梅河支沟排水倒虹吸设计

word文档可自由复制编辑word文档可自由复制编辑word文档可自由复制编辑摘要梅河支沟排水倒虹吸工程位于新郑市龙王乡龙王村北约0.25Km处，是南水北调中线工程总干渠与梅河支沟的交叉建筑物。本次设计根据《南水北调中线工程沿线设计地震动参数区划报告》规定，建设区地震动峰值加速度为0.1g，相当于地震基本烈度VII度，所以在设计过程中需考虑地震对建筑物的作用效应。倒虹吸管包括进口段、管身段、以及出口段。设计过程中主要涉及水文学，水力学，土力学，结构力学，水工建筑物等专业基础知识。首先通过拟定不同孔口尺寸进行调洪演算，选定了合适的孔口尺寸；根据明渠均匀流计算公式推算出支沟下游水深。然后，利用水力学中能量方程和水跃公式以及水闸设计中相应规范确定消力池尺寸、海漫段长度以及下游防冲槽深度。接下来，根据地形地质条件以及相应的水工建筑物设计规范确定进出口建筑物合理的形式与尺寸。最后，在完成对管身段以及倒虹吸上下游衔接建筑物布置后，根据土力学与结构力学对倒虹吸管分别进行进出口段抗滑稳定计算，渠底水平管段抗浮稳定计算，管身段地基承载力验算，上下游挡土墙稳定计算，以及不同工况下管身内力计算。关键词：倒虹吸，地震效应，水力计算，稳定分析，结构内力计算目录摘要Abstract第一部分设计说明书工程概况及基本资料....................................................................1工程概况.........................................................................1基本资料.........................................................................12.1地形资料 ....................................................................1 1.2.2地质资料 ....................................................................1 1.2.3水文气象资料 ................................................................4 1.2.4总干渠设计参数 ..............................................................7 1.2.5对外交通运输条件 ............................................................7工程总体布置.........................................................................8建址及建筑物轴线选择.............................................................8建筑物型式选择...................................................................8管身断面计算.....................................................................83.1水力设计 ....................................................................8 2.3.2管身断面的确定 ..............................................................11下游消能防冲设计.................................................................12 2.4.1消力池计算 ..................................................................12 2.4.2海漫长度计算 ................................................................13 2.4.3河床冲刷深度计算 ............................................................14总体布置.........................................................................14 2.5.1布置原则 ....................................................................14 2.5.2工程总体布置 ................................................................15稳定性验算及地基处理.................................................................17倒虹吸管身稳定验算...............................................................171.1斜管段抗滑稳定计算 ..........................................................17 3.1.2管身抗浮稳定验算 ............................................................18 3.1.3管身基底压应力验算 ..........................................................18挡土墙稳定计算...................................................................19地基处理.........................................................................204.