通航建筑物

第8章　通航建筑物及渠系建筑物

【学习指导】

目标：掌握常用通航建筑物及渠系建筑物的功能、组成、类型及适用条件；理解设计内容和构造要点；了解通航建筑物、倒虹吸管、涵洞、跌水等基本设计计算及结构选择。

重点：通航建筑物及渠系建筑物的功能、组成、类型、适用条件及结构选择。

水利枢纽中将方便船只、鱼类通过而设置的建筑物称为过坝建筑物。渠系建筑物则主要指的是农田水利工程中大量使用的水工建筑物，主要包括渠道、渡槽、倒虹吸、涵洞、跌水等。简要介绍如下。

8.1　通航建筑物

用于克服集中水位落差或地形障碍而升降或通过船舶的水工设施又称通航建筑物。通航建筑物一般在下列情况下修建：①通航的河道被拦水坝、闸截断后，影响航运；②渠化的河道上形成了集中落差，妨碍航运。

通航建筑物一般分为船闸和升船机两类。前者利用水力将船只浮送过坝，通航能力大，应用最广，后者利用机械将船只升送过坝，耗水量少，一次提升高度大。本章侧重介绍前者。

8.1.1　船闸

（1）船闸的组成

船闸一般由闸室，上、下游闸首、引航道等基本部分组成，如图8.1所示。

1）闸室

闸室是船闸的主要组成部分，是供船队临时停泊的场所。主要由闸底板、闸墙组成。由上、下游的闸门与上、下游引航道隔开。

为保证过坝（闸）船只的安全，闸墙上须设系船柱或系船环。

2）上、下游闸首

其作用是将闸室与上、下游引航道隔开。利用闸门使闸室内维持上游或下游水位，方便船只通过。闸首内设有工作闸门、检修闸门（若是人字门，还需设门龛）、输水系统、控制阀门、启闭机系统，此外还可设交通桥及其他辅助设备。

图8.1　船闸示意图

1—闸室；2—上闸首；3—下闸首，4—闸门；5—阀门；6—输水廊道；
7—门龛；8—检修门槽；9—上游引航道；10—下游引航道

图8.2　船闸实例

3）引航道

引航道是为了保证过闸船只顺利通过，连接闸室与主航道的一段航道，分上、下游设置，并设有导航及靠船建筑物。

（2）船闸工作原理

船只过坝的工作原理是利用输水设备使闸室内水位依次与上、下游齐平，使船只顺利从上游到下游，或从下游到上游，如图8.3所示。

图8.3　船只工作原理示意图

具体过程如下：

①上行船只过闸时，首先通过下游输水设备将闸室内水位泄放到与下游水位齐平，如图8.3（a）所示。

②开启下游闸门，船只驶入闸室后关闭下游闸门，如图8.3（b）所示。

③由上游输水设备向闸室充水，至闸室水面与上游水位齐平，如图8.3（c）所示。

④开启上游闸门，船队离开闸室上行，如图8.3（d）所示。

若有船只下行，则需先关闭上游闸门，将闸室内水位泄放到与下游水位齐平后，再开启下游闸门，让船只下行。

（3）船闸类型

1）按船闸级数分

①单级船闸。适用于水头15～20m以内，过闸时间短、设备集中，管理方便，如图8.1所示。

②多级船闸。适用于高水头情况，将船闸按水头分为若干级，逐级建造船闸，如图8.4所示。

图8.4　船只工作原理示意图

1—闸门；2—帷墙；3—闸墙顶

2）按船闸的线数分

①单线船闸。只设一条通航船闸。

②多线船闸。设有两条或两条以上的通航船闸，如图8.5所示。

3）按闸室形式分

①广厢式船闸。适用于小型船只过坝，如图8.6所示。

②井式船闸。适用于水头高，且地基良好的情况，在下游闸首建胸墙，减小闸门高度，墙下留足过闸船只所需净空高度，如图8.7所示。

图8.5　三峡双线五级船闸

图8.6　广厢船闸平面图

图8.7　井式船闸纵剖面图

1—闸室；2—胸墙；3—平面闸门；4—人字闸门

③具有中间闸首的船闸。适用于过闸船只数量、大小不均一的情况，可在上、下游闸首间建一中间闸首，将闸室分为前、后两部分。当过单船时，只用上、中闸室。将下闸室打开成为下游引航道的一部分，过船队时，不用中闸首。前后闸室同时作为一个闸室使用，既可节省过闸用水量，又可减少过闸时间，如图8.8所示。

图8.8　具有中间闸首的船闸

1—中间闸首；2，3—上、下闸首；4，5—前、后闸室

8.1.2　升船机

升船机又称“举船机”，是利用机械装置升降船舶以克服航道上集中水位落差的通航建筑物，由承船厢、支承导向结构、驱动装置、事故装置等组成，如图8.9、图8.10所示。

图8.9　升船机外观模型

图8.10　垂直升船机实景

船只上行时，从下游引航道驶入承船厢，关闭闸门和下游端厢门后，泄去这两门之间缝隙内的水体，松开承船厢与下闸首的拉紧和密封装置，在驱动装置作用下，承船厢上升并停靠于上闸首对接的位置；松开承船厢与上闸首间的拉紧和密封装置，给闸门之间空隙内灌水；开启上闸首的工作闸门及承船厢上游端的船厢门，船只即驶进上游引航道。下行时，则相反。

（1）组成

升船机主要组成部分为：

①承船厢，用于装载船舶。

②垂直支架或斜坡道，用于运载承船厢。

③控制装置，驱动或制动，操纵升船机的运行。

（2）工作原理

船舶自下游河段向上游河段的提升过程是：通过控制系统启动机械传动机构，使承船厢停放在厢中水位与下游水位相齐平的位置，开启厢门和连接建筑物的闸门，船舶进入承船厢，关闭闸门和厢门，将承船厢升至厢内水位与上游水位相齐平的位置，开启厢门与连接建筑物的闸门，船舶自承船厢驶入上游引航道。船舶自上游河段下降至下游河段，按上述程序反向进行。

船舶在升降过程中的支承方式有干运和湿运两种。干运是船舶停放在不盛水的承船架或承船车上；湿运是船舶载于盛水的承船厢内。干运比湿运可减少升船机传动机构的功率，但对船体受力不利。

（3）类型

1）垂直升船机

垂直升船机有提升式、平衡重式和浮筒式。

①提升式。类似于桥式起重机，用起重机提升过坝，由于提升动力大，只适用于提升中、小型船舶，如图8.10所示。

②平衡重式升船机，利用平衡重来平衡船厢的重量，运行原理与电梯相似。安全可靠，通过能力较大，但技术复杂，钢材耗用量大，如图8.11所示。

③浮筒式升船机，利用浮筒的浮力来平衡升船机活动部分的重量。电动机仅用来克服运动系统的阻力和惯性力，工作可靠，系统简单，但提升高度不能太大，如图8.12所示。

图8.11　平衡重式垂直升船机剖面图

1—承船厢；2—传动机械；3—平衡铊；4—钢索；5—钢排架

图8.12　浮筒式升船机

1—船厢；2—船厢导向柱；3—浮筒；4—竖井；5—上游闸门；6—下游闸门

2）斜面升船机

将船舶置于承船厢内，沿着铺在斜面上的轨道升降，运送船舶过坝。斜面升船机由承船厢、斜坡轨道及卷扬机等设备组成，如图8.13所示。

图8.13　斜面升船机示意图

1—船舶；2—轨道；3—承船厢；4—上闸首；5—下闸首

我国在中小河流上修建斜面升船机的较多，可干运和湿运，但是过船吨位很小，一般为15～20t，较大的如丹江口为150t，湖南柘溪水电站的斜面升船机为300t。

8.2　渠系建筑物

渠系建筑物又称灌区配套建筑物。为了安全输水，合理配水，精确量水，以达到灌溉、排水及其他用水目的而在渠道上修建的水工建筑物，统称渠系建筑物。在农田水利工程建设中，蓄水、引水等枢纽工程，只有与渠系工程配套使用，才能达到兴利的目的，故渠系建筑物又称灌区配套建筑物。灌区工程配套是挖掘现有灌溉设施潜力、发挥工程效益的重要措施。分为：

