南水北调中线中易水倒虹吸工程设计毕业设计论文Word格式文档下载.docx
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4.9.2导流堤顶面高程的确定………………………………………………41
4.9.3导流堤的的堤顶宽和边坡确定………………………………………41
4.9.4导流堤的冲刷与防护设计..................................42
5节能设计……………………………………………………………….…44
5.1节能设计依据…………………………………………………………..44
5.2节能设计原则…………………………………………………………..44
5.3节能设计………………………………………………………………..44
5.3.1节能分析……………………………………………………………..44
5.3.2节能设计……………………………………………………………..44
6致谢…………………………………………………………………………46
7参考文献……………………………………………………………………47
8图纸………………………………………………………………………48
1.前言
南水北调工程中线工程是从汉江上游的丹江口水库取水，该工程总干渠自河南省安阳市丰乐镇穿过漳河进入我省后，基本沿太行山东麓和京广铁路西北侧行，途经邯郸、邢台、石家庄、保定及廊坊的部分县，于涿州市西町村北穿北拒马河中支进入北京市境内。
总调水量145m3／年。
该工程完工后，既可保证沿线邯郸、邢台、石家庄、保定一带重要城市和工农业基地用水，又可向衡水、沧州、廊坊等市供水，可以极大地缓解我省水资源供需矛盾。
此外，中线工程的水质也比较理想，监测结果表明，中线工程水源水质除一项指标为地面水质量标准二级外，其他指标均符合一级水质量标准，输水总干渠是新开渠道，与沿线河渠全部立交，既不通航，也不纳污，渠线位于大城市上游，可以有效地保证供水水质。
该工程总干渠和分干渠全部自流，供水成本和水费也较低。
拟建的中易水渠道倒虹吸位于河北省易县城南10km的中易水河上，南距小罗村0.5km，距易保公路0.4km，交通方便。
该项工程是南水北调中线工程总干渠上一座大型河渠交叉建筑物，倒虹吸位置见图1。
中易水河是拒马河的一条支流，全长86km，渠道倒虹吸以上流域面积630.9km2，其中安各庄水库以上476km2，水库至渠道倒虹吸23km，区间流域面积为154.9km2，河流自西部山区曲折向东延伸，在本区近东西流向，河道比降小，常年流水。
总干渠在中罗村和中高村西穿越中易水河，渠线呈南北走向，与中易水河近似正交。
图1中易水渠道倒虹吸地理位置略图
１:
公路；
2：
建筑物位置；
3:
河流；
4:
村庄、乡镇;
５:
总干渠
2.设计采用的主要规程、规范
2.1文件依据
（1）《南水北调工程总体规划》（国家计委、水利部2002年）及批复意见（2003年5月）；
（2）《南水北调中线京石段应急供水工程可行性研究报告》及审查意见（2003年7月）。
2.2执行规范、规程
（1）《水利水电工程初步设计报告编制规程》SL619-2013
（2）《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252—2000
（3）《防洪标准》GB50201—2014
（4）《水工建筑物荷载设计规范》DL5077—1997
（5）《水工混凝土结构设计规范》SL/T191—2008
（6）《水电工程水工建筑物抗震设计规范》NB35047-2015
（7）《水利水电工程进水口设计规范》SL285—2003
（8）《水工建筑物抗冰冻设计规范》SL211-2006
（9）《水闸设计规范》SL265—2001
（10）《渠道防渗工程技术规范》SL18—2004
（11）《灌溉与排水工程设计规范》GB50288—1999