结构设计.............................................................................214.1荷载及其组合.....................................................................211.1荷载计算 ....................................................................21 4.1.2荷载组合和安全系数 ..........................................................244.2结构计算.........................................................................242.1内力计算方法 ................................................................24河沟防冲设计.........................................................................26工程观测.............................................................................27目的与要求.......................................................................27监测设施及布置...................................................................27人工巡视检查.....................................................................27第二部分设计计算书水力计算.............................................................................28管身断面确定与泄流能力校验.......................................................28 1.1.1已知条件 ...................................................................28 1.1.2计算过程 ...................................................................28下游消能防冲设计.................................................................311.2.1消力池深设计...............................................................31 1.2.2消力池长度计算 ..............................................................33 1.2.3海漫长度计算 ................................................................341.2.4冲刷深度计算...............................................................34稳定性验算............................................................................36倒虹吸管身稳定验算...............................................................36 2.1.1斜管段抗滑稳定计算 ..........................................................362.1.2管身抗浮稳定计算...........................................................38 2.1.3管身基底压应力计算 ..........................................................44挡土墙稳定计算...................................................................45荷载组合...................................................................45稳定计算...................................................................453.结构设计.............................................................................52 3.1荷载计算 .........................................................................521.1荷载组合和安全系数 ..........................................................523.1.2结构荷载计算...............................................................52参考文献

