S水利工程總干渠吉利溝排水倒虹吸設計目錄TOC\o"1-2"\h\u119S水利工程總干渠吉利溝排水倒虹吸設計 126564摘要 140631、進一步鞏固加深所學的基礎理論、基本技能和專業知識； 222837第1章工程概況 2259041.1概述 2170181.2工程建設的必要性 4151981.3工程任務及規模 58478第2章水文氣象介紹 6139582.1氣候 6149812.2徑流 7228672.3水質 722074第3章地質條件 816693.1地質概況 9101943.2工程地質條件及評價 1030668第4章吉利溝左岸排水倒虹吸總體布置 12196934.1建筑物軸線 1372474.2管身斷面型式 13102524.3倒虹吸埋深確定 1393684.4管身斷面設計 14264624.5工程布置 2328350第5章吉利溝左岸排水倒虹吸穩定性驗算 24160515.1管身段抗浮穩定 25238145.2斜管段抗滑穩定 26220595.3地基承載力校核 27128755.4擋墻穩定計算 2915214第6章吉利溝左岸排水倒虹吸結構設計 32109926.1荷載及其組合和安全系數 32208286.2內力計算方法、組合及參數 32323036.3內力計算結果 33232026.4主要構件的配筋計算 33摘要河南省西霞院水利樞紐輸水及灌區工程是國務院第48次常務會議確定的172項節水供水重大工程之一，也是河南省近期計劃實施的10項重大水利工程之一。本工程開發任務是為新建西霞院灌區提供農業灌溉用水，同時為人民勝利渠、武嘉及大功灌區農業灌溉補水，提升區域水資源配置能力，保障區域供水安全和糧食安全，并為改善生態環境、黃河與南水北調中線工程連通和補水創造有利條件。吉利溝主要任務是承接吉利村生活污水排放，兼顧承擔汛期部分城區及吉利村地表雨水行洪排澇等功能。本次設計為西霞院水利樞紐輸水與灌區工程總干渠吉利溝排水倒虹吸設計。本設計主要進行水力設計和穩定性驗算，以水面連接、泄流能力、管身段抗浮穩定、斜管段抗滑穩定、地基承載力校核展開分析計算。本次設計的主要目的是：1、進一步鞏固加深所學的基礎理論、基本技能和專業知識；2、在設計中培養獨立工作、獨立思考并運用所學知識解決實際工程技術問題的能力；3、加強我們計算、CAD制圖、編輯設計文件、正確使用規范手冊等基本工作的實際能力培養；4、幫助我們樹立起嚴謹、負責、實事求是、刻苦鉆研、勇于探索并具有創新意識及與他人合作的工作作風。本次設計主要通過對西霞院工程總干渠吉利溝的水文氣象、地形地貌等情況的分析，來確定總干渠吉利溝的地質條件，根據吉利溝工程的總體布置、斷面形式等進行左岸排水倒虹吸相關的水力計算，進而通過穩定性驗算檢查設計的合理性。關鍵詞：左岸排水倒虹吸；水力設計；穩定驗算第1章工程概況1.1概述河南省西霞院水利樞紐輸水及灌區工程是國務院第48次常務會議確定的172項節水供水重大工程之一，也是河南省近期計劃實施的10項重大水利工程之一，工程納入了《全國新增1000億斤糧食生產能力規劃》、《河南糧食生產核心區建設規劃（2008－2020年）》和《中原城市群發展規劃》，項目建設對保障區域糧食穩產增產和國家糧食安全，支撐中原城市群高質量發展，構建黃河北岸清水走廊，改善區域水生態環境，服務國家戰略水源布局具有十分重要的意義。西霞院水利樞紐輸水及灌區工程從洛陽市吉利區西霞院工程壩下北岸已建灌溉閘引水，通過新建一條自西向東長114.283km的輸水總干渠，在為上游新建西霞院灌區供水的同時，將供水保證率較高的黃河水引調至人民勝利渠總干渠。渠道沿線在與老武嘉干渠、共產主義渠及武嘉總干渠交叉處均設置分水口門，分水后通過與干渠交叉的武嘉總干渠、人民勝利渠總干渠以及人民勝利渠灌區東三干渠、北分干、南分干和新開挖的連接大功灌區的連通工程為因現狀引黃口門引水能力下降而缺水嚴重的人民勝利渠灌區、武嘉灌區和大功灌區補水，補源面積140.1萬畝，其中，人民勝利渠灌區55.1萬畝，武嘉36.0萬畝，大功灌區49.0萬畝。工程分為輸水工程、灌區工程和連通大功灌區工程三部分。吉利溝倒虹吸位于洛陽市吉利區里村南約1.4km，吉利鄉養魚場內，與輸水工程總干渠垂直交叉。場區附近有澗西溝沿渠道路與鄉村道路，交通較便利。倒虹吸與總干渠交叉處設計樁號X7+528.8，管身段底板高程約108.564m，進口斜管段底板高程115.692m～108.564m，設計坡比1：5，出口斜管段底板高程109.10m～117.11m，設計坡比1：5，建筑物長178m。根據《灌溉與排水工程設計標準》（GB50288-2018）及《灌溉與排水渠系建筑物設計規范》（SL482-2011）確定倒虹吸建筑物級別，總干渠吉利溝排水倒虹吸建筑物級別為3級，防洪標準為30年一遇設計。