（12）《渠系工程抗冻胀设计规范》SL23—2006
（13）《水利水电工程土工合成材料应用技术规范》SL/T225—1998
（14）《公路工程技术标准》JTGB01—2014
（15）《碾压式土石坝设计规范》SL274—2001
（16）《公路桥涵地基与基础设计规范》JTGD63-2007
（17）《钢结构设计规范》GB50017-2003
3.设计概况
3.1河道现状
中易水东水冶以上为山区河道，在安各庄水库上游有8条较大支流，最大支流长18.5km，河底平均纵坡27‰，为卵石河床。
自水库坝址至东水冶，河长16km，该河段河底纵坡为3.6‰～2.3‰，为砂卵石河床，河道宽度呈上宽下窄，安各庄附近河段，河宽1000～2000m，至北盘石河宽缩窄为500m左右，至东水冶处河宽仅有300m。
从东水冶以下至中高村河段，地势明显降低，河道进入丘陵地带，逐渐展宽为1000～2000m，河床有150～300m宽的主河槽，河底纵坡较上游又有所变缓，至中高村附近河段，平均纵坡为2.4‰。
中高村以下河道进入平原区，纵坡逐渐减小为0.8‰，河床质组成主河槽为砾质粗砂，两侧滩地为中粗砂。
1977～1978年，保定地区曾对西水冶到易县、定兴县界河段进行了整治，开挖了宽100m、深1.2m的中心河槽，滩地外筑堤，堤高平均3m左右，两堤距离约250m。
在定兴县内百楼做裁弯取直工程。
治理河段行洪能力一般在1700～2100m3/s，定兴段主槽较窄，泄量为1200m3/s。
据《大清河流域防洪规划报告》（河北省部分），中易水现状过水能力不足800m3/s。
规划治理标准按10年一遇，设计流量964m3/s。
主要治理措施为：
对原有砂坝、护村埝进行加高培厚，结合筑堤修整河道；
对部分险工及靠近村庄的河段采取干砌石护坡等。
3.2设计基本资料
3.2.1倒虹吸设计指标
设计流量60m3／s
加大流量70m3／s
进口设计水位63.714m
出口设计水位63.507m
进口加大水位64.017m
出口加大水位63.811m
地震设防烈度7度
3.2.2总干渠设计指标
倒虹吸上游连接渠道底高程59.414m
倒虹吸上游渠道设计水深4.3m
倒虹吸上游渠道加大水深4.603m
倒虹吸下游连接渠道底高程59.207m
倒虹吸下游渠道设计水深4.3m
倒虹吸下游渠道加大水深4.603m
渠道底宽7.5m
渠道内边坡1：
2.5
渠道底纵坡倒虹吸上游渠段1／26000
下游渠段1／25000
渠道左、右岸一级马道宽5.0m
一级马道高程倒虹吸进口65.414m
出口65.207m
3.2.3交叉断面天然河道设计指标
100年一遇洪峰流量3176m3／s
300年一遇洪峰流量4054m3／s
100年一遇洪水位59.700m
300年一遇洪水位59.970m
河槽底高程56.500m
3.2.4材料等级
3.2.4.1强度等级
倒虹吸管身段普通混凝土C30
闸室混凝土C30
渐变段、挡土墙混凝土C20
素混凝土垫层C10
普通受力钢筋Ⅱ级
3.2.4.2抗渗等级
倒虹吸管身及进出口渐变段混凝土W6
3.2.4.3抗冻等级
倒虹吸管身混凝土F50
进出口渐变段、闸室混凝土F150
3.2.4.4混凝土物理力学指标
混凝土重度24kN／m3
钢筋混凝土重度25kN／m3
3.2.5地质参数
3.2.5.1天然地基
渗透系数67～100m／d
承载力建议值：
中粗砂200kPa
砾砂300kPa
砾石350kPa
强风化页岩350kPa
泥灰岩800kPa
内摩擦角：
中粗砂30°
砾砂30°
砾石33°
摩擦系数建议值：
混凝土与砾石、砾砂0.45
混凝土与强风化页岩0.50
常年地下水位：
56.800～58.000m
建议临时边坡：
砾砂、砾石1：
1.5～1.75
泥灰岩1：
0.75
3.2.5.2回填砂石料
湿密度20.5kN／m3
浮密度11.5kN／m3
内摩擦角30°
4.总体设计
4.1工程等别和标准
4.1.1工程等别及建筑物级别
