜体分布，最厚1．2m。

(4)蓟县系雾迷山组第四段(Jxw4)

含燧石条带白云岩：弱风化，上部约1．3m，岩心表面溶蚀严重，岩心多呈柱状，柱长4～26cm，最长40cm，极少呈块状。陡倾角节理发育，节理面上有黄色钙质薄膜，厚度大于7m。工程区地震基本烈度为6度区。

3 优化设计

根据总干渠的断面型式及该倒虹吸所处的地质地形条件，对该倒虹吸的下部支承结构进行研究分析。共有2种方案设计：①拱桥方案；②薄壁墩方案。

3．1 拱桥方案

龙门东于渠二支管式倒虹吸下部支承结构采用拱桥方案，即下部支承结构为拱圈支承方式，主拱圈采用肋拱结构型式，拱上结构为排架式，桥面板架在排架上。钢管搁置于桥面板上。主拱圈跨度为一跨42．0m，排架对称布置于主拱圈上。拱脚处设有墩台2个。

主拱圈的基本尺寸为：拱轴线系数1．347：截面变化系数n=l；净跨径L0=42．0m；计算跨径L=42．56m；计算矢高 8．4m；拱顶厚度h=0．8m。拱上结构采用排架式，在主拱圈上拱顶两侧各布置6根立柱，高度为0．9～9m，间距为5．1m。拱脚处设墩台2个，墩底高程为67．103m。

跨总于渠管桥段长78m，桥面板采用预制混凝土空心板，跨度5．1~8m，分为13跨，桥面宽3．25m。跨总干渠段水平钢管段长度为84m，管顶高程为81．763m。

此方案能够实现输水管道一跨跨越总干渠，总干渠内不设阻水性构筑物，对节省总干渠宝贵水头有一定作用。

3．2 薄壁墩方案

龙门东干渠二支管式倒虹吸下部支承结构采用薄壁墩方案，即下部支承结构在总干渠中设2个重力墩，桥面板架在重力墩上。钢管穿过一级马道直接跨跃总干渠，基础采用扩大基础。

重力墩采用钢筋混凝土结构，顺总干渠水流方向墩长为2．5m，垂直总干渠水流方向墩宽为0．6m，墩顶设有墩帽，重力墩高度为7．60m，两个墩的间距为13m，基础采用扩大基础。跨总干渠管桥段长33m，桥面板采用预制混凝土空心板，跨度10～13m，分为3跨，桥面宽3．25m。跨总干渠段水平钢管长度为45m。管顶高程为68．285m，比拱桥方案管顶高程降低了13．478m。

此方案结构简单，施工方便，能加快施工进度，节省施工时间。

4 方案比选

4．1 施工

龙门东干渠二支管式倒虹吸拱桥方案，钢管顶高程较高，距离总干渠渠底20．8m，肋拱跨度为42m，施工难度相对来说比较大，危险性也较高；拱上结构立柱高度也较高，最高的达到9m。而薄壁墩方案，钢管顶高程降低了13m，墩高仅为7．6m，大大降低了施工难度及危险性。

为保证拱桥的结构稳定、美观，主拱圈拱肋的线形控制难度较大．而浇筑12根高度不同的立柱需要模板种类较多，需要一定的施工工艺，从而增加了施工难度，延长了施工工期。而薄壁墩方案，重力墩结构单一，施工方法相对来说比较简单，方便施工。

因此，采用优化后的薄壁墩方案结构简单，大大降低了施工难度，方便施工，进一步加快施工进度，节约了南水北调中线工程建设的宝贵时间。同时，根据总干渠水头优化计算，采用薄壁墩方案所产生的水头损失在控制范围以内。

4．2 工程量

由于薄壁墩方案减少了主拱圈、12根立柱及墩台，下部支承结构改为2个高7．6m的重力墩(拱桥方案中最高的立柱为9m)，桥面板长度由78m减少为33m，使混凝土量、钢筋量及土石方开挖量大大减少，混凝土量减少了16％，钢筋量减少了38％，土石方量减少了15％，两种方案的工程量对比见表l。

4．3 工程投资

由于优化后的薄壁墩方案工程量的减少，从而降低了工程投资，节约工程成本。优化的薄壁墩方案直接费用减少36．4万元。两种方案的直接费用对比见表1。

5 结语

(1)通过多种设计方案对建筑物的结构进行比较、论证，从而选择结构安全、经济实用、合理的薄壁墩结构型式。

(2)通过优化设计，龙门东干渠二支管式倒虹吸采用薄壁墩方案大大降低了施工难度，加快了施工进度，减少了工程量，降低工程投资，及时保障了南水北调中线京石段工程的按期通水。

(3)此建筑物建成后，运行良好。

参考文献：

[1]SL281-2003，水电站压力钢管设计规范[S]．

[2]GB50017-2003，钢结构设计规范[S]．

[3]余际可，等．灌区水工建筑物丛书倒虹吸(第二版)[M]．北京：水利电力出版社，1989．

[4]赵文华，等．灌区水工建筑物丛书渡槽(第二版)[M]．北京：水利电力出版社，1989．

[5]河海大学，等．水工钢筋混凝土结构学(第三版)[M]．北京：中国水利水电出版社，1996．

[6]河北省水利水电勘测设计研究院．南水北调中线京石段应急供水工程(石家庄至北拒马河段)初步设计报告[R]．2004．

[作者简介]范迎春(1976-)，女(汉族)，河北张家口人，工程师，主要从事水利工程规划设计工作。