①渠道。人工开挖或填筑的水道，用来输送水流以满足灌溉、排水、通航或发电等需要。一个灌区内灌溉或排水渠道，一般分干、支、斗、农4级构成渠道系统，简称渠系。

②调节及配水建筑物。渠道中用以调节水位和分配流量的建筑物称为调节及配水建筑物，如节制闸、分水闸、斗门等。

③交叉建筑物。输送渠道水流穿过山梁和跨越或穿越溪谷、河流、渠道、道路时修建的建筑物，分平交建筑物和立交建筑物两大类。前者为渠道与另一水道相交处具有共同流床的交叉建筑物，适用于两水道底部高程相近的情况。常用的平交建筑有水闸、倒虹吸管等。后者为渠道与天然或人工障碍在不同高程上相交时，在渠道上修建的建筑物，适用于两者高程相差较大的情况。常用的立交建筑物有渡槽、倒虹吸管、涵洞、隧洞等。

④落差建筑物。渠道在地面落差集中或坡度陡峻地段所修建的连接上下游段，或在泄水与退水建筑物中连接渠道与河、沟、库、塘的连接建筑物称为落差建筑物，如跌水、陡坡、跌井等。

⑤渠道泄水及退水建筑物。为了防止渠道水流由于超越允许最高水位而酿成决堤事故，保护危险渠段及重要建筑物安全，放空渠水以进行渠道和建筑物维修等目的所修建的建筑物称为渠道泄水及退水建筑物，如溢流埝、泄水闸、排洪槽、虹吸泄水道、退水闸等。

⑥冲沙和沉沙建筑物。为了防止和减少渠道淤积而在渠首或渠系中设置的冲沙和沉沙设施称为冲沙和沉沙建筑物，如沉沙池、冲沙闸等。

⑦量水建筑物。为了按用水计划准确而合理地向各级渠道和田间输配水量，并为合理征收水费提供依据，在渠系上设置的各种量水设施称为量水建筑物。

⑧专门建筑物及安全设施。为服务于某一专门目的而在渠道上修建的建筑物称专门建筑物，如通航渠道上的船闸、码头、船坞，利用渠道落差修建的水电站和水力加工站等。安全设施是指为防止、阻拦人畜等进入渠道或使其落入渠道的人畜脱离危险的设施，如安全防护栏等。

渠系建筑物的形式选择，主要根据灌区规划要求、工程任务，并全面考虑地形、地质、建筑材料、施工条件、运用管理、安全经济等各种因素后进行比较确定。

本章主要介绍渡槽、倒虹吸管、涵洞、跌水与陡坡。

8.2.1　渡槽

渡槽又称高架渠、输水桥，是一组由桥梁，隧道或沟渠构成的输水系统。通常架设于山谷、洼地、河流之上，用于通水、通行和通航。用来把远处的水引到水量不足的城镇、农村以供饮用和灌溉，如图8.14所示。

图8.14　拱式渡槽实景

（1）渡槽常见形式与组成

渡槽常见的形式有梁式和拱式，如图8.15所示。

图8.15　常见形式的渡槽

1—进口段；2—出口段；3—槽身；4—伸缩缝；5—排架；6—支墩；7—渠道；
8—重力式槽台；9—槽墩；10—边墩；11—砌石板拱；12—肋拱；13—拱座

渡槽由进出口段、槽身、支承结构和基础等部分组成。

①进出口。包括进出口渐变段、与两岸渠道连接的槽台、挡土墙等。其作用是使槽内水流与渠道水流平顺衔接，减小水头损失并防止冲刷，如图8.16所示。

②槽身。主要起输水作用。槽身横断面形式有矩形、梯形、U形、半椭圆形和抛物线形等，常用矩形和U形。横断面的形式与尺寸主要根据水力计算、材料、施工方法及支承结构形式等条件选定。也有的渡槽将槽身与支承结构结合为一体。

图8.16　拱式渡槽进出口实景

③支承结构。其作用是将支承结构以上的荷载通过它传给基础，再传至地基。

④基础。为渡槽下部结构，其作用是将渡槽的全部重量传给地基。

（2）渡槽的总体布置

渡槽总体布置的主要内容包括槽址选择、形式选择、进出口布置、基础布置。

渡槽总体布置的基本要求是：流量、水位满足灌区需要；槽身长度短，基础、岸坡稳定，结构选型合理；进出口顺直通畅，避免填方接头；少占农田，交通方便，就地取材等。

总体布置的步骤一般是先根据规划阶段初选槽址和设计任务，在一定范围内进行调查和勘探工作，取得较为全面的地形、地质、水文气象、建筑材料、交通要求、施工条件、运用管理要求等基本资料，然后在全面分析基本资料的基础上，按照总体布置的基本要求，提出几个布置方案，经过技术经济比较，选择最优方案。

1）槽址选择

选择槽址时，一般需考虑以下几个方面：

①应结合渠道线路布置，尽量利用有利的地形、地质条件，以缩短槽身长度，减少基础工程量，降低墩架高度。

②槽轴线力求短直，进出口要避免急转弯，并力求布置在挖方渠道上。

③跨越河流的渡槽，槽轴线应与河道水流方向正交，槽址应位于河床及岸坡稳定、水流顺直的地段，避免选在河流转弯处。

④少占耕地，少拆迁民房，并尽可能有较宽敞的施工场地，争取靠近建筑材料产地，以便就地取材。

⑤交通方便，水电供应条件较好，有利于管理维修。

2）渡槽选型

长度不大的中小型渡槽，可采用一种类型的单跨或等跨渡槽。对于地形、地质条件复杂而长度较大的大中型渡槽，可根据具体情况，选用一种或两种类型和不同跨度的布置方式，但变化不宜过多，否则将增加施工难度和影响槽墩受力状况。具体选择渡槽形式时，主要应考虑以下几个方面：

①地形、地质条件

地形平坦、槽高不大时，一般采用梁式渡槽，施工与吊装均比较方便；对于窄深的山谷地形，当两岸地质条件较好，有足够的强度与稳定性时，宜建大跨度拱式渡槽，避免很高的中间墩架；地形、地质条件比较复杂时，应作具体分析。例如，跨越河道的渡槽，当河道水深流急、槽底距河床高度大、水下施工较困难，而滩地部分槽底距地面不高且渡槽较长时，可在河床部分采用大跨度的拱式渡槽，在滩地采用梁式或中小跨度的拱式渡槽，当地基承载能力较低时，可采用轻型结构的渡槽。

②建筑材料

建筑材料方面，应贯彻就地取材和因材设计的原则，结合地形地质及施工等其他条件，采用经济合理的结构形式。

③施工条件

应尽可能采用用预制构件进行装配的结构形式，以加快施工速度，节省劳力。同一渠系有几个渡槽时，应尽量采用同一种结构形式。

3）进出口段布置

为了使渠道水流平顺地进入渡槽，避免冲刷和减小水头损失，布置渡槽的进出口段时，应注意以下几个方面：

①进出口前后的渠道上应有一定长度的直线段。渡槽进出口渠道的直线段与槽身连接，在平面布置上要避免急剧转弯，防止水流条件恶化，影响正常输水，造成冲刷现象，对于流量较大、坡度较陡的渡槽，尤其要注意这一问题。

②设置渐变段。渠道与渡槽的过水断面，在形状和尺寸上均不相同，为使水流平顺衔接，渡槽进出口均需设置渐变段。渐变段的形状以扭曲面形式水流条件较好，应用较多；八字墙式施工简单，小型渡槽使用较多。

③设置护底与护坡，防止冲刷。

4）基础布置

渡槽基础的类型较多，根据埋置深度可分为浅基础及深基础，埋置深度小于5m时为浅基础，大于5m时为深基础。应根据地形、地质条件结合渡槽形式选定基础结构的形式。

（3）梁式渡槽

梁式渡槽由槽身、支承结构及基础3部分组成，如图8.15（a）所示。

1）槽身

①槽身横断面形式和尺寸确定

槽身横断面形式有矩形和U形两种，如图8.17所示。大流量渡槽多采用矩形，中小流量可采用矩形，也可采用U形。矩形槽身常是钢筋混凝土或预应力钢筋混凝土结构，U形槽身还可采用钢丝网水泥或预应力钢丝网水泥结构。U形薄壳槽身是一种轻型而经济的结构，它具有水力条件好、纵向刚度较大而横向内力小等优点。钢丝网水泥U形薄壳槽身槽壁厚度一般只有2～3cm，省材料、弹性好、抗拉强度大、重量轻、吊装方便、施工可不立模板、造价较低。缺点是抗冻和耐久性能差，施工工艺要求较高，如果施工质量不高，容易引起表面剥落，钢丝网锈蚀，甚至产生裂缝漏水等现象。

