穿河倒虹吸抗洪減震的設(shè)計(jì)理念及應(yīng)用

□ 李恩義 許韌初

一、概述

目前在我國水利工程中，已經(jīng)建成或正在建設(shè)的穿河倒虹吸數(shù)量眾多。其穿河結(jié)構(gòu)形式通常采用“埋管（無防護(hù)壩）式”、“橋管式”和“埋管（有防護(hù)壩）式”等三種。

那么，應(yīng)該依據(jù)怎樣的設(shè)計(jì)理念，去選擇倒虹吸的穿河結(jié)構(gòu)形式呢？本文將通過作者親身參與建設(shè)的流沙河兩河口倒虹吸工程實(shí)例，對(duì)這個(gè)問題做一番實(shí)質(zhì)性的探討。

汶川大地震之后，為解決整體搬遷的漢源新縣城居民生活和沿途工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)供水的需求，國務(wù)院于2010年撥?？钆d建永定橋輸水工程。

流沙河屬于大渡河的支流，位于四川省雅安市漢源縣境內(nèi)，其流經(jīng)該縣富莊鎮(zhèn)兩河口下游187m的位置，就是永定橋輸水工程兩河口倒虹吸的穿河軸線位置，其底部埋設(shè)的穿河倒虹吸鋼管長度為82m（底部直線段長度，未計(jì)下河斜坡段長度）。

倒虹吸流水方向?yàn)椋菏瘝徤剿矶闯隹诩捌浒登魃澈觾珊涌诘购缥ê蟀渡襟w及河灘段、河床段、右岸共計(jì)三大段）→寨子山隧洞進(jìn)口。參見圖1。

圖1 流沙河兩河口穿河倒虹吸相對(duì)位置示意圖

流沙河兩河口倒虹吸全長2 015m，采用900mm直徑鋼管進(jìn)行全程雙管布置。其中：左岸山體及河灘段長度為1 450m，右岸長度為483m，河床段長度為82m，本文所述“穿河倒虹吸”特指此段長度為82m的直線段。參見圖1

二、設(shè)計(jì)理念的由來

流沙河兩河口穿河倒虹吸原設(shè)計(jì)為“埋管（無防護(hù)壩）式”穿河結(jié)構(gòu)形式。

2010年5月，中標(biāo)單位葛洲壩集團(tuán)五公司項(xiàng)目部（以下簡(jiǎn)稱“項(xiàng)目部”）進(jìn)場(chǎng)后，通過查看本工程多年暴雨資料，得知流沙河是一條流量暴漲暴落極為強(qiáng)烈的季節(jié)性河流。并在隨后不久就見證了這個(gè)暴雨資料的準(zhǔn)確性：

2010年7月17日，流沙河上游流域發(fā)生了百年一遇的特大暴雨，僅僅48小時(shí)后就產(chǎn)生了超過800m3/s的洪峰流量（枯水期流量一般在20～30m3/s）。距離穿河倒虹吸位置下游350m處的一座大橋，其圍護(hù)左岸橋基上下游兩側(cè)約50m范圍內(nèi)的混凝土漿砌石河堤被徹底沖毀，洪水撕裂了左岸橋基與陸地的連接，出現(xiàn)了寬度達(dá)到10cm以上的貫穿性裂縫。

地方政府在洪水過后及時(shí)對(duì)損毀部位進(jìn)行了加固處理，特別是在特大洪水過后的當(dāng)年枯水期至次年汛期之間，在大橋下游主河道55m處修建了一座攔河鋼筋混凝土防護(hù)壩：利用壩體阻擋洪水并溢流，使得該壩體至大橋附近范圍形成相對(duì)靜水區(qū)，從而大幅度削減了洪水對(duì)左岸橋基與河堤的沖擊動(dòng)能。經(jīng)過2011、2012和2013年三個(gè)汛期的運(yùn)行考驗(yàn)，該防護(hù)壩運(yùn)行良好，被保護(hù)的左岸橋基、護(hù)岸河堤及其他修復(fù)部位運(yùn)行良好。

