【摘　要】   南水北调中线京石段渠段总长227.39km，本渠段布置在太行山东麓与华北平原接壤地带，地势西南高、东北低，为此需布置左岸排水建筑
物。经过对交叉河流和坡水区的水文分析与计算，结合地形与地质条件综合分析比较，优化工程布置和建筑物选型， 确保总干渠的防洪安全。
【关键词】　南水北调中线；左岸排水工程；优化；渡槽；倒虹吸；涵洞
中图分类号：TV65         文献标识码：B
1  前言
    南水北调中线工程京石段穿越海河流域的子牙河和大清河两大水系，大小交叉河流96条，坡水区31处。总干渠上游汇流面积大于20km2的河流22条，
需布置大型河渠交叉工程。流域面积小于20km2的河穿渠交叉工程以及坡水区排水工程称为左岸排水建筑物。设计洪水标准为50年一遇洪水设计，200年一
遇洪水校核，设计流量为11.5～314m3/s，校核流量16～440.7m3/s。
    左岸排水工程均采用河穿渠交叉型式。当河沟底部高程在总干渠加大水位以上时，拟定为上排水，否则为下排水。当河沟底部高程在总干渠渠底以下
能形成无压流时为排水涵洞； 当河沟底部高程在总干渠渠底附近或位于总干渠渠底与加大水位之间时，拟定为排水倒虹吸。左岸排水工程共布设105座，
其中排水渡槽22座，排水涵洞18座，排水倒虹吸65座。
2  水文
2.1  暴雨特性
    太行山前的暴雨时程分布很不均匀。从历时看有3d以内的短历时大暴雨，以及3d以上的历时长、强度大、范围广的特大暴雨。主要集中在6～9月份。
暴雨年际变化也很大，年最大24h暴雨的变差系数Cv值可达到0.6～0.8，单站年最大24h降雨量的最大值与最小值之比达8～23。3d和7d暴雨的年际变化更
为突出，有的甚至超过多年平均降水量的1～2倍。
2.2  洪水特性
    总干渠交叉河流的洪水均由暴雨形成，洪水地区分布也与暴雨一致，暴雨高值区的河流，其洪峰模数也是高值区，而背风山区和平原区河流的洪峰模
数则迅速减小。洪峰流量变差系数Cv值一般均大于1.0，暴雨中心地区河流洪峰的Cv值可高达1.5～2.0。洪量的变差系数也在1.0～1.9。多数河流均发源
于迎风山区，流域多呈扇形结构，河道源短坡陡，槽蓄能力较小， 又无水库调节，其洪水一般是尖瘦型的陡涨陡落洪水过程。一旦发生暴雨，洪水迅即
向平原汇集，而平原河道一般宽浅，纵坡平缓， 流速减慢，行洪能力低，常因不能及时下泄而漫溢决口，局部地区与相邻河流形成连片串流洪水。
2.3  设计暴雨洪水参数
    总干渠沿线区域暴雨定点定面关系分析表明，不同面积、历时、频率暴雨的点面折减系数相差不大， 可将均值的点面折减系数用于不同频率的设计
暴雨分析。
    用太行山区12个小河站35场较大暴雨洪水资料，进行了单站分析综合和地区综合，建立了汇流参数m值的经验公式：m=0.7θ0.137（θ=（））。并对
面积小于20km2的38条交叉河沟，反推其m值，绘制m～θ关系图（关系图略），与经验公式计算值进行对比，点据分布态势良好。
2.4  设计洪水
    暴雨法计算的交叉河流设计洪峰流量反算的Cv值与同区域大型水库统计法计算的设计洪峰流量Cv值的变化范围接近或一致， 由于本地区洪水特性相
似，两种途径计算的设计洪水变差系数也接近。
    用暴雨法计算的交叉河流设计洪峰模数与大型水库频率法计算的设计洪峰模数点绘比较，两种成果点据衔接融合， 收敛良好，带状分布明显。
2.5  水位流量关系及干渠左堤防洪水位
    对于天然条件下的水位流量关系，以附近水文站或铁路桥的水位流量资料作为基础，采用水力学中的非棱柱河道恒定非均匀流公式推算交叉断面水
位；无控制站的河道与坡水区起始断面水位流量关系由均匀流公式计算确定。由于特殊地形和河道发育程度不同，部分交叉河沟洪水发生出槽漫溢，互相
串流。修建总干渠后因渠道挡水，泄洪串流情况更甚。串流区洪水是由串流区内各河洪水相互串流而形成的独特汇流过程，不同于单一河道的洪水。把串
流区作为一个统计实体，以串流区对应的总干渠左堤作为总控制断面，由于互相串流的河道流域面积相对较小，采用同频率法计算串流区的设计洪水。采