根据南水北调中线工程的规模和《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252—2000），确定南水北调中线工程为Ⅰ等工程，中易水渠道倒虹吸主体工程建筑物级别为1级；
附属工程包括河道治导建筑物级别为3级，临时工程包括导流围堰等建筑物级别为4级。
4.1.2防洪标准
根据有关标准和总干渠的工程等别和建筑物级别，集水面积大于20km2河流的河渠交叉建筑物防洪标准按100年一遇洪水设计，300年一遇洪水校核；
渠道与河渠交叉建筑物的连接段，按相应建筑物防洪标准设防。
中易水倒虹吸交叉断面以上河道流域面积为630.9km2，其中安各庄水库控制流域面积476km2，交叉断面至安各庄水库区间流域面积154.9km2，属大型河渠交叉建筑物，依据上述规定确定本工程防洪标准为100年一遇洪水设计，300年一遇洪水校核。
4.1.3地震烈度
根据《中国地震动参数区划图》（GB18306—2001）及中国地震局分析预报中心2003年11月对南水北调中线工程地震动参数评价成果，本工程所在地区属地震基本稳定区，地震动峰值加速度G为0.1g，相当于地震基本烈度7度；
地震动反应谱特征周期（中硬场地）S为0.40s。
根据《水工建筑物抗震设计规范》（SL203—97），中易水倒虹吸工程地震设计烈度7度。
4.2结构安全指标
倒虹吸管身环境条件类别二类
倒虹吸渐变段、闸室环境条件类别二类
主体结构系数γd=1.2
主体结构重要性系数γ0=1.1
结构自重作用（荷载）分项系数γQ=1.05
主体结构静内水压力作用（荷载）分项系数γQ=1.05
主体结构静外水压力作用（荷载）分项系数γQ=1.0
挡土结构（闸室、挡土墙）土压力作用（荷载）分项系数γQ=1.2
管身结构土压力作用（荷载）分项系数γQ=1.1（0.9）
永久作用（荷载）分项系数γG=1.05（0.95）
预应力作用（荷载）分项系数γG=1.05（0.95）
其它可变作用（荷载）分项系数γQ=1.2
工程结构稳定、安全系数见表4—1
表4—1工程结构稳定、安全系数表
荷载组合
抗滑稳定
抗浮稳定
最大地基应力/最小地基应力
基本组合
1.35
1.1
≤2.0
特殊组合
1.2
1.05
≤2.5
管身普通混凝土荷载效应的长期效应组合限制裂缝宽度0.25mm，短期效应组合限制裂缝宽度0.3mm；
闸室底板、闸墩限制裂缝宽度0.2mm。
建筑物各部位地基承载力设计值按《水闸设计规范》（SL265—2001）计算，建筑物基底不允许出现拉应力，基底平均应力不得超过地基承载力设计值，当受偏心荷载作用时，最大应力要小于地基承载力设计值的1.2倍。
4.3建筑物轴线选择
4..3.1选线原则
中易水倒虹吸是南水北调中线总干渠上的一座建筑物，其工程选址与总干渠的线路选择密不可分。
总干渠的选线原则为：
（1）为确保总干渠工程输水安全，尽量避免深挖方和高填方，尽量使水面线与地面持平。
（2）在保证安全输水的前提下，以线路最短，投资最省为目标。
渠线力求顺直，并选择地质条件相对较好的地段布设渠线。
（3）尽量避开居民点、工矿企业、重点文物及军事设施。
（4）穿越公路以及河流时，尽量与之正交，选择顺直、稳定的河段布设渠线。
4.3.2轴线选择
按上述原则，南水北调中线总干渠中易水段线路对两个方案进行了比选。
方案一为现倒虹吸位置，方案二在现倒虹吸下游约1.2km处。
方案一，线路从裴山后绕到山前向西绕过中罗村，从小罗村东向北偏东穿中易水，继续向北在北高村东折向东北，到西北奇村北又折向北偏东继续北行。
方案二，线路从裴山后绕到山的东侧后与保易公路并行向北，穿中易水河后继续向北，在保易公路与铁路中间，穿西进渠后折向西北在西北奇村北与方案一线路相交合一，向北偏东继续北行。
方案二与方案一相比，具有线路短，顺直的优点，但是，方案二线路滩地段长，高程较方案一低2m左右，渠道阻断流量大，填方量增大；