排水倒虹吸主要工程技術參數見下表建筑物名稱樁號流量（30年）孔數孔口尺寸建筑物性質吉利溝XZ7+528.82413m×3m左排吉利溝現狀如圖所示：1.2工程建設的必要性西霞院灌區范圍內現狀水資源短缺，輸水工程補源的武嘉、人民勝利渠及大功灌區現狀引黃閘由于黃河主槽下切引水能力下降嚴重，即使改造引黃涵閘也不能完全解決灌溉用水需求。河南省西霞院水利樞紐輸水及灌區工程年引黃總量2.13億立方米，發展灌溉面積31.18萬畝，為下游武嘉、人民勝利渠及武嘉灌區補源140.1萬畝，同時形成豫北引黃清水走廊，改善區域水生態環境，破解日益突出的水資源供給瓶頸，工程建設具有重要作用。是加快中原經濟區和河南省糧食生產核心區建設、發展現代化農業、提高糧食綜合生產能力、保障國家糧食安全戰略的需要：（1）是恢復灌區引水能力，提高供水安全水平的有力措施（2）是豫北現代農業建設的首要條件（3）工程建設對實現《全國新增1000億斤糧食生產能力規劃（2009-2020年）》和《河南糧食生產核心區建設規劃（2010-2020年）》具有重要作用。（4）是支撐中原城市群高質量發展的需要。是增加抗旱能力、提高農業生產力，全面小康社會建設的需要（1）改善區域水資源條件，提高灌區供水保證率和抗旱能力（2）改善區域農業生產條件，助力區域特色農產品及其產業化發展，支撐全面建設小康社會。是改善區域水生態環境，提升水生態文明建設水平的需要（1）落實地下水超采綜合治理，改善地下水生態環境（2）退還被擠占的河道生態環境用水，為流域生態建設奠定基礎。四、是充分發揮治黃工程綜合效益，構建黃河北岸輸水走廊，提升區域水資源配置能力的需要（1）充分發揮小浪底、西霞院水庫樞紐及已建引黃灌區工程的綜合效益（2）構建黃河北岸清水走廊，優化區域水資源配置（3）創造向南水北調中線工程應急供水的有利工程條件。1.3工程任務及規模一、本工程開發任務是為新建西霞院灌區提供農業灌溉用水，同時為人民勝利渠、武嘉及大功灌區農業灌溉補水，提升區域水資源配置能力，保障區域供水安全和糧食安全，并為改善生態環境、黃河與南水北調中線工程連通和補水創造有利條件。河南省西霞院水利樞紐輸水及灌區工程發展西霞灌區31.18萬畝，為因引黃能力降低而缺水嚴重的已建140.1萬畝引黃灌區補水，其中為人民勝利渠灌區補源灌溉面積55.1萬畝，為武嘉灌區補源面積36萬畝，為大功灌區補源面積49萬畝。為此，需要在充分利用已有工程體系的基礎上，建設連接西霞院水庫樞紐至下游補水區的輸水工程，同時配套西霞院灌區內的灌排渠系及建筑物。本工程建成后，可恢復下游補水灌區的引水能力，提供其供水保障水平，支撐區域社會經濟發展，同時可提高豫北地區應對特大型、連續抗旱能力和突發應急供水能力，有助于壓采地下水和退還擠占的河流生態水，有效保障國家糧食安全和改善區域生態環境。另外，可作為一項應急備用水源工程，具備提水向南水北調中線工程黃河以北干渠應急補水的條件，從而進一步保障北京、天津等重點地區用水安全。二、西霞院水利樞紐及灌區工程主要為主要通過建設從西霞院水庫引水的輸水渠道，將供水保證率高的黃河水引入西霞院灌區，解決孟州、溫縣及武陟縣黃河灘區嚴重缺水現狀，改善灌區生產、生活條件和生態環境，促進項目區經濟良性循環發展有顯著效果。同時，通過渠系連通工程為下游的人民勝利渠灌區、武嘉灌區以及大功灌區補水灌溉。另外，可作為一項應急備用水源工程，具備向南水北調一期工程黃河以北干渠應急補水的條件，從而進一步保障河北及北京用水安全。因此，本工程供水范圍包括西霞院灌區、人民勝利渠灌區、武嘉灌區、大功灌區。必要時，遠期供水范圍還可覆蓋華北南水北調一期所控制范圍。通過水資源優化調度，在形成南北調配、東西互濟、豐枯互補的中原水網的同時，該工程可成為黃河與京津甚至整個華北地區水資源配置的連接紐帶，成為將河南打造成為華北地區水資源配置戰略樞紐的關鍵工程。第2章水文氣象介紹2.1氣候工程段黃河流域為溫帶和副熱帶季風區，屬半干旱氣候，冬季受蒙古高壓控制，盛行偏北風，氣候干燥嚴寒，降雨稀少。夏季西太平洋副熱帶高壓增強，暖濕的海洋氣團進入流于境內，蒙古高壓漸往北移，冷暖氣團相遇，多集中降水，多為鋒面雨和氣旋雨。項目區四季分明，日照充足，適宜于農、林、牧、漁各業發展。總特點是：春季溫暖多風，夏季炎熱多雨，秋季天高氣爽，冬季寒冷少雪。2.2徑流根據《黃河小浪底水利樞紐配套工程——西霞院反調節水庫初步設計報告》，西霞院水庫天然徑流采用1919～1998年系列，壩址多年平均天然徑流量約508億m３，其中汛期7～10月為296億m３，占58.3%，非汛期212億m３，占41.4%。保證率95%、75%、50%、25%的年水量分別為363億m３、435億m３、497億m３和617億m３。與1919年7月～1975年6月56年天然徑流系列成果506.8億m３較為接近。根據《小浪底水利樞紐初步設計報告》第二卷第二篇水文氣象中的成果，三門峽站1919~1974年共五十六年系列的天然年徑流量為501.8億m3，P=50%天然徑流量為477.4億m3，P=95%年多年平均天然徑流量為254.9億m3。