输水管道穿南水北调总干渠方案研究

外加防护箱涵 .
关键词：南水北调； 总干渠； 管道桥； 倒虹吸
中图分类号：U 652.7+2
文献标识码：A
Research on Water Pipeline Crossing the Main Channel of South－to－North Water Transfer Project Scheme
3. China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China）
Abstract: According to the design technology standard of South－to－North Water Transfer Project main channel， the construction of water pipeline crossing the main channel will not occupy the water head of main channel． Based on the relationship among the bottom elevations of water pipeline and main channel，and the design water line， pipeline bridge upon the channel and the inverted siphon under the bottom of channel have been considered． After the comprehensive analysis and comparison on technology，economy，and construction etc，the inverted siphon under the bottom of channel with the protective box culvert outside has been used for the construction of water pipeline when crossing the main channel． Key words: South－to－North Water Transfer； main channel； pipeline bridge； inverted siphon
下承式预应力桁架拱结构是由两榀桁架和上、下横系梁组成复合钢架，管身支承于钢架上，其特点是钢 架本身为高次超静定空间结构，但每跨仍为简支梁式结构；复合钢架的整体刚度比较大，其主要组成部分桁 架拱又具有拱的特性，能充分发挥上弦杆混凝土的抗压特点，从而以较小的构件尺寸承受较大的荷载，增大 跨度，满足设计要求；整体结构自重轻，能适用于承载力较差的地基；可预制拼装，逐步完成，施工方便，外形 美观 . 因此渠上跨越型式选用下承式桁架拱结构 . 2．2 方案二：渠底倒虹吸 输水管道穿越总干渠，管身承受的水压力和土压力都比较大，为保证管道运行安 全，考虑钢管外直接包封混凝土和钢管外加防护结构两种工程措施 .
3 方案比较
输水管道穿越总干渠均为压力管道，无论是选用管道桥从渠上跨越，还是选用倒虹吸从渠底穿越，在技 术上均可行 . 下面以 16＃ 分水口门向禹州市神垕镇输水管道穿总干渠工程为例，渠上管道桥采用下承式桁 架拱结构，渠底倒虹吸采用钢管外加防护结构，通过工程布置及投资预算，从经济上进行方案比较 . 3．1 管道桥工程 管桥上部为预应力混凝土下承式桁架拱结构，桁架拱轴线为二次抛物线，拱轴线矢高 16 m， 跨径 80 m，节间距 4．0 m，矢跨比 1/5 . 拱肋及系梁为 C 50 预应力混凝土结构，肋拱截面（宽×高）为 1．2 m× 1．6 m，系梁截面为 1．2 m×1．3 m . 肋拱与系梁间的竖杆采用带 PSE 保护层的平行钢丝成品索 . 两榀桁架间 上、下横梁为 C 40 钢筋混凝土结构，截面尺寸为 0．6 m×0．8 m . 桁架与桥台之间设盆式橡胶支座，共设 2 套 4 个支座，一套固定，一套活动 . 输水管道采用钢管，管径为 DN 800，通过管托固定于管桥下横梁上 . 为平 衡温度应力，两端布置为斜管，并在管桥跨中布置限位伸缩节 . 为了便于管道检修和维护，在管道两侧布置 人行桥 . 桥台下部为实体墩支承、钻孔灌注桩基础 . 桥台为 C 30 钢筋混凝土，实体墩和灌注桩均采用 C 25 钢筋混凝土 .墩下布置两排钻孔灌注桩，共 4 根，桩径 1．6 m，桩长 21 m . 管道桥纵剖面详见图 1 .
2.0
20# 新郑国际机场提水管线 1400 118.81 114.65
121.65
123.65
20.0
2.5
23# 郑州市常庄水库提水管线 2000 117.56 112.70
119.70
121.25
19.5
2.0
36# 鹤壁市金山水厂提水管线 1000 94.40
88.54
95.54
97.45
13.5
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河南科学
第 30 卷 第 2 期
图 1 管道桥纵剖面示意图 Fig．1 Longitudinal profile of pipe bridge
3．2 倒虹吸工程 倒虹吸轴线与总干渠中心线成正交，进出口分别位于总干渠防护围栏以外 . 管身由进口 斜管段、水平管段、出口斜管段三部分组成，其水平投影长度分别为 44、27、40 m，总长 111 m；进、出口斜管 段坡度均为 1∶6，与水平管相交处采用圆弧弯道相接，圆弧半径为 12．0 m，圆心角均为 6°，水平段涵顶埋深 1．5 m，斜管段管节间及斜管和水平管衔接端设齿槽和沉陷缝 . 倒虹吸钢管外加箱涵防护结构，箱涵进口底 板高程 121．778 m，水平段涵底高程 114．761 m，出口底板高程 121．226，进出口分别与阀门井衔接，便于管理维 修. 钢管外箱涵防护结构采用 C 25 钢筋混凝土，箱涵孔口尺寸（宽×高）为 3．0 m×2．5 m . 为了便于施工，在 管身开挖基面上铺设 C 10 混凝土，两侧外延洞身底板 0．1 m，以改善地基应力分布 . 倒虹吸纵剖面示意图详 见图 2 .
钢管外直接包封混凝土，结构简单，施工方便，投资省，但从总干渠安全运行考虑，因小流量时管内水流 挟气会导致管身震动较大，影响总干渠渠道衬砌的稳定性，而且管道一旦出现问题，维护或更换管道都将影 响到总干渠的正常输水；钢管外加防护结构，由于钢管与防护结构之间留有空间，可避免倒虹吸管身震动对 总干渠渠道衬砌的影响，同时也便于管道运行维护与管理，因此渠底穿越选用钢管外加防护结构 .