一般中小流量无通航要求，槽顶设拉杆［图8.17（a）］，其间距为1～2m，以增加侧墙稳定并改善槽身横向受力条件；如有通航要求则不设拉杆，而适当加大侧墙厚度；也可做成变厚度的，或沿槽长方向每隔一定距离加一道肋，以增加侧墙的稳定性［图8.17（b）］。

槽身侧墙通常都作纵梁考虑，由于侧墙薄而高，故在设计中除考虑强度外，还应考虑侧向稳定，一般以侧墙厚度t与侧墙高h的比值t/h作为衡量指标，其经验数据为：

图8.17　槽身断面形式

对于有拉杆的矩形槽：

t/h=1/12～1/16，常用厚度t=10～20cm；

对于有拉杆的U形槽：

t/h=1/10～1/15，常用厚度t=5～10cm。

②槽身构造要求

梁式渡槽的槽身多采用钢筋混凝土结构。为了适应槽身因温度变化引起的伸缩变形，渡槽与进出口建筑物之间及各节槽身之间必须用变形缝分开，缝宽3～5cm。变形缝需要用既能适应变形又能防止漏水的材料封堵。特别是槽身与进出口建筑物之间的接缝止水必须严密可靠，否则不仅会造成大量漏水，还可能促使岸坡滑塌影响渡槽的安全。

渡槽槽身接缝止水所用材料和构造形式多种多样，如图8.18所示。橡皮压板式止水是将厚6～12mm的橡皮带，用扁钢（厚4～8mm，宽6mm左右）和螺栓将其紧压在接缝处。螺栓直径9～12mm，间距等于16倍螺栓直径或20倍扁钢厚，常用20cm左右的。凹槽槽内填沥青砂浆或1∶2水泥砂浆，可对止水起辅助作用，并防止橡皮老化与铁件锈蚀。这种止水如能保证施工质量可以做到不漏水，且适应接缝变形的性能好，但检修与更换较不便。塑料止水带压板式止水用聚氯乙烯塑料止水带代替橡皮止水带，止水性能良好，具有良好的弹性和韧性，适应变形能力强，体轻易粘接且不易老化，价格只相当于橡皮止水带的一半左右。沥青填料式止水造价低，维修方便，但适应变形的性能和止水效果不理想。粘合式止水是用环氧树脂橡皮粘贴在接缝处，施工简便，止水效果较好。木糠水泥填塞式止水的填料是用木糠（粒径小于2mm）和水泥拌匀，加入适量的水再湿拌而成的。这种接缝止水构造简单，造价低，有一定适应变形的能力，我国南方小型渡槽采用较多。套环填料式止水是在接缝两侧的槽端小悬壁外壁上套一钢筋混凝土或钢丝网水泥套环，使之紧压槽外壁与套环之间的橡皮管或沥青麻丝、石棉纤维水泥等止水填料。

变形缝之间的每节槽身沿纵槽向各有两个支点。为使支点接触面的压力分布比较均匀，并减小槽身摩擦时所产生的摩擦力，常在支点处设置支座钢板或油毛毡坐垫。每个支点处的支座钢板有两块，每块钢板上先焊上直径不小于10mm的锚筋，以便分别固定于槽身及墩（架）的支承面上，钢板厚不小于10mm，面积大小根据接触面处混凝土的局部压力决定对于跨度及纵坡较大的简支梁式槽身的支座构造，最好能做成一端固定一端活动的形式。

2）支承结构

梁式渡槽的支承形式有槽墩式和排架式两种。

图8.18　槽身接缝止水构造图（单位：cm）

①槽墩

槽墩一般为重力墩，有实体墩和空心墩两种形式，如图8.19所示。

图8.19　槽墩形式

a.实体墩一般用浆砌石或混凝土建造，常用高度8～15m。其构造简单，施工方便，但由于自身重力大，用料多，当墩身较高并承受较大荷载时，要求地基有较大的承载能力。

b.空心墩的体型及部分尺寸与实体墩基本相同。其壁厚一般为15～30cm，与实体墩相比可节省材料，与槽架相比可节省钢材。其自身重力小，但刚度大，适用于修建较高的槽墩。其截面形式有圆矩形、矩形、双工字形、圆形等，如图8.20所示。

图8.20　空心墩横截面形式

空心墩墩身可采用混凝土预制块砌筑，也可将墩身分段预制现场安装。在数量多、墩身较高时，可采用滑升钢模现浇混凝土施工，如湖北省的引丹干渠的排子河渡槽，空心墩平均墩高24m，最大墩高49m，就是采用滑升钢模整体现浇施工。

c.渡槽与两岸连接时，常用重力式边槽墩，亦称槽台，如图8.21所示。槽台的作用是支承槽身和挡土，其高度一般在5～6m。台背坡一般为m=0.25～0.5，为减小台背水压力，常设孔径为5～8cm的排水孔，并做反滤层保护。

图8.21　重力式槽台

重力墩的断面及惯性矩都较大，墩身应力一般较小，设计时只需验算墩身与墩帽、墩身与基础接合面上横槽向和顺槽向应力，按偏心受压构件计算。

重力墩应按一般稳定计算方法验算空槽加风荷及有漂浮物撞击时的稳定性。

②槽架

槽架常采用钢筋混凝土排架结构，有单排架、双排架、A字形排架和组合式槽架等形式，如图8.22所示。

图8.22　排架

单排架体积小，重量轻，可现浇或预制吊装，在渡槽工程中被广泛应用。单排架高度一般为10～20m。

3）渡槽的基础

基础是渡槽的下部结构，它将渡槽的全部重量传给地基。常用的渡槽基础的形式有刚性基础、整体板基础、钻孔桩和沉井基础等，如图8.23所示。

①刚性基础

常用于重力式实体墩和空心墩基础，一般用浆砌石或混凝土建造，基形状呈台阶形。

图8.23　渡槽的基础

因其抗弯能力小而抗压能力大，基础在墩底面的悬臂挑出长度不能太大，设计时不考虑其抗弯作用。

基础顶面伸出槽墩边缘的距离（襟边）按砌筑材料和施工条件确定，加襟边后不能满足地基承载能力要求时，应以台阶形式向下扩大。台阶高度一般为0.5～0.7m，每一台阶的悬臂长c与高度h保持一定比值，用刚性角控制，即tanθ=c/h，arctan（c/h）＜［θ］，［θ］值与地基反力、基础形式及材料有关，一般为30°～40°。

②整体板基础

整体板基础为钢筋混凝土梁板结构，因设计时考虑其弯曲变形而按梁计算，故又称柔性基础。其底面积大，可弹性变形，适应不均匀沉陷能力好，常用作排架基础。

③钻孔桩（又称井柱）基础

适用于荷载大、承载能力低的地基。施工机具简单，建造速度快，造价低。桩顶设承台以便与槽墩（架）连接，并将桩柱向上延伸而成桩柱式槽架。

④沉井基础

沉井基础的适用条件与钻孔桩基础相似，在井顶作承台（盖板）以便修筑槽墩（架）。井筒内可根据需要填砂石料或低标号混凝土。

4）渡槽与两岸的连接

①槽身与填方渠道连接

槽身与填方渠道连接，常采用的方式有斜坡式和挡土墙式，如图8.24、图8.25所示。

a.斜坡式。这种连接方式是将连接段（或渐变段）伸入填方渠道末端的锥形土坡内，按连接段的支承方式不同，又分为刚性连接和柔性连接。

刚性连接是将连接段支承在埋于锥形护坡内的槽墩或槽架上，支承墩（架）建在岩基或老土上。槽身不受填方沉陷的影响，伸缩缝止水工作可靠，因此常被采用。但其槽底会与填方脱离，可能形成漏水通道，因此应作好防渗处理。