根據國務院批復的《黃河流域綜合規劃（2012～2030年）》和《黃河流域水資源綜合規劃》成果，按照1956年～2000年系列計算，黃河流域現狀下墊面條件下多年平均天然徑流量為534.8億m3（以利津斷面統計），小浪底水庫入庫站三門峽站多年平均天然來水量482.7億m3（一致性處理后）。小浪底水庫多年平均天然徑流量減少了將近20億m3。黃河流域水資源綜合規劃根據未來降雨特性、下墊面等條件的變化情況，對黃河流域水資源量未來變化趨勢進行預測，預測2030年全流域徑流量將比目前減少20億m3。西霞院水庫作為小浪底水利樞紐的反調節水庫，其來水主要受小浪底水庫控制。本次初設，西霞院水庫多年平均天然來水量根據已批復的《黃河流域水資源綜合規劃》分析成果，采用小浪底水庫天然來水成果482.7億m3。2.3水質根據《河南省水資源》調查評價結果，西霞院水庫水質符合地表水Ⅲ類標準，可以滿足生活、工業、農業用水水質要求。項目區地表水體天然徑流水質基本良好。其水質特性受土壤巖性影響，同時也受降雨和蒸發的影響。因年降水量較小，河川徑流量小，蒸發量大，水體濃縮，河水礦化度與總硬度較高。由于人類的生活生產活動的原因，區內除部分地表水水質符合工農業用水標準外，大部分排洪用季節性河流水質較差，不能利用。地下水大部分地區總硬度和礦化度低，水質適于生活及工農業生產用水。陽離子的變化主要受巖層的化學成份控制。沉積巖類區含鈣多，不缺碘；巖漿巖分布區鈉鎂含量高，而含碘少。地下水溶解易溶鹽，經徑流富集，到達前緣地帶地下水變淺，徑流滯緩，地面蒸發等垂直交替作用，使鹽分濃縮，導使地下水化學類型由重碳酸型過渡到重碳酸、重硫酸和氯化物型，礦化度由低變高，水質由淡水變成微咸水和半咸水。第3章地質條件吉利溝倒虹吸位于洛陽市吉利區里村南約1.4Km，吉利鄉養魚場內，與總干渠垂直交叉。場區附近有澗西溝沿渠道路與鄉村道路，交通較便利。倒虹吸與總干渠交叉處設計樁號X7+512.1，管身段底板高程約109.1m，進口斜管段底板高程115.11m～109.10m，設計坡比1：5，出口斜管段底板高程109.10m～117.11m，設計坡比1：5，建筑物長168m。3.1地質概況3.1.1地形地貌場區地貌單元屬黃河漫灘，附近多魚塘。吉利溝底寬約3m，頂寬7m左右，深2.3m左右，吉利溝溝底高程114.1m左右，近南北流向。溝兩側地面高程121.20~122.14m，魚塘底部高程117.96~119.31m，吉利溝與澗西溝交匯于擬建吉利溝倒虹吸南約108m處。3.1.2地層巖性勘探深度30m范圍內，場區地層為第四系全新統沖積物，巖性主要由砂壤土、粉細砂和卵石構成，具上細下粗的二元結構特征，共分3個土體單元。由老至新敘述如下：第③層卵石（Q2al4）：褐黃色、暗紫色、灰白色，圓~次圓狀，中密狀，成份主要為石英砂巖，次為石英砂、安山巖等，含量為60%～80%，砂質充填，局部砂質含量較高，卵石粒徑一般3-10cm，個別達15cm，分選一般。該層在鉆探過程中漏漿嚴重，推測為極強透水層。第②層粉砂（Q2al4）：淺褐黃色，稍濕，稍密~中密狀，礦物成分主要為長石和石英，少量暗色礦物，砂質不均，局部含有礫石。第①層砂壤土（Q2al4）：黃色，干，松散狀，土質不均，見大量白色蝸牛殼碎片，含少量礫石。人工填土（QS）：淺褐灰色、褐黃色，干，主要為砂壤土，含植物根系。主要分布在溝邊地表。3.1.3地震動參數場區位于洛陽市吉利區，根據《中國地震動峰值加速度區劃圖》（GB18306-2015），場區地震動峰值加速度0.10g，相當于地震基本烈度=7\*ROMANVII度。3.1.4水文地質條件場區地下水為第四系松散層孔隙潛水，主要賦存于第四系粉砂及卵石層中，地下水位埋深2.16~2.46m，高程117.2~117.5m。地下水主要接受大氣降水補給，排泄為蒸發、人工開采和側向逕流。勘察期間取樣做室內滲透試驗，由試驗結果可知：砂壤土、粉砂層具中等透水性，卵石層具極強透水性。場區地下水化學類型為HCO33.2工程地質條件及評價3.2.1地質結構場區地質結構為砂卵石二元結構，具有上細下粗沉積規律。根據巖土特征結合建筑物布置，自上而下分別為。人工填土（QS）：該層分布在地表，厚度0.2～1.0m；第①層砂壤土（Q2al4）：層厚2.5～3.5m，層底高程為116.25～117.65m；第②層粉砂（Q2al4）：層厚2.8～4.2m，層底高程為115.15～116.75m；第③層卵石（Q2al4）：該層分布在場區下部，該層未揭穿，揭露最大厚度為24.6m。3.2.2各土體單元物理力學性質各土體單元的物理、力學指標試驗成果原位測試成果如下：第①層砂壤土，標準貫入擊數范圍值6～9擊，平均值8擊，為稍密狀；第②層粉砂，標準貫入擊數范圍值13～30擊，平均值20擊，為稍密～中密狀；第③層卵石，重探擊數范圍值16～18擊，平均值17擊，中密狀。根據現場原位測試、室內試驗成果及鄰近工程資料，經工程類比、分析后，提出各土體單元的力學指標建議值見3.2.2.1。