根据南水北调总干渠总体设计技术规定，输水管道穿越总干渠，其穿越建筑物不占用总干渠水头，根据 输水管道管底高程、总干渠渠底高程及设计水位的相互关系，穿越建筑物型式可选用渠上管道桥和渠底倒 虹吸，通过技术、经济、施工等方案论证后，选用合理的穿越方案 . 穿越处总干渠设计参数见表 1[2] .
收稿日期: 2011-12-15 基金项目: 国家重点项目：南水北调工程 作者简介: 李菊先（1962－），女，河南济源人，高级工程师，长期从事南水北调工程的设计研究工作.
摘 要：根据南水北调总干渠总体设计技术规定：输水管道穿越总干渠，其穿越建筑物不占用总干渠水头 . 为满足
总体设计要求，根据输水管道管底高程、总干渠渠底高程及设计水位的相互关系，考虑了渠上管道桥和渠底倒虹吸
两种穿越方案，通过技术、经济、施工等综合分析比较，确定输水管道穿总干渠建筑物型式为渠底倒虹吸，倒虹吸管
方案投资比较详见表 2 .
方案
方案一 方案二
表 2 方案投资比较表
Tab．2 Comparison of investment plans
建筑物形式
结构型式
防护结构尺寸 穿越长度/m 管道直径/mm （/ 宽×高 m）
管道桥 倒虹吸
下承式桁架拱 钢管外加箱涵防护
122.21 111.00
DN800 DN800
1 工程概况
南水北调中线一期工程多年平均调水量为 95 亿 m3，其中河南省城市年分配水量为 29．94 亿 m3[1] . 河南 省南水北调总干渠共设置城市分水口门 38 处，分别向 11 座省辖市、7 座县级市、25 座县城以及 3 区 1 镇和 郑州新郑航空港供水 . 根据城市受水目标布局，供水配套工程共布置输水线路总长 961．58 km，沿程穿越南 水北调总干渠 6 处，河沟、灌渠 171 处，公路、铁路 327 处[2] .
2012 年 2 月
李菊先等：输水管道穿南水北调总干渠方案研究
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表 1 输水管道穿越总干渠设计参数
Tab．1 Design parameters of water pipeline through main channel
口门 编号
输水管线名称
管道 管中心
穿越处总干渠设计参数
直径/mm 高程/m 渠底高程/m 设计水位/m 一级马道高程/m 渠底宽度/m 一级边坡系数
2.5
2 设计方案
2．1 方案一：渠上管道桥 输水管道跨越总干渠可采用的结构型式很多，结合总干渠总体设计技术规定及 跨越处总干渠设计断面，选择受力简单、适应跨度大、投资小的自承式钢管和下承式桁架拱两种结构型式进 行分析 .
自承式钢管跨越结构在给排水工程的输水管道和管网设计中应用广泛，特别是在给水管道中更是常用 的优选结构型式 . 它具有跨越跨度大、避免水下开挖施工、充分利用钢管强度高的力学性能、节省投资、维 修方便等优点 . 但管道穿越总干渠受渠道水头限制，跨越结构在渠内不得布置桥墩；为不影响总干渠管理 维护交通通道，边墩应置于一级马道外侧，且梁底应高于路面 4 m 以上 . 基于以上原因，输水管道跨越总干 渠，其单跨跨度一般在 80 m 左右，而根据国家建筑标准，管径 DN 2000 以下的自承式平直形架空钢管，其最 大单跨不超过 30 m，圆弧形架空钢管最大单跨可达到 80 m，但适用管径均在 DN 1000 以下，因此自承式架 空钢管不能完全满足设计要求 .
5# 南阳市兰营水库提水管线 1200 139.02 134.11
141.61
140.11
22.0
2.0
16# 禹州市神垕镇提水管线 800 122.54 119.26
126.26
127.75
24.5
2.0
19# 新郑市区水厂输水管线 1800 122.10 116.06
123.06
124.53
23.5
ห้องสมุดไป่ตู้
宽 2.5 3×2.5
工程投资 （/ 万元） 280.40 178.94
单位投资 （/ 万元/m）
2.29 1.61
4 结论
综合分析方案一和方案二，两方案在技术上均可行，都能满足供水要求，方案二比方案一节省投资 36．2％. 考虑到方案一桁架拱跨度大，矢高大，须现场预制拼装，施工吊装难度大，投资大，方案二钢管外加防护箱涵， 混凝土可现场浇筑，施工简单，便于管理，在节省投资上也占优势，因此输水管道穿南水北调总干渠，穿越建 筑物型式选用方案二，即渠底倒虹吸，倒虹吸管身外加防护箱涵 .
第 30 卷 第 2 期 2012 年 2 月
文章编号：1004-3918（2012）02-0214-03
河南科学 HENAN SCIENCE
Vol.30 No.2 Feb. 2012
输水管道穿南水北调总干渠方案研究
李菊先 1， 马俊青 1， 刘长垠 2， 侯丽娜 3
（1. 河南省水利勘测设计研究有限公司，郑州 450016； 2. 河南省水利宣传中心，郑州 450003； 3. 中国水利水电科学研究院，北京 100038）
Li Juxian1， Ma Junqing1， Liu Changyin2， Hou Lina3
（1． Henan Water ＆ Power Engineering Consulting Co．，Ltd.，Zhengzhou 450016，China； 2． Henan Water Resources Publicity Centre，Zhengzhou 450003，China；
图 2 倒虹吸纵剖面示意图 Fig．2 Longitudinal profile of inverted siphon
3．3 投资预算 根据以上工程布置，经投资预算，方案一总投资 280．40 万元，每延米投资 2．29 万元；方案二
总投资 178．94 万元，每延米投资 1．61 万元；方案一比方案二投资大 101．46 万元，每延米投资大 0．68 万元 .