由于該大橋與兩河口倒虹吸位于同一條河流（流沙河）上，且距離僅為350m，完全處于同一個(gè)暴雨形成區(qū)域，任何時(shí)間段內(nèi)幾乎在承受同一個(gè)流量的沖擊能量。因此，大橋下游的防護(hù)壩完全可以視為兩河口倒虹吸工程一個(gè)成功的生產(chǎn)性防護(hù)試驗(yàn)壩。

于是，項(xiàng)目部借鑒大橋下游防護(hù)壩消能的成功經(jīng)驗(yàn)與汶川大地震的損毀教訓(xùn)，引申到本工程為“防護(hù)壩抗沖”的抗洪設(shè)計(jì)理念與“外部柔性材料＋內(nèi)部?jī)?yōu)質(zhì)16Mn鋼管＋鋼筋石籠宣泄口”的組合式減震設(shè)計(jì)理念，撰寫了《流沙河兩河口“埋管（有防護(hù)壩）式”穿河倒虹吸設(shè)計(jì)及施工方案》，上報(bào)監(jiān)理和業(yè)主單位。

三、設(shè)計(jì)理念的探討

監(jiān)理和業(yè)主單位對(duì)項(xiàng)目部上報(bào)的方案極為重視，邀請(qǐng)了多位水利專家進(jìn)行聯(lián)合審查；并組織本工程各個(gè)參建單位的技術(shù)負(fù)責(zé)人召開多次專題會(huì)議，對(duì)三種穿河倒虹吸在適應(yīng)性、重要性、施工可行性和資金用量等設(shè)計(jì)理念范疇內(nèi)的各項(xiàng)重要指標(biāo)進(jìn)行了充分的探討和論證。論證的主要內(nèi)容是：對(duì)“埋管（有防護(hù)壩）式”的穿河倒虹吸除了進(jìn)行定性分析之外，還進(jìn)行了模型試驗(yàn)的演算與理論分析；對(duì)“埋管（無防護(hù)壩）式”及其“橋管式”穿河倒虹吸只做定性分析。為清晰起見，將探討和論證融入各自的“優(yōu)點(diǎn)”和“缺點(diǎn)”進(jìn)行敘述：

（一）“埋管（無防護(hù)壩）式”

1.優(yōu)點(diǎn)

施工項(xiàng)目?jī)H為開挖及埋管，簡(jiǎn)單易行，沒有互相干擾問題；建設(shè)資金投入不多。

2.缺點(diǎn)

（1）洪水的毀滅性影響。隨著流沙河水流、泥沙及其石塊的不斷侵蝕，特別是汛期洪水暴漲暴落形成強(qiáng)大的沖擊動(dòng)能與勢(shì)能，將迫使倒虹吸鋼管不可避免地產(chǎn)生裸露→位移→變形→損毀。并連帶危及右岸寨子山底部、左岸河灘下河段倒虹吸鋼管的安全。從而導(dǎo)致整個(gè)永定橋輸水工程終止運(yùn)行。因此，洪水對(duì)“埋管（無防護(hù)壩）式”結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生毀滅性影響，堅(jiān)決不能采用。

（2）地震的重大影響。一旦遭遇震級(jí)與烈度較大的地震，強(qiáng)烈的地震波能量將迫使在沒有防護(hù)條件下的倒虹吸管道產(chǎn)生位移、扭曲等破壞現(xiàn)象，從而導(dǎo)致倒虹吸管道變形、漏水直至損毀。因此，地震對(duì)“埋管（無防護(hù)壩）式”結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生重大影響，也不能采用。

（3）使用壽命將會(huì)因?yàn)楹樗c地震的不設(shè)防而大為縮短。

（二）“橋管式”

1.優(yōu)點(diǎn)

不受洪水影響；對(duì)鋼管材質(zhì)要求不是太高；技術(shù)可行；施工不復(fù)雜。

2.缺點(diǎn)