第一部分设计说明书1.工程概况及基本资料1.1工程概况梅河支沟排水倒虹吸工程位于新郑市龙王乡龙王村北约0.25Km处，是南水北调中线工程总干渠与梅河支沟的交叉建筑物。工程交叉点处总干渠桩号为SH-145+577.2，大地坐标为x=3815957.090，y=38486865.591。交叉断面以上梅河支沟集水面积10.80Km2，50年一遇洪峰流量209m3/s，200年一遇洪峰流量294m3/s。梅河支沟排水倒虹吸总长234.587m，其中管身水平投影长111.587m，管身断面为4孔箱形，单孔过水断面3.0m×3.0m（宽×高）。1.2基本资料1.2.1地形资料 工程区测有总干渠带状地形图（比例尺：1/5000）。工程位于黄河冲洪积平原区，地势西北高东南低；地形起伏较大，呈岗地与冲洪积平原相间分布。工程区附近地势开阔，地形相对较为平坦。梅河支沟自西北向东南穿过工程区，总干渠自西南走向东北，与沟道中心线有36.7°交角。交叉断面处有明显沟形，过水断面近梯形，左、右岸基本对称，上、下游断面变化较大，在总干渠交叉点上游180m处有两条沟道交汇后形成梅河支沟，三条沟道形成Y字形，沟槽口宽约25.0m，切深仅1.0m，沟底高程124.50~121.10m，左岸地面高程为123.00m，右岸地面高程为123.50m。1.2.2地质资料1998年11月20日～11月28日，河南省勘测总队对工程区进行了勘查，布设钻孔3个总进尺60.4m，并进行了标贯、原位测试和室内土工试验。1.2.2.1区域地质构造与地震根据国家地震局分析预报中心提出的《南水北调中线工程沿线设计地震动参数区划报告》（2004年4月），建筑物工程区地震动峰值加速度为0.1g，相当于地震基本烈度为Ⅶ度。1.2.2.2水文地质工程区地下水为潜水，含水层由粉细砂、黄土状轻壤土、黄土状中粉质壤土组成。勘察期间测得地下水位高程119.34~119.90m，地下水水位埋2.50~2.85m，处于第①层粉细砂层中。根据水质分析成果，地下水化学类型“HCO~Ca~Mg”型水；矿化度30.27g/L，属淡水；总硬度14.69H°，属微硬水；pH值7.60；属弱碱性水；侵蚀性CO为2零，工程场区内地下水对混凝土无腐蚀性。1.2.2.3地层岩性 在勘探深度范围内，上覆第四系松散土层，下部为上第三系软岩，现由老至新分述于下:上第三系中新统洛阳组（N）：河湖相沉积，岩性为泥灰岩、粘土岩，最大揭露厚1L度10.9m。粘土岩：棕黄、棕红色，杂灰绿色，湿，结构致密；见黑色铁锰质结核，含少量粒径2~5cm的钙质团块，偶见小砾石。该层顶面高程107.8~109.5m，该层未揭穿，最大揭露厚度8.4m。泥灰岩：灰白色杂棕黄色，局部灰绿色，湿，结构较致密，多呈灰白色钙质团块，粒径一般2~5cm,大者达8cm。见黑色铁锰质斑纹及结核，该层厚1.8~3.1m，层底高程107.8~109.5。m第四系更新统上段（alplQ）：冲洪积成因，岩性主要为黄土状轻壤土和黄土状中粉3质壤土，局部夹粉细砂。黄土状中粉质壤土：浅黄色，湿，硬可塑状，见黑色铁锰质结核，在NBCRHT17-1孔处夹有厚1.6m的粉细砂透镜体。该层厚1.2~2.2m，层底高程110.9~111.3m。黄土状轻壤土：浅黄色，湿，硬可塑状，见黑色铁锰质浸染，偶见钙质结核及小砾石，局部夹粉细砂薄层透镜体。该层厚5.2~6.1m，层底高程112.1~113.5m。第四系全新统下段(alplQ14)：冲洪积成因，岩性主要为为粉细砂，分布于地表。呈浅黄色，结构松散，砂粒成份以石英为主，岩性不均，局部含少量泥质、灰白色钙质结核和夹砂壤土薄层透镜体，偶见陶片、碎砖块。本层厚3.6~4.1m，层底高程118.2~118.7m。1.2.2.4土岩体物理力学性质根据现场原位测试和室内试验，经综合分析整理，结合附近建筑物和渠线资料，各岩土层的土体物理力学指标建议表1-1，1-2。表1-1岩土体物理性指标建议值表土体土体单元序号成因时代土名物理性质天然含水量天然干密度比重空隙比液限塑限塑性指数液性指数wρdGseWLWPIpIL%g/cm3%%%②alplQ3黄土状轻壤土20.51.482.690.82022.315.07.30.75③alplQ3黄土状中粉质壤土22.51.502.720.80024.115.98.20.80⑤N1L粘土岩24.11.572.750.75043.428.814.6-0.34表1-2岩土体的力学性指标建议值表土体单土体单元序号成因时代土名力学指标渗透系数承载力标准值压缩饱和快剪压缩系数压缩模量凝聚力内摩擦角a1-2EscφKfKMPa-1MPaKPa（°）cm/sKPa①alplQ14粉细砂0304.0×10-380②alplQ3黄土状轻壤土0.405.210.720.03.48×10-5130③alplQ3黄土状中粉质壤土0.356.514.319.06.52×10-6150④N1L泥灰岩300⑤N1L粘土岩3001.2.2.5工程地质条件及评价 建筑场地较为平坦开阔，交通便利，施工条件较好。场区为土、岩双层结构，层位分布较稳定。排水倒虹吸进出口段位于第①层粉细砂可液化砂层，强度低，工程地质条件差，建议清除或进行夯实加密处理；倒虹吸进出口斜坡段处于不同岩、土体上，存在不均匀沉降问题；倒虹吸水平管身段位于第④、⑤层泥灰岩和粘土岩层，承载力标准值为f=300KPa，粘土岩具中等膨胀潜势，建议施工开挖时预留保护层。K区内地下水位埋藏较浅，存在施工排水问题，建议施工时采用井点降水，并尽量避开汛期施工。1.2.3水文气象资料 1.2.3.1气象和流域特征 梅河支沟为沙颍河水系双洎河支流内的一条自然冲沟，在郑市龙王乡龙王村北与总干渠相交，交叉断面以上控制流域面积10.80Km2，沟长5.00Km，平均比降0.017。该区地处暖温带，属大陆性季风气候区，天气变化受季风影响较大，冬季寒冷少雪，春秋干燥少雨，夏季为主要降水季节。雨季主要集中在7~9三个月，占全年降雨量669mm的70％～80％，多年平均气温14.4℃，绝对最低气温-17.9℃，绝对最高气温42.5摄氏度，春、冬季节干旱多北风，夏季多南风，多年平均风速2.1m/s，最大风速17.9m/s，年平均8级以上大风约19天，最多44天；全年无霜冻期298天。1.2.3.2天然水位～流量关系曲线根据该河的流域特征，交叉断面处天然水位～流量关系按明渠均匀流进行计算。主槽糙率采用0.035，滩地糙率采用0.06，河道比降为0.017，沟道主槽水面宽取13.0m，交叉断面处沟道水位～流量关系见表1-3及曲线图1-1。表1-3梅河支沟交叉断面天然水位～流量关系表频率频率P=20%P=10%P=5%P=2%P=0.5%水位（m）123.61124.07124.38124.72125.18流量（m3/s）76117156209294上125.4游125.0水位124.6(m)124.2123.8123.475100125150175200225250275300流量(m3/s)图1-1水位~流量关系曲线1.2.3.3设计洪 水梅河支沟流域内无实测流量资料，采用雨量资料间接推求设计洪水。设计暴雨交叉断面的设计暴雨由《河南省中小流域设计暴雨洪水图集》暴雨参数查算，均值和变差系数Cv值均由图集中的短历时暴雨参数等值线图查流域重心点取得，偏差系数Cs选用3.5C，由于流域面积小，以设计点雨量作为流域设计面雨量。v24小时洪量及洪峰流量由山丘区次降雨径流关系(P+Pa～R)V线查算24小时各种频率设计净雨量乘以流域面积得设计洪水总量。设计洪峰流量采用推理公式计算。其成果见表1-4。表1-4梅河支沟设计洪水成果表项项目P=20%P=10%P=5%P=2%P=1%P=0.5%设计洪峰流量（m3/s）76117156209257294设计24小时洪量（万m3）70107147199230261（3）设计洪水过程线设计洪水过程线采用三角形概化过程线叠加方法计算，设计过程线见表1-5。