柔性连接段是将连接段直接搁置在填方渠道上。连接段将随填方渠道的沉陷而下沉，因此对填方质量要求严格。这种连接方式虽有节省支承墩工程量等优点，但工程中较少采用。渐变段和连接段下面的回填土宜用砂土填筑，并分层夯实，上部铺0.5～1.0m的防渗黏土铺盖。填方渠道的坡脚和堤底应设砂石反滤层，以利导渗排水。渠道末端锥形土坡不宜过陡，并作好护坡，以保证岸坡稳定。

b.挡土墙式。这种连接方式是将槽身的一端支承在重力式挡土墙上。挡土墙应修建在岩基或老土上。对于拱式渡槽，应按槽台的要求进行布置。其两侧建造一字墙或八字墙以挡土。为降低墙后地下水位，墙身应设置排水孔。挡土墙式连接常用于填方高度不大的情况。

图8.24　斜坡式连接

1—槽身；2—渐变段；3—连接段；4—伸缩缝；5—槽墩；6—回填黏性土；
7—回填砂性土；8—铺盖；9—砌石护坡

②槽身与挖方渠道连接

槽身与挖方渠道连接时，一般将边跨槽身支承在地梁或高度不大的实体墩上，如图8.26所示。

槽身与渐变段之间常设连接段。有时为了缩短槽身长度，可将连接段向槽身方向延伸，并支承在用浆砌石建造的底座上［图8.26（b）］。

图8.25　挡土墙式连接

1—槽身；2—渐变段；3—挡土墙；
4—排水孔；5—铺盖；6—回填砂性土

（4）拱式渡槽

拱式渡槽的支承结构是由墩台、主拱圈和拱上结构组成的，如图8.27、图8.28所示。槽身荷载通过拱上结构传给主拱圈，再由主拱圈传给墩台。与梁式渡槽相比，拱式渡槽的支承结构增加了主拱圈和拱上结构两部分，这就决定了拱式渡槽不同于梁式渡槽的形式、构造和特点。

图8.26　槽身与挖方渠道的连接

1—槽身；2—渐变段；3—连接段；4—地梁；5—浆砌石底座

1）主拱圈

①主拱圈的形式和构造

图8.27　实腹式石拱渡槽

1—拱圈；2—拱顶；3—拱脚；4—边墙；5—拱上填料；6—槽墩；7—槽台；
8—排水管；9—槽身；10—垫层；11—渐变段；12—变形缝

主拱圈是拱式渡槽的主要承重结构，工程中常用的形式有板拱、肋拱和双曲拱等。

a.板拱。板拱多用于石拱渡槽。板拱在横截面的整个宽度内，砌筑成整体的矩形断面，采用砌石外，也可用混凝土现浇或预制块砌筑，小型渡槽的拱圈可用砖砌筑。当用料石或混凝土预制块砌筑时，沿拱圈的径向截面应布置成通缝，如图8.29所示，使各层结合良好，并能均匀传递轴向压力。较厚的拱圈常需分层砌筑，各层间切向缝应互相错开，错距应不小于10cm，以保证拱圈的整体性。对于厚度较大的变截面拱圈（拱厚从拱顶到拱脚逐渐加大），为了减小料石加工和砌筑的困难，可用料石砌筑内圈，而用块石砌筑外圈以调整拱圈的厚度。拱圈与墩台、横墙等结合处，常彩用五角石，以满足抗剪要求并便于与砌缝配合。大跨度砌石板拱的砂浆强度等级不低于M10，小跨度可用M5，石料不应低于M30。

图8.28　拱圈与墩台和横墙的连接

图8.29　箱式板拱

对于大跨度拱圈，可采用图8.38所示的钢筋混凝土箱式板拱，每隔一定距离在横墙下面等位置设置横隔板，以加强拱圈的横向刚度与整体性。施工时，可分成几个工字形构件预制吊装，用于大流量渡槽时，还可在空箱内浇筑二期埋石混凝土，以加大拱圈的轴向承载力。

拱圈的横向宽度一般与槽身宽度相同，且不宜小于拱圈跨度的1/20，以保证拱圈有足够的横向刚度和稳定性。拱圈的拱顶厚度可以参考已建类似工程的尺寸或按表8.1中所列数值初步拟定，表中数值，当拱圈较平坦时采用较大值；拱圈净跨大于20m时，宜采用变截面拱圈，此时拱脚厚度应加大，可采用1.2～1.8倍拱顶厚度；当采用混凝土拱圈时，表中数值可减小10％～20％。

b.肋拱。为了节省材料和减轻自重，可采用肋拱式拱圈［图8.15（c）］。当槽宽不大时多采用双肋。拱肋之间每隔一定距离，在拱上排架下面等位置设置刚度较大的横系梁，以加强拱圈的整体性，保证拱圈的横向稳定。肋拱式拱圈一般为钢筋混凝土结构，小跨度的也可采用少筋混凝土或无筋混凝土。钢筋混凝土拱肋的混凝土强度等级不宜低于C20，无铰拱肋的纵向受力钢筋应伸入墩帽内，锚入深度应不小于拱脚厚度的1.5倍。

表8.1　砌石拱渡槽主拱圈拱顶厚度数值参考表

拱肋横断面通常采用矩形，厚宽比约为1.5～2.5。承受弯矩较大的大跨度拱肋，可采用T形、工字形或箱形断面，以加大抗弯能力和节省材料用量。为了保证拱圈的横向稳定性，拱圈的宽度（拱肋外边缘的距离）一般不小于拱跨的1/20。拱肋的厚度一般不小于20cm。小跨度的拱肋常采用等截面，大跨度的可采用变截面。初步拟定尺寸时，拱顶厚度可取为拱跨的1/60～1/40。连接拱肋的横系梁，常采用矩形断面，宽度不小于长度的1/15，且一般不小于20cm。

c.双曲拱。双曲拱主要是由拱肋、拱波和横向联系所组成，如图8.30、图8.31所示。为了加强拱波、拱肋的连接，拱肋断面多采用凸形、L形（用于边肋）和凹形等形状，在拱肋顶面常设置齿槽，并配置锚固钢筋（图8.33）。拱波一般分预制和现浇两层，预制块的横断面采用长方形，一般厚6cm，宽20～30cm，每块重量根据运输、安装条件决定，但不宜过大。拱波预制块的一侧常做成具有削角的斜面（图8.32），以便于砌缝填实，并使现浇层与之结合得更好。拱波横断面轴线通常采用圆弧形，有单波和多波等形式。为了减少拱肋与拱波的接缝，加强整体性，以采用单波或少波（二波、三波）为宜。拱波常用跨径为L0=1.2～1.6m，有的工程已采用1.8～2.0m，拱波的矢跨比多为1/5～1/3。

图8.30　双曲拱渡槽实例

图8.31　双曲拱拱圈（单位：cm）

图8.32　连接齿墙与锚固钢筋

双曲拱的横向联系，常采用横系梁和横隔板。拱肋和拱波通过横向联系连接成整体，以加强拱圈的横向整体性和稳定性。横系梁的间距在3～5m，横隔板的间距一般不超过10m。通常在拱顶、1/4拱跨、拱上结构的横墙或立柱下面以及分段吊装拱肋的接头处采用刚性较大的隔板，其他地方则采用横系梁。对双曲拱渡槽，空腹式拱上结构的横墙或立柱下面的横隔板，不仅加强了拱圈的横向整体性，而且将横墙和立柱传来的竖向荷载比较均匀地传给拱肋和拱波，使拱肋和拱波同时沿纵向共同受力。实践证明，取消横向联系将会导致主拱圈沿纵向（一般在波顶）产生严重的裂缝。横隔板的厚度一般在20cm左右。目前，横向联系均按构造决定尺寸和配筋，一般可设4～6根10～16钢筋，并尽量与拱肋主筋相连。