表3.2.2.1各土體單元物理、力學性指標建議值表土體單元編號土名（成因、時代）天然含水量天然干密度土粒比重孔隙比飽快固快壓縮系數壓縮模量滲透系數承載力標準值基礎與地基土間摩擦系數粘聚力內摩擦角粘聚力內摩擦角wGseCφCφα1-2Eskfkf%g/cm3kPa°kPa°MPa-1MPacm/skPa①（Q2al4）20.01.422.700.9266206220.325.651.7E-3800.26②（Q2al4）224(水上）23(水下）7.7E-3950.38③卵石（Q2al4）032(水上）27(水下）2.03000.513.2.3主要工程地質問題根據場區地質情況，結合建筑物布置，場地主要存在地震液化問題、施工邊坡穩定問題和施工降排水問題。=1\*GB2⑴地震液化問題工程場區地震動峰值加速度為0.10g，地震基本烈度為Ⅶ度。第四系全新統少粘性土及砂層多呈中密狀，存在地震液化問題。根據渠線資料第①層砂壤土和第②層粉砂存在地震液化問題。=2\*GB2⑵施工邊坡穩定問題施工開挖臨時邊坡高約2-10m，組成邊坡巖性主要為新近沉積的砂壤土及粉細砂層，抗沖刷能力較差，存在抗沖穩定問題，建議臨時坡比建議為1:1.75～1:2.25。=3\*GB2⑶施工降排水問題勘察期間測得地下水位埋深2.16~2.46m，高程117.2~117.5m。地下水位位于建基面之上，存在施工降排水問題。粉砂具中等透水性，卵石具極強透水性，含水層厚度大，補給豐富。根據場區水文地質條件，建議采取管井降水，必要時可設置止水帷幕隔斷補水來源。降水過程中應密切監測周邊環境，防止應降水引起流砂、管涌等滲透變形、岸坡失穩、地面沉降等次生災害。3.2.4工程地質評價場區地層結構為砂礫雙層結構，上部地層主要由人工填土、第①層砂壤土和第②層粉砂組成，下部地層主要為第③層卵石，各層土物理力學參數建議值見表3.2.2.1。設計倒虹吸管身段底板高程約109.1m，進口斜管段底板高程115.11m～109.10m，出口斜管段底板高程109.10m～117.11m。進出口斜管段建基面位于第=2\*GB3②層粉砂和第③層卵石中，管身段建基面均位于第③層卵石中。第=2\*GB3②層粉砂呈稍密～中密狀，承載力標準值為95kPa，強度偏低，第③層卵石呈稍密～中密狀，承載力標準值為300kPa，具低壓縮性，強度相對較高，強度滿足設計要求。同時上述兩層變形指標差異較大，存在不均勻沉降問題。第=2\*GB3②層粉砂具中等透水性、第=3\*GB3③層卵石具極強透水性，場區還存在建筑物底板滲漏問題場區地下水位較高，且建筑物底板為極強透水層，水位變富較大，存在抗浮問題。施工開挖臨時邊坡高度最高約10m，且部分為水下邊坡，建議采用復式邊坡。另外工程場區還存在砂土地震液化問題和施工降排水問題，均應采取相應處理措施。第4章吉利溝左岸排水倒虹吸總體布置吉利溝位于吉利區吉利街道里村南約1.4Km，吉利鄉養魚場內，與總干渠垂直交叉，北起吉利東路與吉利南路交匯處，流經吉利村、里村南與澗西溝交匯，全長2.1km，流域面積1.25km2。吉利溝主要任務是承接吉利村生活污水排放，兼顧承擔汛期部分城區及吉利村地表雨水行洪排澇等功能。場區附近有澗西溝沿渠道路與鄉村道路，交通較便利。倒虹吸與總干渠交叉處設計樁號X7+512.1，管身段底板高程約109.1m，進口斜管段底板高程115.11m～109.10m，設計坡比1：5，出口斜管段底板高程109.10m～117.11m，設計坡比1：5，建筑物長168m。4.1建筑物軸線建筑物軸線選定：軸線一般順河道走勢布置，不強行與總干渠中心線正交，以求得進出口有較好的流態，保持河岸穩定，提高泄流能力。對無溝形、無明顯溝形或寬淺河溝，有條件采取正交的，則采取建筑物軸線與總干渠中心線正交，使建筑物長度最短，工程量最省。吉利溝位于總干渠設計樁號XZ7+528.800處，吉利溝在與總干渠相交處，河道中心線與總干渠中心線交角角度近似為69.08°，沿河道中心線順直布置倒虹吸。4.2管身斷面型式通過對各種頻率下的設計洪水過程進行調節計算，分析確定滿足左岸滯蓄水位的下泄流量和孔口尺寸。洪水調節以常遇洪水下不惡化當地防洪、除澇條件為主要原則，在不造成危害或損失的情況下進行計算。倒虹吸管身常用的斷面形狀有圓形、箱形和直墻正反拱形。圓形管道與同樣過水面積的箱形、拱形管道相比，水流條件好、過水能力大，受力條件好，但施工工藝復雜，尤其多孔結構施工難度大，施工周期長；箱形管道可做成單孔和多孔一聯，結構型式簡單，施工方便，整體性好，利于檢修和清淤；直墻正、反拱形介于圓形、箱形兩者之間，且對溫度變化及不均勻沉陷反應較敏感。經綜合比較，采用箱形管身斷面型式。4.3倒虹吸埋深確定倒虹吸埋深設計時，需考慮河道沖刷、工程地質條件、工程布置、工程量以及工程安全等因素，經綜合分析確定。河道沖刷計算采用洪水標準取30年一遇，相應設計洪水流量為24m3非黏性土河槽一般沖刷深度按下式計算：