表1-5梅河支沟设计洪水过程线单位：m3/s1.2.3.4水位～容积关系曲线 按照洪水调节计算中规定的计算原则，确定总干渠左岸滞洪范围和高程。在总干渠1/5000带状地形图上，勾划出限定的最高滞洪水位时的左岸滞洪范围，根据选定的左岸最大滞洪淹没范围，采用地形图上各等高线和等高距，计算各种水位对应的容积，其水位和容积关系见表1-6和关系曲线图1-2。表1-6梅河支沟水位～容积关系表滞洪水位滞洪水位(m)123.53125.01125.44125.99容积(万m3)03.7410.5418.87123.50124.00124.50125.00125.50123.50124.00124.50125.00125.50126.00滞洪水位m20161284容积（万m）图1-2水位~容积关系曲线1.2.4总干渠设计参数 总干渠与梅河支沟排水倒虹吸交叉处为全挖方渠段。总干渠设计流量305m3/s，加大流量365m3/s，相应水位分别为122.305、m122.937。渠道断面要素为：渠底高程m115.305m，渠道底宽22.0m，比降1/26000，糙率0.015，一级内边坡1:2.25，二级内边坡1:2.0；一级外边坡1:1.5，二级外边坡1:2.0；左、右岸一级马道高程均为124.44m，堤顶宽度为5m。总干渠运行维护道路设置在渠道右侧。1.2.5对外交通运输条件 工程区位于龙王乡北约0.25Km处，工程区西约200m有龙王（乡）～八千（乡）公路通过，交通较为便利。2.工程总体布置2.1建址及建筑物轴线选择总干渠轴线由总干渠总体布置确定，在工程区走向为西南～东北向，梅河支沟则由西北流向东南，与总干渠中心线呈37.6°交角，在总干渠交叉点上游180m处有两条沟道交汇后形成梅河支沟，三条沟道形成Y字形。倒虹吸的轴线布置一般宜顺河流走向，以平顺其进、出口水流。同时还应考虑建筑物长度尽可能短，以减少工程量。梅河支沟设计洪峰流量209m3/s，校核洪峰流量294m3/s，过流量比较大。若选用正交布置，建筑物进出口偏离沟道较远，进口水流不畅，影响泄流；出口需开挖较长的输水渠道，增加工程投资；因此根据工程区的地形、地质条件，选择建筑物轴线与总干渠中心线线呈70°交角布置，使建筑物轴线上游端正对三条沟道的交点，可以使进口水流达到最佳水流状态，轴线的末端与沟道中心基本吻合，即减少沟道疏浚工程量，又使出口水流比较平顺。2.2建筑物型式选择梅河支沟与总干渠交叉处总干渠渠底高程115.305m，设计流量305m3/s，相应水位122.305m；加大流量365m3/s，相应水位122.937m。交叉处沟底高程124.50~121.10m，天然情况下50年一遇洪峰流量209m3/s，相应洪水位124.72m；沟道流量小于渠道设计流量，沟底高程虽高于渠道设计水位，但不具备建排水渡槽的条件，故采用沟道排水倒虹吸。2.3管身断面计算根据水位～容积曲线、建筑物不同孔口尺寸的泄流能力曲线，按照水库洪水调节计算原理，对各种洪水频率下的设计洪水过程进行调节，分析确定满足左岸滞蓄洪水的下泄流量和孔口尺寸。其调洪演算过程和水力计算同时进行。2.3.1水力设计倒虹吸管水力设计的任务是通过水力计算选定管道的横断面尺寸与管数，以及进、出口各个部分的布置型式、尺寸和有关高程。根据《南水北调中线总干渠左岸排水建筑物设计大纲》有关内容，排水倒虹吸水力计算是将天然水位～流量关系曲线作为建筑物出口水位～流量关系曲线，推求出建筑物上游水位。倒虹吸进口设计水位即为设计调洪的最高水位。拟定若干孔口尺寸及进口高程，根据各频率洪水的调算结果，综合比较选择合理方案。（1）水面连接计算公式：建筑物上下游水头损失按下列公式计算：Z=ZZZ（2—1） 1 2 3式中：Z——总水头损失（水面总落差），m；Z——进口连接段的水面跌落值，m；1Z——管身段的水头损失，m；2Z——出口连接段的水面回升值，m。3Z的计算1忽略沿程水头损失，则Z(1K）V22V12（2—2） 1 渐缩 2g式中:K ——进口连接段（渐缩段）的局部水头损失系数；渐缩——进口连接段末端的断面平均流速，m/s；2V——进口连接段首端的断面平均流速，m/s；1Z的计算3V2V2 Z(1K）3 4（2—3） 3 渐扩 2g式中:K ——出口连接段（渐扩段）的局部水头损失系数；渐扩——出口连接段首端的断面平均流速，m/s；3V——出口连接段末端的断面平均流速，m/s。4Z的计算2V2V2 Zhh3 2（2—4） 2 f j 2g式中:V——进口连接段末端的断面平均流速，m/s；2——出口连接段首端的断面平均流速，m/s；3h——管身段的沿程水头损失，m。f2gLV2h（2—5）fC2R2g式中：L——管长，为从进水口至出水口之间各管段的长度之和；C——谢才系数，C1R1/6，n：管道糙率，对钢筋混凝土箱涵，取n=0.014；nR——水力半径，m；V——管内流速，m/s；h——管身段的局部水头损失，m。jV2h(K K K）（2—6） j 进口 弯折 出口2g式中：K ——进水口的水头损失系数；进口 K ——弯（折）管水头损失系数。弯折（2）泄流能力计算公式倒虹吸管内的水流为压力管流，过水能力按压力管道水力计算公式计算 Q2gz （2—7）2式中：Q——管道过水流量（m3/s）；——过水断面面积（m2）；z——出口水位差，即总水头损失（m）；21——流量系数，；j f2gl ——沿程阻力系数， ；f fc2Rl——管道长度（m）；——局部阻力系数，j进口出口弯道。j（3）倒虹吸出口下游沟道水位推算按明渠均匀流公式：QcRi（2—8）曼宁公式：11（2—9）cR6n式中：Q——沟道过流量（m3/s）；——过水断面面积（m2）；R——水力半径（m）；n——沟道糙率，取0.035；i——沟道比降。