图8.33　预制削角拱波

1—预制拱波；2—现浇拱波

图8.34 双曲拱截面尺寸图

②主拱圈结构及基本尺寸

主拱圈在跨径中央处称为拱顶，两端与墩台连接处称为拱脚，各径向截面重心的连线称为拱轴线。两拱脚截面重心距离l称为计算跨度，简称跨度。拱顶截面重心到拱脚截面中心的铅直距离称为计算矢高，简称矢高。拱圈外边缘的距离b称为拱宽。b/l称为宽跨比，f/2称为矢跨比。跨度l、矢高f、拱宽b及拱脚高程便是主拱圈的基本尺寸，也是拱式渡槽的基本尺寸。

a.跨度l的选定。跨度f小于15m者为小跨度，等于15～50m者为中等跨度，大于60m者为大跨度。对于槽高不大的拱式渡槽宜选用小跨度；对于跨越深谷、槽高很大且基础施工很困难的拱式渡槽，可采用大跨度；在一般情况下，如无特殊要求，则以采用40m左右的中等跨度较为经济合理。

b.拱宽b和宽跨比b/f的选定。拱宽b常与槽身的结构总宽度相等，但宽跨比b/l对主拱圈的横向稳定性影响很大，b/l越小则横向稳定性越低。为了满足主拱圈的横向稳定性，一般要求b/l大于1/20；对于大跨度的小流量渡槽，b/l一般较小，但也不应小于1/25。由于拱式渡槽的槽身已不是主要承重结构，槽身的深宽比h/b应较梁式渡槽小些，以便加大拱圈的宽度b，进而加大宽跨比b/l，以满足主拱圈的横向稳定要求。

c.拱脚高程、矢高f和矢跨比f/l的选定。主拱圈的拱顶常与槽身底面相接触，所以拱脚高程一经选定，矢高f也基本上确定了。对于槽高不大的拱式渡槽，拱脚高程一般选在最高洪水位附近，所以矢高f的选择余地不大，只有调整跨度l才能选定矢跨比f/l。对于槽高较大的拱式渡槽，拱脚高程可以在较大范围内选定，所以矢高的大小便有较大的选择余地。

2）拱上结构及槽身

拱式渡槽的拱上结构有两种形式：实腹式［图8.15（b）］和空腹式［图8.15（c）］。

①实腹式

实腹式拱上结构一般只用于小跨度渡槽，其上的槽身一般都采用矩形断面，其下的主拱圈一般都采用板拱，也可采用双曲拱。实腹式拱上结构上面的槽身，只是由于主拱圈的变形才沿纵向产生受力作用，但因跨度小，这种作用一般都不考虑。因此，实腹拱式渡槽的各个部分均可采用砌砖、砌石和混凝土等圬工材料建造。实腹式拱上结构，按构造的不同可分为砌背式和填背式两种形式。砌背式在槽宽不大时采用，拱背上砌筑成实体，其上再砌筑槽身的挡水侧墙和底板。当槽宽较大时，则宜采用填背式。填背式是在拱背两侧砌筑挡土边墙。墙内填以砂石料或土料，在边墙和填料的上面再筑槽身的侧墙和底板。

②空腹式

实腹式拱上结构用材多，重量大，故一般只用于小跨度渡槽。当跨度较大时，须将拱上结构筑成空腹式的，以减小拱圈的荷载。空腹式拱上结构有横墙腹拱式和排架式等形式。

a.横墙腹拱式拱上结构及槽身。在实腹式拱上结构中，对称地留出若干个城门洞形的孔洞，便成为横墙腹拱式结构，如图8.44所示。这些孔洞又叫腹孔。腹孔顶部设腹拱，腹拱背上的腹腔常筑成实腹式的，上面的槽身则采用矩形断面，沿纵向支承于主拱圈上，主拱圈可采用板拱，也可采用双曲拱。这种形式的拱式渡槽，各个部分均可采用圬工材料建造；跨度及流量较大时，各部分也可根据其结构形式和受力条件采用不同的材料修建。腹孔的数目在半个拱跨内常为3～5个，从拱脚布置到1/3主拱跨度附近，其余约1/3跨度的拱顶段仍筑成实腹段，对于软弱地基或跨度较大时，也可超过1/3跨度继续向拱顶布置腹孔。腹拱的跨径可取为主拱跨度L的1/15～1/10或2～5m。腹拱一般做成等厚的圆弧拱或半圆拱。拱厚视材料不同而定，当用浆砌石建造时不宜小于30cm，混凝土的宜小于15cm。跨径较大的腹拱，也可采用双曲拱。横墙厚度不宜小于腹拱厚度的2倍。

为了避免槽身和拱上结构因主拱圈的变形而断裂，对于跨度较大的空腹拱渡槽，必须设置变形缝。通常可在墩台与顶部用贯通的横缝将墩台与拱上结构分开［图8.35（a）］，也可将靠近墩台的腹拱做成三铰拱或两铰拱，再在铰处设伸缩缝［图8.35（b）、（c）］。为了形成简易的拱铰，在拱铰处的砌缝不用水泥砂浆，而垫以2～3层沥青油毛毡或干砌。在空腹与实腹交接处，主拱圈上的边墙也易产生裂缝，故在这里也可设置变形竖缝，以免产生不规则的开裂。

图8.35　空腹式拱上结构的分缝

横墙腹拱式拱上结构用于中等跨度较合适，其优点是可以不用或少用钢材，但重量仍较大，圬工材料用量较多，仍属于重型结构。当拱跨较大时，为了进一步减小主拱圈的荷载，除缩小实腹段的长度外，还可在横墙上留孔洞，或用立柱代替横墙，柱顶设横梁以支承腹孔的拱圈，而成为主柱腹拱式腹孔。

b.排架式拱上结构及槽身。图8.15（c）所示拱式渡槽，拱上结构是排架式的。槽身搁置于排架顶上，排架固接于主拱圈上，主拱圈多采用肋拱形式，排架与拱肋的接头常采用杯口式连接，也可用预留插筋、型钢或钢板等连接。排架对称布置于主拱圈上，间距视主拱圈的跨度大小而定。一般当主拱圈的跨度较小时，排架间距可采用1.5～3.0m，跨度较大时采用3～6m或约为拱肋宽度的15倍。搁置于排架顶上的槽身，也起纵向梁作用。

为了适应主拱圈的变形和因温度变化而产生的胀缩，用变形缝将一个拱跨上的槽身分为若干节，每一节支承于两个排架上，纵向支承形式可以是简支式，也可采用等跨双悬臂式。所以，槽身虽起纵向粱作用，但跨距小，故可采用少筋或无筋混凝土建造，横断面形式可以采用U形，也可采用矩形。

3）槽墩与槽台

拱式渡槽的槽墩和槽台多采用实体的重力式结构，用M10水泥砂浆砌块石或C10～C15混凝土建造。底部扩大浇筑成刚性基础。对于软弱地基，为了减小不均匀沉陷和限制墩台的变位，采用桩基础或沉井基础。

拱式渡槽的槽墩，主要承受拱脚传来的荷载。根据受力情况不同，有中墩（对称受力）、不对称墩和单向推力墩（拱座）等几种形式。中墩因两侧受力平衡，故墩体受力情况与梁式渡槽的重力墩相似，其形式与构造也相近，但对墩帽的要求更高。墩帽常用C20～C25强度等级的高强度混凝土建造，并须布置构造钢筋，且在墩帽与拱脚结合处铺设1～2层直径9～12mm、间距约10cm的钢筋网，以加强混凝土局部承压能力。对于重要的无铰拱墩，还应按设计要求预埋锚固钢筋。不对称墩的形式和布置，须配合两侧拱跨结构的布置选定，构造和尺寸则由结构计算决定。对于边拱墩，只在一侧承受拱脚荷载，由于拱脚水平推力是关键性的荷载，故叫单向推力墩，也叫拱座。对于不对称墩的下部（混凝土筑成的块体），一方面是上部墩体的基础，另一方面也是主跨拱圈的拱座。这种墩的位置，应选在地基面的高程接近拱脚高程的地方，以减小拱脚水平拱力对基底面的力臂，维持拱座的稳定，并要求拱座底面及背面的地基坚固而可靠，以承受强大的压力并限制拱脚的变位。必要时，可将边跨主拱圈筑成三铰拱，以避免拱脚变位对主拱圈产生附加应力。