“橋管式”中的“橋”不是公路橋，其寬高比決定了抗震性能差。而流沙河流域恰恰距離汶川地震帶很近，可以基本認(rèn)定流沙河流域?qū)儆诘卣饚Щ钴S區(qū)域（施工期間的雅安地震就是證明）。因此，如果采用“橋管式”結(jié)構(gòu)的穿河倒虹吸，地震將是致命影響，應(yīng)該否決。

（三）“埋管（有防護(hù)壩）式”

對(duì)于“抗洪”，采用水工模型試驗(yàn)與理論分析相結(jié)合的辦法進(jìn)行設(shè)計(jì)：

首先根據(jù)兩河口倒虹吸河床實(shí)測(cè)地形資料和水文資料，結(jié)合理論分析作出此處屬于水流阻力平方區(qū)、且滿足重力相似和紊動(dòng)阻力相似條件的判斷，建立一個(gè)盡可能與兩河口河床在洪峰流量狀態(tài)下的水力學(xué)條件相似模型：

取當(dāng)?shù)厮恼緦?shí)測(cè)資料百年一遇洪峰流量為QP=826m3/s、流速為VP=8.78m/s；取長度比尺為λL=20,得出模型流速為VM=VP/λV=VP/√λL=8.78/√ 20=8.78/4.472=1.963m/s； 模 型 流 量 QM=QP/λq=QP/λL2.5=826/202.5=0.462m3/s.

然后根據(jù)模型流速和模型流量，可以得到防護(hù)壩壩體迎水面所受的最大沖擊力FP：

FM=1/2×H2r+ma=1/2×H2r+r QM t×VM/t=r(1/2×H2+QM×VM)

由λF=λL3， λF =FP/FM，，代入上式得：

FP=λF×FM=λL3×r(1/2×H2+QM×VM)

式中：取水的容重r=1；2010年7月實(shí)測(cè)最大水深H=3.3m,代入得 FP=5.08×105kn.

最終根據(jù)這個(gè)FP數(shù)值、百年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)和面板溢流壩的其他相關(guān)技術(shù)參數(shù)（因涉及“抗洪”的份量不大，且限于本文篇幅，故從略）去進(jìn)行防護(hù)壩的設(shè)計(jì)，做出“抗洪”的最終布置，參見圖2.

對(duì)于“減震”，采用“內(nèi)剛外柔”的思路進(jìn)行設(shè)計(jì)：

由于地震的發(fā)生存在相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性和不確定性，工程界至今尚無成熟的力學(xué)模型和計(jì)算公式應(yīng)用于各類工程。基于這種現(xiàn)實(shí)，采用力學(xué)平衡原理進(jìn)行假設(shè)和推導(dǎo)，對(duì)兩河口倒虹吸工程進(jìn)行“內(nèi)剛外柔”的減震設(shè)計(jì)，力求將地震對(duì)倒虹吸管的破壞程度降到最低。

“內(nèi)剛外柔”減震設(shè)計(jì)的要點(diǎn)是：

1.“內(nèi)剛”的原定鋼管壁厚為20mm，在專題會(huì)議上一致決定改為25mm。

2.“外柔”結(jié)構(gòu)力求簡(jiǎn)單、規(guī)則、對(duì)稱，故采用正梯形結(jié)構(gòu)；“外柔”所用材料盡可能柔和并且各向同性，故采用粒徑為30mm的礫石材料。

3.具有明確的理論分析、計(jì)算簡(jiǎn)圖（參見圖3：具體假設(shè)、推導(dǎo)和計(jì)算過程從略）。其主要計(jì)算結(jié)果：

震后表象推測(cè)：就像什么也沒有發(fā)生過（相當(dāng)于承受5級(jí)以下地震）。

按“彈性地基”、“地下埋管”、“正常工作”狀態(tài)，計(jì)算得出管壁應(yīng)力值σ＝77.58MPa,查得相同狀態(tài)下規(guī)范允許應(yīng)力[σ]＝122.78MPa，二者之差[σ]－σ＝45.2MPa就是衰減之后“足夠大”的容許地震應(yīng)力，我們表征為：σ中≦[σ]－σ＝45.2MPa.