（4）洪水调节计算按水量平衡原理计算：Qq1QQ1qqV1V2V（2—10）21 221 2 t t式中：Q，Q——计算时段初、末的入库流量（m3/s）； 1 2Q——计算时段的平均入库流量（m3/s）；q，q——计算时段初、末的下泄流量（m3/s）； 1 2q——计算时段的平均下泄流量（m3/s）；V，V——计算时段初、末的上游河道槽蓄量（m3）； 1 2V——计算时段上游河道槽蓄量的变化（m3）；t——计算时段，时段步长不宜大于0.5小时。2.3.2管身断面的确定 梅河支沟为不串流的河道，考虑河道的滞洪作用，视交叉断面上游为一座水库进行洪水调节计算，确定建筑物规模及左岸防洪水位，工程规模选定的原则为：在倒虹吸主体工程范围内，总干渠左堤防洪标准按50年一遇洪水设计，200年一遇洪水校核。左岸防护对象的防护标准：农田防洪标准5年一遇；居民点防洪标准20年一遇；在常遇洪水情况下不恶化当地防洪除涝条件。为便于工程运行期间清淤和维修，倒虹吸孔口尺寸不宜小于2.0m×2.0m（宽×高）。倒虹吸过流断面面积的确定与设计洪水标准、河床冲淤特性、壅水淹没影响以及地形条件等均有关。在进行过水断面面积确定时，拟定几种不同的管身过水断面面积，按照以上控制条件，对各种频率下的设计洪水采用水库调洪演算，分析确定满足左岸防洪要求的下泄流量和孔口尺寸。各方案片内洪水调节计算成果见表2－1。从淹没影响看，工程修建后四个方案的5年一遇上游洪水位与工程前相同，水位不壅高，对上游耕地无淹没影响；20年一遇洪水上游水位壅高值分别为0.73m、0.25m、0.14m、0.00m，方案1水位壅高较多，说明孔口尺寸偏小；方案2、3、4水位壅高值均满足要求，推荐方案2。从总干渠防洪标准看，工程后方案2的50年一遇洪水位为125.25m，200年一遇洪水位为126.04m，分别高于地面1.25m、2.04m，洪水向口门集中时将对总干渠左堤脚造成冲刷影响，但通过对建筑物附近的总干渠左堤护砌即可消除影响，同时该段总干渠左堤顶高程按外水控制加高到126.54m。经综合分析，决定选用方案2，即排水倒虹吸断面为4孔，单孔孔口尺寸3.0m×3.0m（宽×高），50年一遇洪水下泄流量168m3/s，200年一遇洪水下泄流量196m3/s。表2-1调洪演算成果表频率频率天然情况方案1方案2方案3方案4QmH3－3.0m×3.0m4－3.0m×3.0m3－3.5m×3.5m4－3.5m×3.5m（m3/s）（m）Q(m3/s)H(m)Q(m3/s)H(m)Q(m3/s)H(m)Q(m3/s)H(m)P=20%76123.6176123.6176123.6176123.6176123.61P=10%117124.07107124.44115124.07116124.07116124.07P=5%156124.38127125.11143124.63145124.52153124.38P=2%209124.72143125.71168125.25173125.19194124.73P=0.5%294125.18177127.15196126.04200125.89235125.462.4下游消能防冲设计2.4.1消力池计算2.4.1.1消力池池深计算采用《水闸设计规范》（SL265－2001）计算。dhhz（2—11） 0c sh18ghq21bb10.25（2—12）hc c 232cq2h3－Th2+=0（2—13）c0c2g2q2q2 Δz= （2—14）2g2h'22gh''2 s c式中：d——消力池深度，m；——水跃淹没系数，采用1.05；0h——跃后水深，m；ch——收缩水深，m；c——水流动能校正系数，采用1.0；q——过闸单宽流量，m2/s；b——消力池首端宽度，m；1b——消力池末端宽度，m；2T——由消力池底板顶面算起的总势能，m；0z——出池落差，m；h——出池河床水深，m；s——流速系数，采用0.95。2.4.1.2消力池长度计算 LLL（2—15） sj s jL6.9(hh)（2—16） j c c式中：L——消力池长度，m；sjL——消力池斜坡段水平投影长度，m；s——水跃长度校正系数，采用0.8；L——水跃长度，m。j经计算，消力池长14.04m，深0.82m，取消力池长15.0m，深1.00m后经地质资料比对选取池深1.60m。2.4.2海漫长度计算 LKqH'（2—17）s s式中：L——海漫长度，m；p——消力池末端单宽流量，m2/s；sH——过水时上下游水位差，m；K——海漫长度计算系数，取K=12。 s s经计算，海漫长度44.6m，取50m。2.4.3河床冲刷深度计算 d1.1qmh（2—18） m [V]m0式中：d——海漫末端河床冲刷深度，m；mq——海漫末端单宽流量，m2/s；mV——河床土质允许不冲流速，V=0.98m/s；0 0h——海漫末端河床水深。m经计算下游需修建防冲槽，深度取2.0m。2.5总体布置2.5.1布置原则 倒虹吸管由进口段、管道段及出口段三部分著称，其总体布置应满足以下原则：倒虹吸管宜设在地形、地质较好地段，以减少设计和施工难度。倒虹吸管道长度若影响河道的过水能力时，需经过调洪计算及方案比较选定。倒虹吸管轴线在平面布置上的投影宜为直线，并宜与河流、沟渠、道路中心先正交。进口段尽可能布置在挖方渠段上，以减少沉陷、渗流及坍方现象。同时还应注意下述问题：入口处必须平顺，以减少因紊流或漩涡所应起的水头损失；必须能满足在较常出现的某一小流量情况下，管道入口仍能被淹没，以避免管道内发生振动气蚀；入口应有防止较大砾石或其他漂浮物进入管道的设施；进口段应保证管道不受洪水的冲击；入口处应有保障人畜安全的设施出口段的布置应使出口段面逐渐扩大，以调整出口水流的流速分布，减少水头损失，防止对下游渠道的冲刷。布置管线时，要注意考虑冲沙及放空管道设备的设置。（6）管线布置时，在立面内应力求避免上凸形拱翘布置，以求水流顺畅。工程量大时，采用挖除凸起段或填筑凹下段应作方案比较后确定。实在不能避免时，管顶部应设真空破坏装置，如通气阀之类。2.5.2工程总体布置 梅河支沟倒虹吸工程主要由进口段、管身段、出口段等部分组成，总长234.587m。其中进口连接段长55.00m，管身段水平投影长111.587m，出口消能防冲段长65.00m。进口段进口段总长55.00m，由护砌段、渐变段、水平连接段组成。护砌段长15.00m，底部高程122.50m，梯形断面，边坡1:2，采用M7.5浆砌石护砌，护砌段末端设0.5m高拦沙坎；梯形渐变段长20.00m，底部为斜坡式，进口与护砌段相接，出口与水平连接段相接，高程由122.50降至120.00m，底宽由20.00m渐变为16.00m，底板厚0.4m，边坡1:2，采用M7.5浆砌石护砌；。