用二维非恒定流数学模型推算天然条件下的水位流量关系。
3  地质条件
    本渠段地表多被第四系地层覆盖，其长度达215.49km，占渠线总长的94.7%；基岩段长度11.9km,占渠线总长的5.3%。地层岩性主要有：上太古界埠平
群南营组片麻岩；中元古界蓟县系雾迷山组白云岩，铁岭组白云岩、白云质灰岩、石英砂岩、页岩； 上元古界青白口系下马岭组页岩、粉砂岩,景儿峪组
石英砂岩、粉砂质页岩；古生界寒武系馒头组、毛庄组页岩、泥质灰岩；徐庄组页岩、泥灰岩、泥质粉砂岩、泥纹状灰岩，张夏祖灰岩；奥陶系冶里组、
亮甲山组、马家沟组灰岩；石炭系本溪组砂岩、泥岩、新生界第四系松散地层。局部出露有燕山期闪长岩、闪长玢岩、辉绿岩等侵入岩体及第四系松散岩
系。
    渠段内地下水有孔隙水、裂隙水、岩溶裂隙水三种类型。裂隙水：主要赋存于燕山期辉长岩、闪长岩， 太古界阜平群片麻岩，寒武系页岩及砂岩，
具弱～微透水性,富水性一般或较差,地下水位多在渠底以下。岩溶裂隙水： 主要赋存于白云岩、灰岩岩溶裂隙及孔洞含水层中，分布于低山丘陵区。
    左岸排水建筑物共33座建筑物位于地震基本烈度Ⅶ度区，地震动峰值加速度为0.15g。72座建筑物位于地震基本烈度Ⅵ度区,地震动峰值加速度为0.05
～0.10g。
4  建筑物类型
    根据河沟底高程、洪水位与总干渠渠底高程、渠水位的相互关系分设为渡槽、倒虹吸和涵洞3种类型。 河沟底和坡水区地面高程高于总干渠加大水位
2.0m以上者，采用排水渡槽；河沟底高程低于总干渠渠底3m以上时，采用排水涵洞；不宜采用上述两类排水建筑物时，建排水倒虹吸。左岸排水建筑物设
计流量大于100m3/s的24座， 小于100m3/s的81座。曲逆南支排水涵洞设计流量最大为314m3/s，校核流量为440.7m3/s，上游水库跨坝流量715.5m3/s。蒲
王庄沟排水渡槽设计流量最小为11.5m3/s，校核流量15.4m3/s。
5  建筑物布置
    在排水建筑物布置中，轴线与总干渠中心线交叉形式有正交和斜交两种。位于坡水区的建筑物轴线，一般与总干渠中心线正交布置，对具有明显水流
趋势的，顺水流方向布置。对总干渠正交河沟上的建筑物采用正交布置，对总干渠斜交河沟上的建筑物进行了正交和斜交两种布置方案的比较。通过对建
筑物轴线布置、优化进出口结构型式以及工程量等方面综合分析，确定正交布置的建筑物有57座，斜交48座，采用斜交布置的建筑物中有倒虹吸27座，涵
洞13座，渡槽8座，其交角均大于55°。
5.1  孔口尺寸确定
    建筑物孔口尺寸需满足常遇洪水下不恶化当地防洪、除涝条件，并考虑管内流速、下游消能工及交通要求等因素综合确定。排水建筑物水力计算时将
天然水位～流量关系曲线做为建筑物出口处水位～流量关系曲线，推求出建筑物上游水位。建筑物进口设计水位即为设计洪水调洪的最高水位。根据各频
率洪水的调算结果，综合比较选择合理方案。
5.2  进出口布置
    排水建筑物进口不设拦污栅、工作闸门、检修闸门。排水倒虹吸进口段布置拦推移质设施，防止或减少管内淤积。
    建筑物进出口采用混凝土重力式圆弧导流墙或八字墙与河沟边坡连接。对于坡水区大、中型排水倒虹吸进出口体形，参照水工模型试验成果，采用扭
曲面接大扩散边坡式。小型排水倒虹吸采用圆弧导流墙扩散，当排水建筑物出口底高程高地下游河床底高程时，采用斜坡与下游河床连接。
5.3  流冰段排水渡槽
    流冰渠段的排水渡槽梁底高程高于总干渠加大水位0.75以上布置。一级马道为总干渠管理维护交通通道,梁底高于路面4m,不能满足时，另设跨槽公路
桥。排水渡槽尽量采用较大跨度，有交通要求的一级马道路面宽度内不设槽墩。
5.4  排水倒虹吸和涵洞布置
    坡水区建筑物轴线布置，一般与总干渠中心线正交布置，对具有明显水流趋势的， 顺水流方向布置。排水涵洞轴线布置，一般顺河沟走向布置，为