h式中：?p?mc?cBcQc——河槽部分通過的設計流量（mE——與汛期含沙量有關的系數，取E=0.66；A——單寬流量集中系數，計算公式為：

A=BdH——造床流量時的平均水深（m）；dc經計算，河槽一般沖刷最大水深2.75m，沖刷線底高程119.47m；最大沖深1.53m。根據《灌溉與排水工程設計標準》（GB50288－2018），倒虹吸應埋入河道設計洪水沖刷線0.5m以下。根據河道沖刷計算成果，即考慮沖刷因素的管頂高程最淺為123.15m，另外，吉利溝渠倒虹所在渠段為深挖方段，考慮小流量時的進口淹沒情況，經綜合分析確定河槽段水平管管頂高程為112.06m，埋深為6.244m。4.4管身斷面設計4.4.1進、出口漸變段長度確定為了盡量減少水頭損失，使漸變段水流平順，對于上、下游渠道為梯形斷面的倒虹吸進、出口漸變段宜采用直線扭曲面型式，根據《灌溉與排水工程設計標準》（GB50288-2018）相關要求，進口漸變段長度宜取上游渠道設計水深的3倍～5倍，出口漸變段長度宜取下游渠道設計水深的4倍～6倍，吉利溝渠倒虹所在渠段上游水深2.8m，下游水深2.1m，根據上述原則確定進、出口漸變段長度分別為20m、20m。4.4.2進、出口淹沒度計算根據《灌溉與排水工程設計標準》（GB50288-2018）中相關要求，“倒虹吸需確保通過不同流量時管道進口均處于淹沒狀態”，為保證倒虹吸進口在設計條件下的淹沒進流狀態，分別考慮設計流量、小流量下的淹沒情況，設計流量根據建筑物所屬渠段相應選取，小流量根據輸水總干渠實際輸水情況，采用最小流量Q=7m3S=式中：S——最小淹沒深度（m）；C——系數，對稱水流取0.55，邊界復雜和側向水流取0.73；V——閘孔斷面平均流速（m/s）；d——閘孔高度（m）。根據倒虹吸布置情況，設計流量下進口實際淹沒深度為3m，最小淹沒深度允許值為2.264m；小流量下進口實際淹沒深度為0.41m，最小淹沒深度允許值為0.29m，均可滿足相關要求。4.4.3水力計算排水倒虹吸水力計算時將天然水位～流量關系曲線作為建筑物出口水位～流量關系曲線，推求出建筑物上游水位。倒虹吸進口設計水位即為設計調洪的最高水位。擬定若干孔口尺寸及進口高程，根據各頻率洪水的調算結果，綜合比較選擇合理方案。①水面連接計算建筑物上下游水頭損失按下列公式計算：△Z=△Z1+△Z2-△Z3式中：△Z——總水頭損失（水面總落差）；△Z1——進口連接段的水面跌落值；△Z2——管身段的水頭損失；△Z3——出口連接段的水面回升值。a）△Z1的計算忽略沿程水頭損失，則?式中:ζ進——進口漸變段水頭損失系數，一般可采用0.1～0.2，此處采用0.2V2——進口連接段末端的斷面平均流速；V1——進口連接段首端的斷面平均流速；b）△Z3的計算?式中:ζ出——出口漸變段水頭損失系數，一般可采用0.2～0.3V3V4c）△Z2?式中:V2——進口連接段末端的斷面平均流速；V3——出口連接段首端的斷面平均流速；?f?式中：L——管長，為從進水口至出水口之間各管段的長度之和；C——謝才系數，