拱式渡槽的槽台可能有两种情况。图8.15（c）所示槽台，其工作条件与梁式渡槽相同。图8.27所示槽台，除具有梁式槽台作用外，还起拱座作用。槽台的尺寸和形状，不仅应保证槽台有足够的稳定性，还应使荷载压力线尽量接近槽台各水平截面的重心，使各水平截面和基础底面所承受的压力接近于均匀分布。因此，槽台的基本形状多采用梯形断面。槽台基础的底面一般做成水平的，但有时为了增加抗滑稳定性，也可做成倾斜不大的斜面，或者在基础底面设置抗滑齿墙等。

8.2.2　倒虹吸管

图8.36　倒虹吸管实物

当渠道与河流、山沟、谷地、道路等相交叉，且引水流量较小、水头较大时，可采用倒虹吸管连接，如图8.36所示。它与渡槽相比，具有造价低、施工方便的优点，但水头损失较大，运行管理不如渡槽方便。一般在下列情况时采用：①渠道跨越宽深河谷，修建渡槽、填方渠道或绕线方案困难或造价高时；②渠道与原有渠、路相交，因高差较小 不能修建渡槽、涵洞时；③修建填方渠道影响原有河道泄流时。

（1）倒虹吸管的布置和构造

倒虹吸管一般由进口、管身和出口3部分组成。

1）管路布置形式与特点

管路布置应根据地形、地质、施工、水力条件等分析确定。总体布置的一般原则是：管身最短、岸坡稳定、管基密实，进出口连接平顺，结构合理。根据流量大小及运用要求，可采用单管、双管或多管。根据管路埋设情况及高差大小，倒虹吸管的布置形式可分为以下几种：

图8.37　桥式倒虹吸实物

图8.38　竖井式倒虹吸

①竖井式。多用于压力水头较小（H＜3～5m），穿越道路的倒虹吸，如图8.38所示。这种形式构造简单、管路短。进出口一般用砖石或混凝土砌筑成竖井。竖井断面为矩形或圆形，其尺寸稍大于管身，底部设0.5m深的集沙坑，以沉积泥沙，并便于清淤及检修管路时排水。管身断面一般为矩形、圆形或其他形式。竖井式水力条件差，但施工比较容易，一般用于工程规模较小的倒虹吸管。

②斜管式。多用于压力水头较小，穿越渠道、河流的情况，如图8.39所示。斜管式倒虹吸管构造简单，施工方便，水力条件好，实际工程中常被采用。

图8.39　斜管式倒虹吸

③曲线式。当岸坡较缓（土坡m＞1.5～2.0，岩石坡m≥1.0）时，为减少施工开挖量，管道可随地面坡度铺设成曲线形，如图8.40所示。管身常为圆形的混凝土管或钢筋混凝土管，可现浇，也可预制安装。

④桥式。当渠道通过较深的复式断面或窄深河谷时，为降低管道承受的压力水头，减小水头损失，缩短管身长度，便于施工，可在深槽部位建桥，管道铺设在桥面上或支承在桥墩等支承结构上，如图8.41所示。桥下应有足够的净空高度，以满足泄洪要求；在通航河道上应满足通航要求。

图8.40　曲线式倒虹吸

图8.41　桥式倒虹吸

2）管身及镇墩的形式与构造

①管身材料

倒虹吸管的材料应根据压力大小及流量的多少、就地取材、施工方便、经久耐用等原则综合分析选择。常用的材料主要有混凝土、钢筋混凝土、铸铁和钢材等。

混凝土管适用于水头较低、流量较小的情况，一般用于水头为4～6m的倒虹吸管。从混凝土管运行情况看，管身裂缝、接缝处漏水严重的现象经常发生，这多与材料强度、施工技术与质量等因素有关。

钢筋混凝土管适用于较高水头，一般为30m左右，可达50～60m，管径通常不大于3m。

预应力钢筋混凝土管适用于高水头。它具有较好的弹性、不透水性和抗裂性，能充分发挥材料的性能。已建工程大水头达212m，管径为1.25m。预应力钢筋混凝土管比金属管节省钢材用量80％～90％。

铸铁钢管多用于高水头地段，因耗用金属材料较多，故应用较少。

在较好的土基上修建小型倒虹吸管可不设连续坐垫，而设小间支墩，其间距视地基、管径大小等情况而定，一般采用2～8m。

为防止温度、冰冻、耕作等不利因素影响，管道应埋设在耕作层以下；在冰冻区，管顶应布置在冰冻层以下；在穿越河道时，管顶应布置在冲刷线以下0.5m；当穿越公路时，为改善管身的受力条件，管顶应埋设在路面以下1.0m左右。

②管身伸缩缝

为了防止管道因地基不均匀沉陷及温度过低产生较大的纵向应力，使管身发生横向裂缝，管身应设置伸缩缝，缝内设止水。缝的间距应根据地基、管材、施工、气温等条件确定。现浇钢筋混凝土管缝的间距，在土基上一般为15～20m；在岩基上一般为10～15m。

如果管身与岩基之间设置油毛毡垫层等措施，可减小岩基对管身收缩约束作用，且管身采用分段间隔浇筑时，缝的间距可增大至30m。

伸缩缝的形式主要有平接、套接、企口接以及预制管的承插式接头（图8.42）等。缝的宽度一般为1～2cm，缝中堵塞沥青麻绒、沥青麻绳、柏油杉板或胶泥等。

现浇管一般采用平接或套接，缝间止水用金属止水片等。近几年用塑料止水带代替金属止水，以及使用环氧基液贴橡皮已很普遍。

预制钢筋混凝土管及预应力钢筋混凝土管的管节接头处即为伸缩缝。接头形式有平口式和承插式。承插式接头安装方便，密封性好，具有较大的柔性，目前大多采用这种形式（图8.43）。

图8.42　管身伸缩缝形式（单位：cm）

1—水泥砂浆封口；2—沥青麻绒；3—金属止水片；4—管壁；5—沥青麻绳；6—套管；
7—石棉水泥；8—柏油杉板；9—沥青石棉；10—油毛毡；11—伸缩缝

图8.43　预制管承插式接头

1—承口；2—插口；3—橡皮圈

③镇墩

在倒虹吸管的变坡及转弯处都应设置镇墩，其主要作用是连接和固定管道。

在斜坡段若坡度陡，长度大，为防止管身下滑，保证管身稳定，也应在斜坡段设置镇墩，其设置个数视地形、地质条件而定。镇墩的材料主要为砌石、混凝土或钢筋混凝土。砌石镇墩多用于小型倒虹吸工程。在岩基上的镇墩，可加锚杆与岩基连接，以增加管身的稳定性。

镇墩承受管身传来的荷载及水流产生的荷载以及填土压力、自身重力等，为了保持稳定，镇墩一般是重力式的。

镇墩与管端的连接形式有两种：刚性连接和柔性连接，如图8.44所示。

刚性连接是把管端与镇墩混凝土浇筑在一起，砌石镇墩是将管端砌筑在镇墩内。这种形式施工简单，但适应不均匀沉降的能力差。由于镇墩的重量远大于管身，当地基发生不均匀沉陷时可能使管身产生裂缝，所以一般多用于斜坡度大、地基承载能力大的情况。

柔性连接是用伸缩缝将管身与镇墩分开，缝中设止水，以防漏水。柔性连接施工比较复杂，但适应不均匀沉陷能力好，常用于斜坡较缓的土基上。

图8.44　镇墩与管端的连接

斜坡段上的中间镇墩，其上部与管道的连接多为刚性连接，下部多为柔性连接。

镇墩的形式和各部分尺寸可参考下列经验数据：镇墩的长度为管道内径的1.5～2.0倍；底部最小厚度为管壁厚度的2～3倍；镇墩顶部及侧墙最小厚度为30～50cm。转弯时前后管在镇墩内用圆弧弯管段连接，圆弧外半径Rl一般为管内径的2.5～4.0倍，圆心角α与前后管段的中心线夹角相等。