总干渠在铁路和公路中间穿行，污染较为严重；
需要一座穿铁路的建筑物和拆掉一座水泥厂。
在方案二上游除小罗村外的中罗村、中高村都在壅高水位以下，必将大大增加拆迁的数量。
因此，该段线路推荐方案一。
表4—2中易水段渠线方案比较表
方案
长度
（m）
倒虹吸长度（m）
土方
开挖
（万m3）
石方
回填
混凝土衬砌
拆迁（亩）
穿铁路建筑物长（m）
永久占地（亩）
工程量及
投资
方案一
6584.5
612
18.6
5.4
210.4
3.7
无
646
较小
方案二
5099.3
303.3
65.7
55.9
4.9
60.2
300
755
较大
4.4建筑物长度
根据对交叉建筑物附近中易水河河段中泓位置和主槽宽度的分析，在《南水北调中线京石段应急供水工程可行性研究报告》中，将河道行洪口门宽度确定为370m。
为了进一步论证交叉断面行洪口门宽度的合理性，对口门宽度进行了300、370、400、500m四各方案比较。
中易水交叉处河宽为1590m，交叉建筑物口门远小于河道宽度，因此发生高标准洪水时，由于河滩地的渠道的阻挡，口门上游河道洪水位要有一定的壅高。
通过常规方法计算了300年一遇及其以下洪水频率的上游壅水高度及其相应的壅水长度和冲刷深度，分述如下：
4.4.1不同口门宽度的壅水计算
计算采用1992年出版的《公路桥位勘测设计规范》中的公式。
最大壅水高度计算公式：
式中：
—最大壅水高度（m）；
η—系数，与建筑物阻断流量有关，参照表4—3选用。
表4—3η值选用表
河滩路堤阻断流量与
设计流量比值（%）
<
10
11-30
31-50
>
50
η
0.05
0.07
0.10
0.15
参照表4—2，中易水倒虹吸各方案η值均为0.07。
—倒虹吸布置后断面平均流速（m/s），
；
QP—设计流量（m3/s）；
ωj—建筑物过水断面面积（m2）；
—天然河道建筑物范围内平均流速（m/s）；
—天然河道断面平均流速（m/s）；
壅水长度计算公式：
L—壅水长度（m）；
I—水面比降。
根据以上计算公式，对四个方案分别进行计算，成果列于表4—4。
表4—4中易水倒虹吸不同口门宽度水位～流量关系表
口门
宽度
重现期
设计
流量
天然
水位
壅水
高度
壅高
（a）
（m3/s）
500
4103
59.97
0.64
60.61
534
100
3176
59.70
0.50
60.20
416
2369
59.43
0.36
59.79
297
20
1683
59.39
0.19
59.58
156
400
1.00
60.97
833
0.79
60.49
658
0.58
60.01
483
0.32
59.71
263
370
1.19
61.16
988
0.94
60.64
780
0.69
60.12
578
59.75
1.62
61.59
1350
1.28
60.98
1067
0.96
60.39
800
0.51
59.90
425
4.4.2倒虹吸浅埋护砌对河道水位影响分析
在天然河道洪水位分析中，系按定床条件进行计算，在实际洪水时河床发生冲刷，断面过水面积相应加大，但糙率也相应提高。
由于中易水倒虹吸采用浅埋方案，河道不再具备冲刷条件，为此进一步分析上述条件计算成果的合理性。
通过分析估算，100年和300年一遇洪水条件下交叉断面主河槽冲刷面积在480m2左右，当主槽糙率调整为0.050～0.055时，经分析洪水位与定床条件下分析成果基本一致。
仍采用此糙率条件，按倒虹吸布置后限定的冲刷条件进一步分析100年和300年一遇洪水位分别为60.07m和60.30m，比现状河道洪水位分别高0.37m和0.33m，加上壅水高度，100年和300年一遇设计洪水位分别为61.01m和61.49m。
4.5一般冲刷深度计算
4.5.1冲刷深度计算
在天然河道上修建建筑物后，由于缩窄了河道宽度，压缩了河道水流，增加了过水断面的单宽流量，水流挟沙能力随之增大，引起河床冲刷，这种冲刷称为一般冲刷。