C=1n·R——水力半徑；V——管內流速。?j?式中：K進口K彎折K出口5年一遇洪水：Q=12m3/s建筑物長度管高H=3m管數N=1上游渠道水深?1=1.966m,流速下游渠道水深?2=1.842m,流速進口管頂局部損失系數ζ1=0.1進口損失系數彎道損失系數ζ2=0.05管內流速V=Q/NBH=1.333m/s進口連接段末端的斷面平均流速V出口連接段首端的斷面平均流速V3水力半徑R=A/χ=（3×3）/（2×6）=0.75重力加速度g=9.81m/s2謝才系數

C=沿程水頭損失

?f=2gLC可以得到進口連接段的水面跌落值ΔZ1即總水頭損失ΔZ=0.162m10年一遇洪水：Q=16m3/s建筑物長度管高H=3m管數N=1上游渠道水深?1=2.19m,流速下游渠道水深?2=1.897m,流速進口管頂局部損失系數ζ1=0.1進口損失系數彎道損失系數ζ2=0.05管內流速V=Q/NBH=1.778m/s進口連接段末端的斷面平均流速V出口連接段首端的斷面平均流速V3水力半徑R=A/χ=（3×3）/（2×6）=0.75重力加速度g=10.81m/s2謝才系數

C=沿程水頭損失

?f=2gLC可以得到進口連接段的水面跌落值ΔZ1即總水頭損失ΔZ=0.236m20年一遇洪水：Q=21m3/s建筑物長度管高H=3m管數N=1上游渠道水深?1=2.625m,流速下游渠道水深?2=1.981m,流速進口管頂局部損失系數ζ1=0.1進口損失系數彎道損失系數ζ2=0.05管內流速V=Q/NBH=2.333m/s進口連接段末端的斷面平均流速V出口連接段首端的斷面平均流速V3水力半徑R=A/χ=（3×3）/（2×6）=0.75重力加速度g=11.81m/s2謝才系數

C=沿程水頭損失

?f=2gLC可以得到進口連接段的水面跌落值Δ即總水頭損失ΔZ=0.275m30年一遇洪水：Q=24m3/s建筑物長度管高H=3m管數N=1上游渠道水深?1=2.83m,流速下游渠道水深?2=2.082m,流速進口管頂局部損失系數ζ1=0.1進口損失系數彎道損失系數ζ2=0.05管內流速V=Q/NBH=2.667m/s進口連接段末端的斷面平均流速V出口連接段首端的斷面平均流速V3水力半徑R=A/χ=（3×3）/（2×6）=0.75重力加速度g=12.81m/s2謝才系數

C=沿程水頭損失

?f=2gLC可以得到進口連接段的水面跌落值Δ即總水頭損失ΔZ=0.300m50年一遇洪水：Q=28m3/s建筑物長度管高H=3m管數N=1上游渠道水深?1=2.98m,流速下游渠道水深?2=2.1m,流速進口管頂局部損失系數ζ1=0.1進口損失系數彎道損失系數ζ2=0.05管內流速V=Q/NBH=3.111m/s進口連接段末端的斷面平均流速V出口連接段首端的斷面平均流速V3水力半徑R=A/χ=（3×3）/（2×6）=0.75重力加速度g=13.81m/s2謝才系數

C=沿程水頭損失

?f=2gL可以得到進口連接段的水面跌落值ΔZ1=0.282m，管身段水頭損失即總水頭損失ΔZ=0.373m②泄流能力計算倒虹吸管內的水流為壓力管流，過水能力按壓力管道水力計算公式計算Q=式中：Q——管道過水流量（m3/s）；——過水斷面面積（m2）；△Z2——管身段的水頭損失；——流量系數，

μ=ξf——沿程阻力系數，

l——管道長度（）；ξj——局部阻力系數，本工程設計洪水為30年一遇，因此泄流能力計算也是按照三十年一遇洪水計算。由此可以得到管身段水頭損失?Z2=0.228m重力加速度g=12.81m2/s過水斷面面積局部阻力系數ξj沿程阻力系數

ξ則流量系數

μ從而算得泄流能力Q=0.945×0.014×1.766×2×12.81×0.228=0.056m③倒虹吸出口下游溝道水位推算按明渠均勻流公式Q=ωcRi和曼寧公式C=1式中：Q——溝道過流量（m3/s）；——過水斷面面積（m2）；R——水力半徑（m）；n——溝道糙率，取0.035；i——溝道比降。R=A/χ=（3×3）/（2×6）=0.75