震后表象推測(cè)：鋼筋石籠處有豁口、但防護(hù)壩和鋼管安然無恙（相當(dāng)于承受5～7級(jí)地震）。

（3）當(dāng)σ中很大時(shí)：一旦σ中與σ疊加達(dá)到或超過規(guī)范允許應(yīng)力[σ]＝122.78MPa，也無需太過擔(dān)心，因?yàn)榇藭r(shí)尚存最后一道“內(nèi)鋼”屏障：鋼管16Mn鋼材的[σ]允許高達(dá)214MPa，這之間還有214－122.78≈90MPa，應(yīng)該可以抵擋大級(jí)別的地震。

震后表象推測(cè)：鋼筋石籠處有大豁口、防護(hù)壩蓋板與溢流面局部損毀、防護(hù)壩出現(xiàn)裂縫、礫石柔性層局部擾動(dòng)、但鋼管應(yīng)該無恙（相當(dāng)于承受8級(jí)及以上級(jí)別地震）。

4.具有明確的結(jié)論：鋼管的埋設(shè)位置是：基坑1:1邊坡正梯形礫石回填部位的幾何中心位置（距離礫石頂部與底部均為1.21m、距離兩側(cè)邊坡均為1.2m、兩根鋼管之間距離2.4m）；礫石回填密實(shí)之后的厚度為2.42m，其密實(shí)度＞90%；兩根鋼管～“宣泄口”鋼筋石籠的距離分別為4.54m和6.46m。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)要點(diǎn)及計(jì)算結(jié)果，并統(tǒng)籌考慮與防護(hù)壩的協(xié)調(diào)性，做出“減震”的最終布置。我們來看圖2“埋管（有防護(hù)壩）式”的結(jié)構(gòu)組成：

5.優(yōu)點(diǎn)

（1）對(duì)特大洪水的消能

在原河床線與防護(hù)面板交接處，特意留出頂寬為3.5m的缺口，布置鋼筋石籠壓住邊坡與原土回填的起始頂部。

從圖2中可以看出：當(dāng)特大洪水來臨時(shí)，首先由鋼筋石籠進(jìn)行初步消能，同時(shí)由于鋼筋石籠的透水性能好，對(duì)底部的回填原土及礫石層起到了反濾作用，有效地保護(hù)了回填礫石體內(nèi)的穿河倒虹吸不受沖擊。

圖2 流沙河兩河口穿河倒虹吸與防護(hù)壩結(jié)構(gòu)布置剖面圖

當(dāng)洪水越過鋼筋石籠，下掏的勢(shì)能則被穿河倒虹吸頂部設(shè)置的厚度為50cm的C40鋼筋混凝土防護(hù)面板牢牢鎖??；前沖的動(dòng)能則被下游設(shè)置的C30鋼筋混凝土重力防護(hù)壩死死抵住，這樣，在防護(hù)面板和防護(hù)壩體的共同作用下，大幅度消減了洪水的能量。

（2）對(duì)地震波的衰減

從圖2和圖3中可以看出：倒虹吸鋼管和礫石層組成了一個(gè)“內(nèi)剛外柔”的聯(lián)合體（鋼管采用攀鋼生產(chǎn)的特級(jí)優(yōu)質(zhì)16Mn鋼材，壁厚25mm），當(dāng)?shù)卣鸩▉砼R在還沒來得及進(jìn)入鋼管之前，就被外層的回填礫石層盡量“照單全收”，剩余進(jìn)入倒虹吸鋼管的地震波則屬于被嚴(yán)重衰減之后的地震波。

即使遭遇8級(jí)及其以上的特大地震，“內(nèi)剛外柔”聯(lián)合體一旦接受不了過多的地震波能量，圖2設(shè)計(jì)的鋼筋石籠位置就是一個(gè)地震波多余能量的宣泄口，這個(gè)宣泄口既可以使得“內(nèi)剛外柔”聯(lián)合體只做彈性脈動(dòng)，而不是剛性破壞；又可以使得頂部C40鋼筋混凝土防護(hù)面板避開大部分的地震波能量，從而可以大概率得以不致被破壞，局部小的破壞可以在震后修復(fù)加固（參見圖2、圖3）。