方便清淤,倒虹吸管身和涵洞洞身的高度和宽度均不小于2.0m。为避免建筑物出口造成冲刷或设置过大消能工，适当控制倒虹吸管内流速，低标准洪水一
般为1.0～2.0m/s，设计洪水标准3.0～4.0m/s， 校核洪水标准6.0m/s左右，涵洞出口最大流速控制在7.0m/s左右。倒虹吸和涵洞进出口导墙顶部平台和
总干渠外坡采用浆砌石防护，防护高度为校核洪水位以上0.25～0.3m。
    为满足总干渠渠底防渗和结构布置要求，管顶在总干渠底部以下最小埋深为1.3m。并要求渠底以下建筑物两侧各延伸10m宽范围内回填粘性土，干容
重16.5kN/m3，压实度0.98。
6  工程设计
6.1  排水倒虹吸和排水涵洞
    本渠段共设排水倒虹吸65座，涵洞18座。设计条件下排水倒虹吸过水能力为18.4～288.2m3/s,其中过水能力大于等于100m3/s的16座；小于100m3/s的
49座。排水涵洞过水能力为23.2～314m3/s，其过水能力大于等于100m3/s的6座；小于100m3/s的12座。
    排水倒虹吸和排水涵洞主要有管身段和进出口渐变段组成。管身（洞身）断面均为钢筋混凝土箱形结构，单孔过水断面最大尺寸4.0m×4.0m，最小尺
寸2.0m×2.0m，孔数为1～9孔，组合形式为1孔一联、2孔一联和3孔一联。沿管身（洞身）轴线按规范要求，每10～15m设置一道横向沉陷缝，分缝处设截
渗环并设双层橡胶止水带。排水倒虹吸管身水平段长10～70m，顶板以上填土厚为1.3m。进口斜管段长10～44m，出口斜管段长0～42m，其最小坡比为1：
4。排水涵洞洞身长75～130m。为保护总干渠外坡坡脚，减少建筑物总长度，排水倒虹吸和排水涵洞进、出口管顶均设置挡土墙，挡土墙高度一般不超过
2m。
6.2  排水渡槽
    本渠段共设排水渡槽22座，设计情况下过水能力为11.5～184.8m3/s，其中过水能力大于等于100m3/s的2座；小于100m3/s的20座。
    排水渡槽上部槽身为矩形断面，槽数1～5槽，单槽宽5～20m，侧墙高0.8～2.75m，单跨长度为15～28m，槽身总长度24～125m。槽身为多侧墙和多纵
梁预应力混凝土结构。渡槽基础，广利渠坡水区排水渡槽等4座建筑物为钻孔灌注桩基础，其它渡槽均为扩大基础。进出口连接段采用钢筋混凝土落地矩
形槽，进口连接段长8～26m，出口连接段长8～26m。为保证总干渠堤顶维护公路的畅通，本渠段有14座排水渡槽设置了跨槽交通桥，跨槽交通桥均布置
在进、出口连接段上。
6.3  消能防冲设计
    对105座建筑物均进行了消能防冲计算。其中有11座排水涵洞和13座排水渡槽设置了消力池。为防止大流量时对下游河床冲刷，结合下游河道治理，
建筑物出口段均采用浆砌石和干砌石防护，防护长度一般为10～80m，厚0.4～0.5m，并对河沟进行局部治理、修整、平顺，长50～70m。
6.4  建筑物结构设计
    建筑物孔口尺寸由水利计算确定。排水倒虹吸和排水涵洞横向结构计算采用结构力学法。排水倒虹吸按进口斜管段、水平管身段和出口斜管段分别计
算；排水涵洞分别对渠底下洞身段和渠堤下洞身段采用弹性地基上的框架进行结构计算。
    排水渡槽槽身为多侧墙和多纵梁预应力混凝土结构，采用结构力学法，按平面问题处理。多侧墙结构，底板沿槽身纵向每隔2～2.5m设一横向联系
梁，底板按四边固结板计算，并沿槽身纵向按多跨连续梁进行复核。 多纵梁结构矩形槽侧墙按悬臂梁计算内力。两种结构纵向均按简支梁计算。
6.5  地基处理
    本渠段共有38座排水倒虹吸和17座排水涵洞地基压应力采取了地基补修措施。根据不同地质情况分别采用换基、夯 、水泥拌合桩和振冲碎石桩等措
施。4座建筑物开挖边坡高度大于10m，且下部多为全、强风化基岩，为确保边坡稳定采取了加固措施。
7  结语
    中小型河道防洪治理基础工作薄弱，防御洪水能力低，源短流急， 洪水陡涨陡落，对总干渠的影响较大。通过对交叉河流和坡水区的水文分析和计
算，结合地形与地质条件综合分析比较，优化了工程布置和建筑物型式，确保了总干渠的防洪安全。