水平连接段长20.00m，底部高程120.00m，两侧采用C20混凝土圆弧挡土墙，挡土墙结构型式采用半重力式，墙顶高程125.25m，水平连接段出口与倒虹吸进口相连。管身段梅河支沟过流量变幅较大。因此，难以避免进口不淹没的工况。为此贾寨沟排水倒虹吸进口管顶高程根据地形条件及管顶埋深的要求确定为122.20m，可以满足进口顶缘在发生10年一遇洪水位时淹没深度为0.5m，从而保证进口在发生设计洪水时处于淹没状态。倒虹吸轴线与总干渠相交70°，倒虹吸水平投影总长111.587m，管身由进口斜管段、水平管段、出口斜管段三部分组成。进、出口斜管段坡度分别为1:4、1:5，与水平管相交处采用圆弧弯道相接，圆弧半径为13.50m，圆心角分别为14.04°和11.31°，斜管段管节间及斜管和水平管衔接端设齿槽，倒虹吸管身水平段管顶埋深1.5m。倒虹吸进口底板高程120.00m，水平管段管底高程110.305m，出口底板高程119.40m。管身横向为4孔钢筋混凝土箱涵结构，采用C30钢筋混凝土，2孔一联，单孔孔口尺寸为3.0m×3.0m，顶板厚50cm，底板厚55cm，边墙厚50cm，中隔墙厚40cm。为了便于施工，在管身开挖基面上铺设0.1m厚的C10素混凝土，两侧外延洞身底板0.5m，以改善地基应力分布。管身纵向设沉陷缝，以适应地基不均匀沉陷及温度变化引起的管身伸缩，缝内设止水，止水缝宽20mm，管壁采用两道651型橡胶止水带，迎水侧采用30mm厚聚硫密封胶，填缝材料采用闭孔泡沫塑料板。（3）出口段出口段总长68.00m，由消力池段、海漫段、防冲槽组成。消力池段长15.00m，宽13.62m，深1.60m，两侧为半重力式C20砼翼墙，翼墙高程123.00m；海漫段长50.00m，其中前20.00m为扭曲面，底宽由13.62m变为16.00m，底板高程121.00m；后30m为砌石防冲段，梯形断面，两岸边坡1:2.0，底板高程121.00m，为防止海漫底部遭受冲刷，在海漫末端设防冲槽，防冲槽段长9m，深2.0m。

3.稳定性验算及地基处理3.1倒虹吸管身稳定验算排水倒虹吸稳定计算主要包括：斜管段抗滑稳定计算；渠底下平管段抗浮稳定计算；管身段地基承载力验算；上下游挡土墙稳定计算。3.1.1斜管段抗滑稳定计算 倒虹吸进出口斜管段坡降分别为1:4、1:5，选取最易失稳的一段斜管进行分析，将作用于该管段的所有外力分解为平行于滑动面和垂直于滑动面的分力计算。荷载组合设计工况：倒虹无水，总干渠设计水深；校核工况1：倒虹设计流量，总干渠加大水深；校核工况2：倒虹无水，总干渠设计水深，地震。计算公式f(WcosWsin)Kyx[K]（3—1）cWsinWcoscy x式中：K——计算的抗滑稳定安全系数;cf——管底与建基面之间的滑动摩擦系数，f=0.35；——斜管段建基面水平倾角；W、W——分别为作用在管段上除基底反力以外全部作用力合力的垂直分量和水y x平分量（KN）；K——抗滑稳定安全系数允许值，设计工况取1.30，校核工况1取1.20，校核工c况2取1.10。抗滑稳定计算结果见表3－1，均满足要求。表3－1斜管段抗滑稳定计算成果表工工况计算抗滑稳定安全系数允许抗滑稳定安全系数进口斜管段出口斜管段设计工况：倒虹无水，总干渠设计水深1.401.751.30校核工况1：倒虹设计流量，总干渠加大水深1.401.751.20校核工况2：倒虹无水，总干渠设计水深，地震1.321.631.103.1.2管身抗浮稳定验算验算倒虹吸在各种工况下管身的抗浮稳定性，计算选取渠底水平管段。荷载组合设计工况：河道设计洪水（地下水位最高），渠道设计水深；校核工况1：倒虹无水（地下水位平渠底），渠道无水；校核工况2：河道校核洪水（地下水位最高），渠道设计水深。计算公式GGGKEw[K]（3—2）wW w式中：K——计算的抗浮安全系数；wK——容许抗浮安全系数，设计情况取1.10，校核情况取1.05；wG——倒虹吸管段结构自重（KN）；G——管段上方回填土石料及砌体重量，水下部分用浮容重（KN）；EG——管段内部水重（KN）；wW——管段浮托力（KN）。抗浮稳定计算结果见表3－2，均满足要求。表3－2管身抗浮稳定计算成果表工工况计算抗浮稳定安全系数允许抗浮稳定安全系数设计工况：河道设计洪水，渠道设计水深1.411.10校核工况1：倒虹无水，渠道无水1.321.05校核工况2：河道校核洪水，渠道设计水深1.411.053.1.3管身基底压应力验算 倒虹吸管身基底压应力验算主要是验算管身持力层承载能力。设计工况最不利情况为：管内有水、地下水位最低、总干渠设计水深。校核工况最不利情况为：管内有水、地下水位最低、总干渠加大水深。管段建基面压应力按下式计算： N6M N 6emax(10)（3—3）minFB2FB式中：,——分别为最大和最小基底应力，KPa；maxminN——单位长管段上全部作用力的合力，KN；M——合力N对横向中心点的弯矩，KN·m；F——管段基底面积；F＝B×1m2；e——合力N的偏心距，m。0经计算，堤下断面和渠底断面最大基底压应力分别为164.8KPa、168.5KPa。渠底断面管身基底位于第④层泥灰岩上，地基承载力标准值为300KPa，满足设计要求；堤下断面管身基底位于第②层黄土状轻壤土上，地基承载力标准值为130KPa，根据《建筑地基基础设计规范》GB5007-2002，对地基承载力进行修正，修正后的地基承载力为185.8KPa，大于计算的地基压应力，也满足设计要求。3.2挡土墙稳定计算挡土墙位于倒虹吸进、出口段，为平顺倒虹吸与上下游河道的连接而设置，根据工程布置，挡土墙高度为5.86m、4.20m，所受荷载主要有自重、水压力、土压力及地震力等。稳定计算内容包括墙体抗滑、地基压应力计算等。荷载组合设计工况：建成无水；校核工况1：墙前无水，墙后水位平最下层排水孔高程；校核工况2：墙前墙后无水，地震。抗滑稳定计算挡土墙抗滑稳定按下式计算：fGK[K]（3—4）cHc式中：K——计算的抗滑稳定安全系数;cf——墙底与建基面之间的滑动摩擦系数，f=0.35；G——全部竖向荷载之和，KN；H——全部水平向荷载之和，KN；Kc——抗滑稳定安全系数允许值，设计工况取1.25，校核工况1取1.10，校核工况2取1.05。