當(dāng)然，地震效應(yīng)是復(fù)雜的，不能說按圖2布置就一定能夠保證穿河倒虹吸萬無一失。重要的是：合理的設(shè)計(jì)與高質(zhì)量的施工可以有效地衰減地震效應(yīng)，這一點(diǎn)是毫無疑問的。

（3）延長使用壽命

按照?qǐng)D2進(jìn)行穿河倒虹吸布置，既徹底抵抗了洪水的沖擊能量，又高效衰減了地震波能量，這就自然而然地連帶產(chǎn)生了另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，那就是：可以延長穿河倒虹吸的使用壽命（設(shè)計(jì)使用壽命50年）。

6.缺點(diǎn)

圖3 兩河口穿河倒虹吸鋼管地震受力分析圖

造價(jià)比較高：流沙河兩河口“埋管（有防護(hù)壩）式”穿河倒虹吸的造價(jià)達(dá)到了1 245萬元，是“埋管（無防護(hù)壩）式”的5.76倍，或者是“橋管式”的2.42倍。

表面上看造價(jià)的確較高，但由于本工程的重要性與特殊性（政府要求在百年一遇洪水或者8級(jí)以內(nèi)地震的情況下確保供水），在大概率發(fā)生洪水和地震危機(jī)的流沙河建造這樣高級(jí)別的穿河倒虹吸，是物有所值的。

四、設(shè)計(jì)理念的應(yīng)用

由于業(yè)主和專家組的高度重視和評(píng)價(jià)，業(yè)主決定取消原設(shè)計(jì)，同時(shí)要求設(shè)計(jì)單位以項(xiàng)目部上報(bào)的《流沙河兩河口“埋管（有防護(hù)壩）式”穿河倒虹吸設(shè)計(jì)及施工方案》為藍(lán)本進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和完善，本文的圖2就是經(jīng)過完善之后最終的設(shè)計(jì)圖紙（部分）。

流沙河兩河口穿河倒虹吸于2013年2月15日開始施工，至2013年6月28日順利施工結(jié)束，期間于2013年4月20日上午8時(shí)02分在進(jìn)行基坑防護(hù)壩鋼筋架設(shè)時(shí)遭遇雅安7級(jí)地震，現(xiàn)場(chǎng)工人反映震感強(qiáng)烈，所幸沒有造成大的損毀。

在施工結(jié)束后的不久（2013年7月25日）就接受了一次汛期洪峰流量達(dá)到580m3/s的洪水考驗(yàn)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查和檢測(cè)，穿河倒虹吸頂部面板、防護(hù)壩壩體以及鋼筋石籠等建筑物運(yùn)行良好，消能效果良好，證明了設(shè)計(jì)理念的正確性。

當(dāng)然，建成后的兩河口倒虹吸對(duì)地震波的衰減效應(yīng)還有待于今后的實(shí)踐檢驗(yàn)，但我們認(rèn)為會(huì)有一個(gè)好的效果。

五、結(jié)束語

對(duì)于類似于流沙河這樣暴漲暴落極為強(qiáng)烈、同時(shí)還處于地震頻繁活動(dòng)帶流域的季節(jié)性河流，其穿河倒虹吸必須采用“埋管（有防護(hù)壩）式”；盡量不采用“橋管式”；杜絕采用“埋管（無防護(hù)壩）式”。

對(duì)于暴漲暴落不強(qiáng)烈、所處流域沒有明顯地震活動(dòng)帶的河流，其穿河倒虹吸建議采用“橋管式”；慎重采用“埋管（無防護(hù)壩）式”。

對(duì)于沒有暴漲暴落、所處流域沒有地震活動(dòng)帶的非季節(jié)性河流，其穿河倒虹吸建議采用“埋管（無防護(hù)壩）式”。