3）进（出）口的组成与布置

①进口的组成与布置

进口段包括进水口、拦污栅、闸门、启闭台、进口渐变段及沉沙池等，如图8.45所示。

进口段应保证通过不同流量时管道进口处于淹没状态，以防止水流在进口段发生跌落、产生水跃而使管身振动。进口具有平顺的轮廓，以减小水头损失，并应满足稳定、防冲和防渗等要求。

a.进口段应修建在地基较好、透水性小的地基上。当地基较差、透水性大时应作防渗处理。通常作厚30～50cm的浆砌石或作15～20cm的混凝土铺盖，其长度为渠道设计水深的3～5倍。

b.为了防止漂浮物或人畜落入渠内被吸入倒虹吸管内，在闸门前需设置拦污栅。拦污栅的布置应有一定的坡度，以增加过水面积和减小水头损失，常用坡度为1/5～1/3。栅条用扁钢做成，其间距为20～25cm。

为了清污或启闭闸门，可设工作桥或启闭台，启闭台台面高出闸墩顶的高度为闸门高加1.0～1.5m。

c.沉沙池的主要作用是拦截渠道水流携带的大粒径砂石和杂物，以防止进入倒虹吸管内引起管壁磨损和淤积堵塞。有的倒虹吸管由于管理不善，管内淤积的碎石杂物高度达到管高的一半，严重影响了输水能力。

在以悬移质为主的平原区渠道，也可不设沉沙池。有输沙要求的倒虹吸管，设计时应使管内流速不小于挟沙流速，同时为保证输沙和防止管道淤积，可考虑采用双管或多管布置。在山丘地区的绕山渠道，泥沙入渠将造成倒虹吸管的磨损，沉沙池应适当加深。

d.倒虹吸管进口前一般设渐变段与渠道平顺连接，以减少水头损失。渐变段形式有扭曲面、八字墙等形式。其底宽可以是变化的或不变的。渐变段长度一般采用3～5倍渠道设计水深。对于渐变段上游渠道应适当加以护砌。

图8.45　进口布置图

图8.46　出口布置图

e.大型或较为重要的倒虹吸管进口一般设置退水闸。当倒虹吸管发生事故时，关闭倒虹吸管前闸门，将渠水从退水闸泄出。

②出口段的形式和布置

出口段包括出水口、闸门、消力池、渐变段等。其布置形式与进口段相似，如图8.46所示。

为使出口与下游渠道平顺连接，一般设渐变段，其长度常用4～6倍的渠道设计水深。同时渐变段下游3～5m长度内的渠道还应护砌，以防止水流对下游渠道的冲刷。渐变段的底部常设消力池。消力池长度一般为渠道设计水深的5～6倍。

倒虹吸管出口水流流速一般较小，消力池的作用主要在于调整出口水流的流速分布（对双管或多管布置的倒虹吸管出口更为突出），以使水流较平稳地进入下游渠道，防止对下游渠道冲刷。

（2）倒虹吸管的水力计算

倒虹吸管的水力计算，主要是根据渠道规划所确定的上游渠底高程、水位、通过的流量和允许的水头损失，通过水力计算确定倒虹吸管的断面尺寸、水头损失值及进出口的水面衔接。

实际工作中，渠道在规划时已确定渠道断面形式和上游渠底高程、倒虹吸管通过的流量和允许水头损失值。因此，倒虹吸管的水力计算内容有下列3种情况：

①根据需要通过的流量和允许的水头损失，确定管道的断面形式和尺寸。

②根据允许的水头损失和初步拟定的断面尺寸，校核能否通过规定的流量。

③根据需要通过的流量及拟定的管内流速，校核水头损失是否超过允许值。

管内流速应根据技术经济比较和不淤条件进行确定。当通过设计流量时，管内流速通常为1.5～3.0m/s，最大流速一般按允许水头损失值控制，在允许水头损失值范围内应尽可能选择较大的流速，以减小管径。

当倒虹吸管的断面尺寸和下游渠道底部高程确定后，应核算小流量时是否满足不淤要求。若计算出的管身断面尺寸较大或通过小流量时管内流速过小，可考虑双管或多管布置。

当通过加大流量时，进口水面可能壅高，应核算其壅水高度是否超过挡水墙顶和上游渠顶。当通过小流量时，应验算上下游渠道水位差Z1是否大于管道通过小流量时计算得出的水头损失值Z2，当Z1＞Z2时，进口水面将会产生跌落而在管道内产生水跃衔接，如图8.47所示，这将引起脉动掺气，影响管道正常输水，严重时会导致管身破坏。为避免这种现象发生，可根据倒虹吸管总水头的大小，采取不同的进口结构布置形式。

图8.47　倒虹吸管水力计算图

当Z1-Z2值较大时，可适当降低进口高程，在进口前设置消力池，池中的水跃应被进口处水面所淹没，如图8.48所示。

图8.48　倒虹吸管进口水面衔接

当Z1-Z2值不大时，可降低进口高程，在管口前设斜坡段。

当Z1-Z2值很大时，在进口设置消力池不便布置或不经济时，可考虑在出口处设置闸门，以抬高出口水位，使倒虹吸管进口淹没，消除管内水跃现象。此时应加强运行管理，以保证倒虹吸管正常工作。

（3）倒虹吸管管身结构计算

1）管壁厚度的拟定

管身结构设计步骤一般是根据管径和压力水头的大小，初步拟定管壁厚度，确定各作用荷载，然后进行横向和纵向内力计算，校核管壁厚度，进行配筋计算和抗裂验算。管壁厚度可参照图8.49初步拟定。

图8.49　钢筋混凝土倒虹吸管管壁厚度选择曲线

2）作用荷载及荷载组合

管身结构设计时，一般根据荷载大小分为若干段进行计算，50m以下压力水头的以10m高差为一级，50m以上压力水头的以5m高差为一级。对于中小型倒虹吸管，如斜管段不长，内水压力等荷载的变化范围不大时可不分段，而按受力最大的水平段计算，作为确定整个管道构造的依据。

埋在河槽部分的管道，可能出现如下荷载组合：①河道枯水时期管内正常输水，作用荷载有管的自重、土压力、内水压力及管内外温差等；②河道洪水期管内无水，作用荷载有管的自重、土压力、外水压力及管内外温差等；③管内正常输水，管外无水也无填土，作用荷载有管的自重、内水压力及管内外温差等。交通道路下的管段，应根据具体情况决定何种荷载组合中加地面荷载。

3）管身结构计算

管身结构计算包括横向和纵向计算。

管身横向在各种荷载单独作用下的内力（弯矩M和轴力N）可参照有关书籍所列图表，根据倒虹吸管的安装方式等具体情况直接查出。然后根据荷载组合情况将查得数值组合叠加，即可求得截面的内力值。

管身纵向结构计算比较复杂。对于中小型倒虹吸管往往不作纵向计算，一般在构造上采取适当措施来减小纵向应力，如在一定长度内设置伸缩缝和柔性接头，对地基进行处理以限制不均匀沉陷，适当选择施工季节或在刚性坐垫与管身之间涂柏油或铺油毛毡（管段两端约1/3长度内）等。

管道在自身重力、土压力、管内水重及地基不均匀沉陷的作用下将产生纵向挠曲，其结构计算可将管道沿纵向视为一环形截面的弹性地基梁进行计算。

8.2.3　跌水与陡坡

当渠道通过斜坡地面段时，为了保持渠道的设计比降，避免大量土方挖（填）方工程，常将水流落差集中，修建建筑物连接上下游渠道，这种建筑物称为落差建筑物。跌水和陡坡是应用最广的落差建筑物。

（1）跌水

渠道底板突然降低，水流呈自由抛射状态跌落于下游消力池，利用消力池来消除水流的多余能量，这种建筑物称为跌水，如图8.50、图8.51所示。

图8.50　单级跌水

1—进口连接段；2—跌水口；3—跌水墙；4—侧墙；5—消力池；6—出口连接段

图8.51　多级跌水

1—进口连接段；2—跌水墙；3—沉降缝；4—消力池；5—原地面

跌水可单独布置，也可与制节闸、分水闸或泄水闸布置在一起。该方式结构紧凑，管理方便，在条件许可下应尽量采用这种布置方式。

跌水有单级跌水和多级跌水两种形式，二者构造基本相同。一般单级跌水的跌差小于3～5m，超过此值时宜采用多级跌水。

1）单级跌水

单级跌水常由进口连接段、跌水口、消力池和出口连接段组成，如图8.50所示。

①进口连接段

为使渠水平顺地进入跌水口，使泄水有良好的水力条件，常在渠道与跌水口之间设连接段。其形式有扭曲面、八字墙、圆锥形等。扭曲面翼墙较好，水流收缩平顺，水头损失小，是常用形式。