地基承载力计算地基压应力按下式计算： N6M N 6emax(10)（3—5）minFB2FB式中：,——分别为最大和最小基底应力，（KPa）； max minN——单位长管段上全部作用力的合力，KN；M——合力N对横向中心点的弯矩，KN·m；F——管段基底面积；F＝B×1m2；e——合力N的偏心距(m)。0挡土墙稳定计算结果见表3－3，均能满足设计要求。表3-3挡土墙稳定计算成果表挡土挡土墙高计算工况抗滑稳定地基承载力地基应力不均匀系数计算安全系数允许安全系数最大地基应力KPa)(最小地基应力(KPa)平均地基应力(KPa)承载力标准值(KPa)地基应力不均匀系数计算值地基应力不均匀系数允许值m5.86设计工况1.721.25129.782.1105.9801.582.0校核工况11.351.10131.860.296.02.192.5校核工况21.491.05136.475.4105.91.812.5m4.20设计工况1.391.25101.161.681.4801.642.0校核工况11.121.10103.044.873.92.302.5校核工况21.231.05107.355.481.41.932.53.3地基处理倒虹吸进出口连接段基础均位于第①层粉细砂上，地基条件较差，承载力标准值仅80KPa，设计进行换基处理，换垫15％的水泥土，压实度不小于0.97。其它各土层均能满足设计要求，不需处理。4.结构设计4.1荷载及其组合4.1.1荷载计算 结构自重沿管身纵向取1.0m长作为计算单元进行计算，钢筋混凝土容重取25KN/m3。水重包括管内水重和上部总干渠水重。土压力土压力分为铅直土压力和侧向土压力。对于渠底下管身断面，管顶以上填土厚度较小，铅直土压力按上部土重计算，侧向土压力按静止土压力计算；对于渠堤下管身断面，铅直土压力和侧向土压力按上埋式计算土压力。上埋式填土铅直土压力公式：qkH（4—1） 土 s土式中：q——计算截面处的铅直土压力（KPa）；土k——上埋式回填土竖向压力系数；s——土的计算容重（KN/m3）；土H——管顶以上填土高度（m）。上埋式填土水平土压力计算公式：PH（4—2）Y0s1式中：P——计算截面处的水平土压力（KPa);Y——侧压力系数；0——土的计算容重（KN/m3）；0H——土顶面至计算截面处的高度（m)。1水压力包括管内水压力和管外（地下）水压力Ph（4—3）水式中：P——水压力（KPa）；——水的容重（KN/m3）；水h——作用点处压力水头（m）。扬压力扬压力为地下水形成的浮托力，包括底板底面浮托力和渗透压力。地面荷载主要为总干渠堤顶的车辆荷载，按汽车-10级计算、履带-50验算，单车行驶。根据我国《公路桥涵设计通用规范》规定，洞顶上由车辆荷载引起的竖向压力，按车辆或履带着地面积的边缘按30°角向下分布。汽车－10级荷载计算，当覆土厚度H1.8d2tg30 b时，作用在管身顶部的压力强度q按下式计算：Pq（4—4）1.8db(c1.15H)(dHtg30)2式中：c——汽车后轮胎在行车方向的着地长度，c=0.2m；d——汽车后轮胎宽度，d=0.5m；P—汽车轮压，P=50KN。履带－50荷载计算，由于拖拉机履带较长，在计算中，只考虑拖拉机横轴方向的压Ld力分布，当覆土厚度Hoc 时，作用在管身顶部的压力强度q按下式计算： 2tg30 bP q 0 （4—5） b L d(ocHtg30)22式中：L——履带横向中距，L=2.5m； oc ocP——履带单位长度上的压力，P＝56KN/m；0 0d——履带宽度，d=0.7m。地基支承反力作用于管身上的全部竖向荷载（管自重、水重、土压等）由管身下支承反力来平衡，所有竖向荷载总和与支承反力的合力相等，由此计算出支承反力。对于箱形倒虹吸管身的横向结构计算，反力假定为直线分布。地震力包括地震惯性力、地震动水压力和地震动土压力，均按《水工建筑物抗震设计规范》（SL203-97）的规定计算。本区位于7度地震区，其地震加速度采用0.1g，本建筑物为1级建筑物，只考虑水平向地震地震惯性力作用。aGaFhEii（4—6）i g式中：F——作用于质点i的水平向地震惯性力代表值；ia——水平向设计地震加速度代表值，a＝0.1g； h h——地震作用的效益折减系数，取＝0.25——集中在质点i的重力作用标准值；Eia——质点i的动态分布系数。根据《水工建筑物抗震设计规范》SL203－97水闸i部分，侧墙及底板动态分布系数为：a＝1i侧向地震动土压按下式计算：afH1gVCe（4—7） E cos2Ce1（4—8）ecos2cos1Z2cos e 1 1 esinsinZcoscose2（4—9） 1 e 2 1atg1h（4—10）e gaV式中：f——地震主动动土压力代表值；E——挡土墙面与水平面夹角；1——土表面与水平面夹角；2——土的高度；——土的重度标准值；——土的内摩擦角；——地震系数角；e——挡土墙与土之间的摩擦角；——计算系数，＝0.35a——水平向设计地震加速度代表值，a＝0.10g h ha—竖向设计地震加速度代表值，a＝2/3×0.10g v v4.1.2荷载组合和安全系数 倒虹吸管结构计算荷载组合分2种设计工况和3种校核工况，不同工况下采用不同的荷载组合，强度安全系数取值也不同，详见表4－1。表4-1排水倒虹吸管结构计算荷载组合及安全系数表工工况自重内水压力外水压力土压力地面荷载地震力I级建筑物安全系数最大裂缝宽度允许值(mm)名工况说明钢筋砼压、剪、扭拉、弯设计Ⅰ设计洪水，渠道设计水深√√√√1.701.650.2～0.3设计Ⅱ空管，渠道设计水深√√√√1.701.650.2～0.3校核Ⅰ空管，渠道设计水深，地震√√√√1.551.45×校核Ⅱ校核洪水，渠道设计水深√√√√1.551.45×校核Ⅲ空管，渠道加大水深√√√√1.551.45×4.2结构计算4.2.1内力计算方法 采用河南省水利勘测设计院所编《平面杆系结构计算程序》，用结构力学法对倒虹吸管身进行结构内力计算。计算模型以倒虹吸管横剖面沿倒虹吸轴线取单位长作为搁置在地基上的静力平衡框架，地基反力按直线分布。交叉断面处总干渠全填方渠段，渠道设计水深7m，加大水深7.632m，堤下管身断面上部填土厚6.55m，渠底下管身断面上部填土厚1.5m，堤下与渠底下管身外荷载相差较大，因此分堤下和渠底管身分别进行断面内力计算。各种工况下堤下管身和渠底管身断面结构内力计算参数分别见表4－2和表4－3。