C==πR進口處溝道比降為0.002，出口處溝道比降為0.001則通過計算可以得出：Q=ωcRi=1.766×27.234×0.75×0.001=1.3174.4.4管身斷面確定吉利溝倒虹吸的管身斷面比較了4個方案，選擇方案3：1孔3.0m×3.0m。本工程上游無村莊，地面高程分別為121.30m，5年一遇泄流量12m3/s，上游水位為122.03m，30年一遇泄流量24m3/s，上游水位為122.81m。方案一工程后，5年一遇工程后水位壅高0.401m，上游水位為122.704m,30年一遇工程后水位壅高2.20m，上游水位為125.01m。方案二工程后，5年一遇工程后水位壅高0.21m，上游水位為122.24m,30年一遇工程后水位壅高1.01m，上游水位為123.82m。方案三工程后，5年一遇工程后水位壅高0.09m，上游水位為122.12m,30年一遇工程后水位壅高0.35m，上游水位為123.16m。方案四工程后，5年一遇工程后水位壅高0.04m，上游水位為122.07m,30年一遇工程后水位壅高0.17m，上游水位為123.25m。方案一與方案二工程后，水位雍高均較高，易導致上游地面淹沒。方案四工程后，水位雍高合適，但孔徑較大，造價較高。因此在經過比較后，選擇方案三。洪水調節計算成果見表4.4.2-1。表4.4.2-1工程方案比選洪水調算成果表方案孔口尺寸(孔數-寬×高）（m×m）5年一遇10年一遇20年一遇30年一遇50年一遇水位(m）流量(m3/s）水位(m）流量(m3/s）水位(m）流量(m3/s）水位(m）流量(m3/s）水位(m）流量(m3/s）天然122.0312122.3316122.6521122.8124123.0228方案11-2.0×2.0122.70412123.6316124.7521125.0124125.3228方案21-2.5×2.5122.2412122.7016123.3821123.8224124.4628方案31-3.0×3.0122.1212122.4916122.9121123.1624123.5528方案41-3.5×3.5122.0712122.4016122.7821122.9824123.25284.5工程布置吉利溝排水倒虹吸工程主要由進口連接段、管身段、出口連接段等部分組成，總長168.0m。其中進口連接段長42.0m，管身段長84.0m，出口連接段長42.00m。進口連接段總長42.0m，由護砌段、漸變段、水平段組成。護砌段長10.0m，由C25混凝土護砌；護砌段后接漸變段，漸變段長20.0m，進口漸變段為圓弧墻連接段兼進口斜坡段為河道邊坡與倒虹吸進口直墻的平順連接部分，圓弧墻采用半重力式、懸壁式擋土墻，圓弧墻內側設貼坡，底寬由2.0m漸變為3.5m，漸變段擋墻采用C25混凝土擋墻；漸變段后靠近倒虹吸進口設置12.0m長水平段，漸變段設置半重力式擋墻。倒虹吸中心線與總干渠中心線斜交，交角69.08°，水平投影總長60.0m，管身由進口斜管段、水平管身段和出口斜管段三部分組成，其中進口管段水平投影長24.0m，進口斜管段坡度為1:5，水平管身段長12m，出口管段水平投影長24.00m，出口斜管段坡度為1:5。管身在開挖基面上平鋪0.1m厚的C15素混凝土，再澆筑管身。管身由一孔3.0m×3.0m的鋼筋混凝土箱涵構成，邊墻厚0.6m，底板厚度0.6m，頂板厚度0.6m，倒虹吸管身段混凝土強度等級均采用C30。倒虹吸管采用分段現澆，相鄰兩段之間設伸縮沉降縫，縫內設止水，以適應建筑物因溫度變化引起的變形和地基不均勻沉陷的影響。伸縮沉降縫縫寬20mm，管壁內設兩道橡膠止水帶，內側采用30mm厚密封膠，填縫材料采用閉孔泡沫塑料板。出口連接段總長42.0m，由水平段、漸變段、護砌段組成。倒虹吸出口斜管段后接10.0m長水平段，水平段設置懸臂式擋墻；水平段后接漸變段，漸變段長20.0m，出口漸變段為圓弧墻連接段兼出口斜坡段為河道邊坡與倒虹吸出口直墻的平順連接部分，圓弧墻采用半重力式、懸壁式擋土墻，圓弧墻內側設貼坡，底寬由2.0m漸變為3.5m，漸變段擋墻為C25混凝土；漸變段后為護砌段，護砌段長12.0m，由C25混凝土護砌。第5章吉利溝左岸排水倒虹吸穩定性驗算穩定性計算包括管身段穩定性驗算及進出口擋土墻穩定驗算。管身穩定計算包括管身段抗浮穩定、斜管段抗滑穩定、地基承載力校核和地基穩定性驗算。擋墻穩定計算內容包括墻體抗滑、地基壓應力計算等。對不滿足承載力要求的地基進行相應的處理。5.1管身段抗浮穩定主要驗算水平段倒虹吸管在管內及總干渠均無水、地下水作用下的穩定性。按下式計算:

K式中：KW[KWG——倒虹吸管段結構自重（kN）；GEGW——管段內部水重，當管內無水時，GW——管段浮托力，當管段外水位等于或高于管頂時，為管段同體積的水重；當管段外水位低于管頂時，W為建基面上的揚壓力（kN）。表5.1.1管身抗浮計算工況及荷載組合表計算工況荷載自重土重水重外水壓力基本組合渠道無水，河道設計洪水√√√特殊組合渠道無水，河道校核洪水（考慮管頂埋土沖刷）√√√管段基本參數：計算管段管身方量V=88.8m3管身容重γ容=倒虹吸管順水流長度L=12m單聯倒虹吸孔數n=1單孔凈高H=3m單孔凈寬B=3m頂板厚度b1=0.5m底板厚度b2=0.6m邊墻厚度中墻厚度b4=0.5m管頂均有填土，填土位于水下覆土濕容重γ覆土浮容重γ'=10KN/m3覆土厚度?覆可以得到倒虹吸管段結構自重G=V·γ容回填土石料及砌體重量GE=γ'?覆L·n·B+2基本組合工況下：管身頂部水位高程114.74m,管身底板底部高程111.4m,管身底板底部算起的水深h=3.34m管段浮托力W=m[n·B+2·b3+(n-1)·b可以得到：K抗浮安全系數大于設計情況下的容許抗浮安全系數，所以管身段符合抗浮穩定特殊組合工況下：管身頂部水位高程114.74m,管身底板底部高程108.76m,管身底板底部算起的水深h=5.98m管段浮托力W=m[n·B+2·b3+(n-1)·bK抗浮安全系數大于校核情況下的容許抗浮安全系數，所以管身段符合抗浮穩定5.2斜管段抗滑穩定計算工況：設計工況1：河道設計洪水，渠道設計水深設計工況2：河道無水，總干渠無水校核工況1：河道無水，渠道設計水深，地震表5.2.1管身斜管段抗滑穩定計算工況及荷載組合表計算工況荷載自重土重水重外水壓力地震基本組合1河道設計洪水，渠道設計水深√√√基本組合2河道無水，總干渠無水√√特殊組合渠道設計水位、河道設計引水位、地震√√√√√計算公式：斜管段抗滑穩定按下式計算

K式中：Kcf——管底與建基面之間的滑動摩擦系數，取f=0.35；θSYMBOL97\f"Symbol"——斜管段傾斜角度；P——所有外力分解為垂直于滑動（斜）面的分力，P=Fsinθ；H——所有外力分解為平行于滑動（斜）面的分力，H=Fcosθ；m——斜管段坡度，取m=5；Kc設計工況下：KC=1.75>1.25=校核工況下：KC=1.64>1.05=通過以上計算，基本組合管身抗浮安全系數計算值為1.75，特殊組合管身抗浮安全系數為1.64，管身抗浮均可滿足設計要求，計算結果見下表。表5.2.1抗滑穩定計算結果倒虹吸名稱工況計算抗滑穩定安全系數允許抗滑穩定安全系數吉利溝左岸排水倒虹吸設計工況1：河道設計洪水，渠道設計水深1.751.25設計工況2：河道無水，總干渠無水1.751.25校核工況：河道無從水，渠道設計水深，地震1.641.055.3地基承載力校核管段建基面壓應力按下式計算：

σ=G+GEG——倒虹吸管段結構自重（kN）；GEGW——管段內部水重，當管內無水時，GL——倒虹吸管順水流長度；n——單聯倒虹吸孔數，取1；H——單孔凈高（m）；b1b2由管段基本參數以及上覆土層情況：計算管段管身方量V=88.8m3管身容重γ容=25KN/m3倒虹吸聯數m=1倒虹吸管順水流長度單聯倒虹吸孔數n=1單孔凈高H=3m單孔凈寬B=3m頂板厚度b1=0.5m底板厚度b2=0.6m邊墻厚度b3=0.5m中墻厚度b4=0.5m管頂均有填土，填土位于水上覆土濕容重γ=19.5KN/m3覆土浮容重可以得到：回填土石料及砌體重量GE=γ'?覆L·n·B+2·b3+(n?1)·b基底應力σ根據倒虹吸地基承載力計算成果，當管身地基壓應力大于地基基礎的標準承載力時，根據基礎寬度和埋深對承載力進行修正。地基承載力修正值按照《建筑地基基礎設計規范》進行修正。f式中：fafakηb、ηd——基礎寬度和埋深的地基承載力修正系數，按基底下土的類別取值，按土查表取γ基礎底面以下土的重度，取浮容重γ＝10kN/m3γm基礎底面以上土的平均重度，取浮容重γm＝19.6kN/b基礎底面寬度，小于3m按3m取值，大于6m按6m取值；d基礎底面的埋置深度；渠道倒虹吸管身承載力計算成果表見表5.3.1。表5.3.1--倒虹吸管身承載力計算成果表名稱管身段建基面所處地層管身段最大基底應力（kPa）地基允許應力（kPa）備注吉利溝左岸排水倒虹吸卵石153.5300滿足要求經計算，典型斷面管身基底應力為153.5KPa，基礎持力土層為③層卵石層，承載力為300KPa，可滿足設計要求，無需地基處理。5.4擋墻穩定計算選取進口水平段擋墻進行穩定計算，擋墻底高程115.11m，頂部高程121.80m，墻體凈高6.69m。計算工況：根據《水工擋土墻設計規范》（SL379-2007），典型計算斷面按基本荷載組合和特殊荷載組合進行計算，選取以下四種計算工況。基本組合：工況1：完建期，墻前無水，墻后地下水位。工況2：渠道過設計流量，墻前設計水位。特殊組合：工況3：墻前無水，墻后2m水深（水位驟降）。工況4：墻前設計水位，墻后地下水位，地震。墻身材料為C25鋼筋砼，墻后填土，濕容重為19.6kN/m3，浮容重為10.5kN/m3根據《水工擋土墻設計規范》（SL379-2007），土基上的擋土墻穩定可按下列公式。抗滑穩定計算公式：

K式中：KcKc——容許抗滑穩定安全系數，基本荷