连接段长度L与上游渠底宽B和水深H的比值有关，B/H越大，L越长。根据工程经验，当B/H＜2.0时，L=2.5H；当B/H＜2.1～2.5时，L=3.0H；当B/H＞3.5时，L值应根据具体要求适当加长。连接段底边线与渠道中线夹角α不超过45°，如图8.52所示。

连接段常用片石和混凝土衬砌，以防止水流冲刷和延长渗径，防止绕渗及减少跌水墙后和消力池底板的渗透压力。连接段翼墙和护底均应设齿墙并伸入两岸和渠底0.3～0.5m。

图8.52　进口连接段

连接段翼墙在跌水口处应有一段直线段，为了防止渗漏和延长渗径，进口连接段前的渠道可设置铺盖。

②跌水口

跌水口又称控制缺口，是设计跌水和陡坡的关键。为使上游渠道水面在各种流量下不产生雍高和降落，常将跌水口缩窄，减少水流的过水断面，以保持上游渠道的正常水深。

跌水缺口的形式有矩形、梯形和底部加抬堰等形式，如图8.53所示。

a.矩形跌水口［图8.53（a）］。跌水口底部高程与上游渠底相同。当通过设计流量时，跌水口前的水深与渠道相近。但流量大于或小于设计流量时，上游水位将产生雍高和降落。这种跌水口水流集中，单宽流量大，对下游消能不利。但其结构简单，施工方便，常用于渠道流量变化不大的情况。

图8.53　跌水口形式

b.梯形跌水口［图8.53（b）］。跌水口底部高程与渠道相同，两侧做成斜坡。较矩形跌水口有所改善，在通过各种流量时，上游渠道不致产生过大雍水和降落现象。其单宽流量较矩形为小，减小了对下游渠道的冲刷。常用于流量变化较大或较频繁的情况。梯形跌水口的单宽流量仍较大，水流较集中，造成下游消能困难。当渠道流量较大时，为减少对下游的冲刷，常用隔墙将缺口分成几部分。

c.抬堰式跌水口［图8.53（c）］。在跌水口底部作一抬堰，其宽度与渠底相等。这种跌水口在通过设计流量时，能使跌水口前水深等于渠道正常水深。但通过小流量时，渠道水位将产生雍高，同时抬堰前易造成淤积，对含沙量大的渠道不宜采用。有时为了解决淤积问题，在堰上做矩形小缺口［图8.53（d）］。

③跌水墙

跌水墙有直墙和倾斜面两种。多采用重力式挡土墙。由于跌水墙插入两岸，其两侧有侧墙支撑，稳定性较好，设计时常按重力式挡土墙设计，但考虑到侧墙的支撑作用，也可按梁板结构计算。

在可压缩的地基上，跌水墙与侧墙间常设沉陷缝。在沉陷量小的地基上，可不作接缝，将二者固接起来。

为防止上游渠道渗漏而引起跌水下游的地下水位抬高，减小渗流对消力池底板等的渗透压力，应做好防渗排水设施。

④消力池

跌水墙下设消力池，使下泄水流形成水跃，以消减水流能量。消力池在平面布置上有扩散和不扩散形式，它的横断面形式一般为矩形、梯形和折线形。折线形布置为渠底高程以下为矩形，渠底高程以上为梯形。

消力池的各部分尺寸由水力计算确定。其底板的衬砌厚度与单宽流量和跌差大小有关，根据经验，可取0.4～0.8m。

⑤出口连接段

下泄水流经消力池后，在出口处仍有较大的能量，流速在断面上分布不均匀，对下游渠道常引起冲刷破坏。为改善水力条件，防止水流对下游的冲刷，在消力池与下游渠道之间设出口连接段。其长度应大于进口连接段。

消力池末端常用1∶2或1∶3的反坡与下游渠底相连。扩散角度一般用30°～48°。

在出口连接段后的渠道仍应用干砌或浆砌石或混凝土衬砌，以调整水流，防止冲刷，其护砌长度一般不小于3倍下游水深。

2）多级跌水

多级跌水的组成和构造与单级跌水相同。只是将消力池做成几个阶梯，各级落差和消力池长度都相等，使每级具有相同的工作条件，并便于施工，如图8.51所示。

（2）陡坡

渠道底板坡度变陡，水流受陡槽约束而沿槽身下泄的叫陡坡。

陡坡由进口连接段、控制堰口、陡坡段、消力池和出口连接段组成。

根据不同的地形条件和落差大小，陡坡也可以建成单级或多级。多级陡坡常建在落差较大且有变坡或台阶地形的渠段上。

陡坡的构造与跌水相似，不同之处是陡坡段代替了跌水墙。由于陡坡段水流速度较快，对进口和陡坡段布置要求较高，以使下泄水流平稳、对称且均匀地扩散，以利下游消能和防止对下游渠道的冲刷。

1）陡坡段的布置

在平面布置上，陡坡底可做成等宽的、底宽扩散形和菱形3种。底部等宽度布置形式较简单，但对下游消能不利，常用于小型渠道和跌差小的情况。

陡坡段的横断面常做成梯形或矩形，梯形断面的边墙做成护坡式较经济，常被采用。

①扩散形陡坡（图8.54）

陡坡段采用扩散形布置，可以使水流在陡坡上发生扩散，以减小单宽流量，这对下游消能防冲有利。陡坡的比降应根据修建陡坡处的地形、地质、跌差及流量大小等条件确定。当流量大、跌差大时，陡坡比降应缓一些；当流量较小、跌差小，且地质条件较好时，可陡一些。土基上陡坡比降通常取1∶2.5～1∶5。对于土基上的陡坡，单宽流量不能太大，当落差不大时，多从进口后开始采用扩散形陡坡。根据经验，扩散角一般为5°～7°。

②菱形陡坡（图8.55）

菱形陡坡在平面布置上，上游段扩散下游段收缩，在平面上呈菱形。在收缩段的边坡上设置导流肋。这种布置使消力池段的边墙边坡向陡槽段延伸，使其成为陡坡边坡的一部分，从而使水跃前后的水面宽度一致，两侧不产生平面回流漩涡，使消力池平面上的单宽流量和流速分布均匀，减轻了对下游的冲刷。

图8.54　扩散形陡坡

图8.55　跌水口形式

工程实践表明，这种陡坡运用效果良好。一般用于跌差在2.5～5.0m的情况。

③陡坡段的人工加糙

在陡坡段上进行人工加糙，对促使水流紊动扩散，降低流速，改善下游流态及消能均起着重要作用。其作用的大小与人工加糙的布置形式、尺寸等均有密切关系。一般通过模型试验确定。

常见的加糙形式有交错式矩形糙条、单人字形槛、双人字形槛、棋布形方墩等，如图8.56所示。设计时可参考有关书籍。

2）消力池及出口连接段

陡坡出口消能一般都采用消力池，使水流在池中发生淹没水跃以消减水流能量，其布置形式与跌水相似。为了提高消能效果，消力池中常设一些辅助消能工，如消力齿、消力墩、消力肋及尾槛等。

图8.56　人工糙面形式

复习思考题

1.渠道布置时应考虑哪些因素？

2.试说明渡槽的作用、组成部分和类型，以及设计渡槽有哪些基本要求。

3.梁式渡槽的支承形式有哪几种？各有何优缺点？各自的适用条件是什么？

4.渡槽的总体布置和槽址选择要考虑哪些因素？

5.试说明渡槽常用基础的种类及适用范围。

6.拱式渡槽与梁式渡槽相比有哪些特点？

7.主拱圈的形式有哪几种？它们的适用条件是什么？

8.拱上结构的形式有哪几种？各有什么特点？

9.试说明倒虹吸管的组成、各部分的作用和构造。

10.倒虹吸管的布置形式有哪几种？

11.什么是跌水、陡坡？这二者有何区别？

12.跌水一般由哪几部分组成？各部分的作用是什么？

13.试说明陡坡的组成部分及各部分的作用。

14.渡槽槽身漏水的处理措施有哪些？

15.渡槽基础沉陷的处理措施有哪些？