表4－2堤下断面结构计算参数表项项目校核工况Ⅲ内水压力水头(m)7.86008.650管顶填土厚度(m)6.556.556.556.556.55地面荷载/汽车－10级//汽车－10级土的容重(KN/m3)18.1418.1418.1418.1418.14凝聚力(KPa)00000摩擦角(0)2020202020地震烈度//Ⅶ//表4－3渠下断面结构计算参数表项项目校核工况Ⅲ内水压力水头(m)11.950012.740管顶填土厚度(m)1.501.501.501.501.50总干渠水深（m）77777.632土的容重(KN/m3)18.1418.1418.1418.1418.14凝聚力(KPa)0000摩擦角(0)2020202020地震烈度//Ⅶ//说明：内水压力水头以顶板内缘为基准面；5.河沟防冲设计为使倒虹吸进出口水流比较平顺，拟对倒虹上下游河道进行削坡、整平、护理，改变其原有水流条件，将洪水平顺地导入倒虹吸管，安全送往下游。梅河支沟沟道弯曲，在总干渠交叉点上游180m处有两条沟道交汇后形成梅河支沟，三条沟道形成Y字形。建筑物设计时轴线选择与总干渠中心线线呈70°交角布置，使建筑物轴线上游端正对于三条沟道的交点，致使进口水流达到最佳水流状态，但建筑物进口端距沟道交点有65m的沟道需要疏浚，下游轴线的出口端与沟道中心基本吻合，但由于现状沟道较宽，需要有20m的连接段进行连接。

6.工程观测6.1目的与要求监视梅河支沟倒虹吸的安全运行，能基本反映工程的运行状况，对工程正常运行提供支持；根据施工期监测资料，掌握施工期建筑物状况，验证施工工艺合理性，并及时反馈设计，满足建筑物施工要求，对可能发生的险情提前预报；根据长期监测资料验证设计的正确性；为以后的工程设计积累资料。6.2监测设施及布置根据总干渠工程安全监测设计原则，排水倒虹吸安全监测宜适当简化，只进行沉降和位移监测。管身进出口的水平连接段翼墙顶部布设固定标点，并在河道的两岸布设工作基点。6.3人工巡视检查人工巡视检查主要是在工程运行期进行的一项安全监测工作，对建筑物的巡视检查要做到定期定员，并做好记录，其资料需做好归档工作，对一些较重要的问题应及时向上级领导机关汇报，做到有问题及时解决，保证工程运行的安全可靠。第二部分设计计算书1.水力计算1.1管身断面确定与泄流力校验1.1.1已知条件 根据该河的流域特征，交叉断面处天然水位～流量关系按明渠均匀流进行计算。主槽糙率采用0.035，河道比降为0.017，地面高程124.00m，沟底宽20m，边坡系数2.0，下游沟底高程121.00m。总干渠与贾寨沟排水倒虹吸交叉处为全挖方渠段。总干渠设计流量285m3/s，加大流量345m3/s，相应水位分别为120.218m、120.852m。渠道断面要素为：渠底高程113.218m，渠道底宽16.5m，比降1/26000，糙率0.015，一级内边坡1:3.0，一级外边坡1:1.5，二级外边坡1:2.0；一级马道高程为122.352m,马道宽度5m；左岸防护堤高程125.95m，右岸防护堤高程123.07m，堤顶宽度为3m。总干渠运行维护道路设置在渠道右侧。排水倒虹吸断面为4孔，总管段为234.587m。单孔孔口尺寸3.0m×3.0m，50年一遇洪水下泄流量168m3/s，200年一遇洪水下泄流量196m3/s。详细见表1-1。表1-1调洪演算成果表设设计频率河流天然方案水位泄流量建筑物尺寸水位泄流量(m)(m3/s)孔数×宽(m)×高(m)(m)（m3/s）20%梅河支沟123.61764×3.0×3.0123.617610%梅河支沟124.071174×3.0×3.0124.071155%梅河支沟124.381564×3.0×3.0124.63143%2梅河支沟124.722094×3.0×3.0125.251680.5%梅河支沟125.182944×3.0×3.0126.041961.1.2计算过程首先，对下游沟道的拟定设计沟底高程121.00米，沟底宽度20米。1.1.2.1下游水位的确定 对应设计频率为2%时，则假定下游水深h为1.6m。水面Bb2kh=20+221.6=26.4(m)湿周Xb2h1k2=20+2×1.6×1+22=27.155(m)面积A0.5(bB)h=0.5（8+13.4）×1.8=37.12(m)水力半径RA/X=37.12/27.155=1.367(m) 1 11谢才系数CR1/6=1.3676=29.959 n 0.035下游流量QACRi=37.1229.9591.3670.017=170.32（m3/s）2下游流速VQ/A=170.32/37.12=4.588(m/s)2下游水位Hhh=1211.6=122.6(m) 2 1上下游水位差zHH=122.5122.6=0.1(m) 1 2式中：k为边坡值，b为沟底宽度，n为糙率0.035，i为河道比降，h为设计沟底高程。1由于下游流量与上游流量差别较大，需要重新假定下游水位，直到算得下游流量与上游流量大小相近即可。假定下游水深为1.587m,计算的下游流量为167.946m3/s,与上游流量168m3/s相近，所以设计频率为2%的下游水位为122.587m,上下游水位差为2.663m。如上可以计算出不同频率下的下游水位。整理见表1-2表1-2下游水位确定频率频率泄流量水位试算下游水深下游流量下游流速下游水位上下游水位差P1Q(m3/s)1H(m)h（m)2Q(m3/s)Vm/s)(2H(m)z(m)20%76123.6100.99876.0803.466121.9981.612%10115124.0701.272114.9554.009122.2721.7985%143124.6301.445142.9754.323122.4452.185%2168125.2501.587167.9464.567122.5872.663%0.5196126.0401.736196.0374.811122.7363.3041.1.2.2管泄流能力的确定 倒虹吸管内的水流为有压管中的恒定流，过水能力按公式（2—7）进行计算。（1）计算阻力系数以及水头损失①沿程水头损失计对于设计频率为2%的情况倒虹吸断面面积bh=33=9（m2）倒虹吸管断面湿周2(bh)=2（3+3）=12（m）倒虹吸管内流速VQ1n=41689=4.667（m/s）断面水力半径R=129=0.75（m）11谢才系数CR1/6=0.756=68.085 n 0.014沿程损失系数8g=89.81=0.017C268.0852L0.017234.587沿程阻力系数f4R=40.75=1.324沿程水头损失hV2=1.3244.6672=1.469 f f2g 式中：b为倒虹吸管身宽，h为倒虹吸管身高，n为糙率0.014，L为总管段长度2