一般冲刷的计算方法比较多，本次采用长江委推荐的“64—1”公式，其形式如下：
hpm—冲刷后最大水深（m）；
Qp—设计流量（m3/s）；
L—建筑物净过水长度（m）；
hm—冲刷前最大水深（m）；
—断面平均水深（m）；
—河床质平均粒径（mm）；
E—与汛期含沙量有关的系数，当汛期含沙量S>
10kg/m3时，E=0.86；
A—单宽流量压缩系数；
B—河槽宽度，即通过造床流量时的水面宽度（m）；
—造床流量对应的平均水深（m）。
4.5.2计算结果
根据上述砾质粗砂的平均粒径和选用的计算公式，对不同标准洪水和倒虹吸不同口门宽度计算了交叉断面处的冲刷深度。
成果见表4—5。
表4—5中易水倒虹吸冲刷深度成果表
重现期（a）
现状河底高程（m）
倒虹吸不同口门宽度冲刷深度（m）
500m
400m
370m
300m
56.4
6.81
7.14
7.24
7.48
6.15
6.42
6.50
6.70
5.60
5.81
5.88
6.04
4.23
4.43
4.48
4.62
4.6工程布置和主要建筑物型式
4.6.1主要建筑物型式
4.6.1.1交叉建筑物型式的确定
中易水交叉建筑物型式选择考虑了以下几个因素。
（1）从流量关系看，南水北调总干渠在本段设计流量为60m3/s，而中易水100年一遇洪水流量达3176m3/s，渠道流量远小于河道洪水流量。
交叉建筑物采用渠道倒虹吸符合“小（流量）穿大（流量）”原则。
（2）从水位关系看，渠河交叉部位总干渠设计水位为63.714～63.507m；
河道100年一遇洪水位为59.70m，渠道水位高于河道水位，交叉建筑物采用渠道倒虹吸不符合“低（水位）穿高（水位）”原则。
（3）从建筑物防淤角度看，交叉建筑物型式采用渠倒虹比河倒虹更有利，因为总干渠水流含沙量较少且多为悬移质，过管水流流速大于渠道流速，不会引起渠倒虹严重的淤积。
采用河倒虹虽然可节省总干渠部分水头，但中易水为沙质河床，遇较大洪水推移进入倒虹吸，清理难度较大。
根据中易水河道冲刷深度较大的特点，倒虹吸管埋置深度比较了“深埋”和“浅埋加防护”两种布置方案。
（1）“深埋”方案
倒虹吸管顶埋置高程按河道300年一遇洪水冲刷线以下不小于0.5m的原则确定。
根据河道冲刷计算结果，300年一遇洪水河道冲刷深度为7.240m，高程为49.160m，管顶设计高程为48.660m，管底高程为43.460m。
已经在基岩面以下，倒虹吸管整个嵌入岩石中，势必造成大量的岩石开挖。
同时由于埋深达7.74m，管壁也将相应加厚好多。
因此，深埋方案无论从施工难度和工程造价上都很高。
（2）“浅埋加防护”方案
“浅埋加防护”方案不必将倒虹吸管身埋置于校核洪水冲刷线以下，而是按照《南水北调中线工程总干渠渠道倒虹吸土建工程初步设计大纲》要求将倒虹吸管身埋置于河底以下2.5m，并对管顶河床进行防冲防护以保证建筑物的安全运行。
河道护砌范围为口门内建筑物轴线上下游83m，护砌措施采用63m浆砌石和20m钢筋石笼，口门两侧采用钢筋混凝土护坡。
（3）管顶埋置深度推荐方案
两方案相比，从工程安全考虑，高标准洪水时“深埋”方案由于管顶埋置于冲刷线以下，建筑物安全可靠性高；
“浅埋”方案管顶采用浆砌石护砌，不冲刷允许流速大于河道过洪水流速，也是安全可靠的；
从施工难度考虑，由于工程区域岩基出露在48.0～50.0m左右，“深埋”方案管顶已经在基岩面以下，倒虹吸管整个嵌入岩石中，势必造成大量的岩石开挖，同时由于中易水地下水位较高，排水难度、排水量更大；
从工程量大小比较，“浅埋”方案需要口门防护，但由于埋深浅，管壁薄，土石方开挖回填量少。
“深埋”方案管壁厚，土石方开挖回填较大。
因此，在安全可靠的前提下，“浅埋”方案无论从施工难度和工程造价上都要比“深埋”方案优越。
综上分析，中易水倒虹吸推荐采用“浅埋
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