高水頭大跨度倒虹吸設(shè)計探討

【摘要】本文以觀文水庫灌區(qū)大田坳倒虹吸為例，該倒虹吸具有HD值大、線路長及水頭大等特點(diǎn)，國內(nèi)處于完工階段且規(guī)模相近的工程較少，能夠用于借鑒的經(jīng)驗(yàn)相對有限，有著較大的工程設(shè)計技術(shù)難度。

【關(guān)鍵詞】觀文水庫；高水頭大跨度；倒虹吸；設(shè)計

1.工程概況

觀文水庫位于赤水河左岸一級支流菜板河的右岸支流白泥河上游，壩址地處四川省古藺縣觀文鎮(zhèn)五桂村和復(fù)興村交界處，距古藺縣城50km，控制集水面積26.1km2，多年平均年徑流量1303萬m3，是一座以農(nóng)業(yè)灌溉為主、兼顧?quán)l(xiāng)村供水等綜合利用的中型水利工程。大田坳倒虹吸位于觀文水庫灌區(qū)椒園分干渠樁號0+652～1+644處。大田坳倒虹吸設(shè)計流量1.32m3/s，總長度992m，設(shè)計最大水頭171m。

2.倒虹吸地形地質(zhì)條件

2.1流域概況

觀文水庫地處古藺縣觀文鎮(zhèn)五桂村土灰壩，位于白泥河上游，壩軸線位于東經(jīng)105°55′25″，北緯27°51′59″。白泥河是赤水河左岸一級支流菜板河的右岸支流，壩址以上集水面積26.10km2，河道長9.24km，河道平均比降14.3‰。白泥河流域?qū)偎拇ㄅ璧啬暇壣降氐囊徊糠?，處于大婁山褶皺帶西段北?cè)，為海拔400m～1500m的中山和低山，山脊線近于東西走向。流域內(nèi)海拔1000m以上的山地約占總面積的60%。流域內(nèi)地勢高竣，群山重疊，河谷深切400m～600m，地面起伏甚大，由西向東、北、南三面向赤水河傾斜。

2.2工程地質(zhì)

（1）地形地貌。渠線經(jīng)過地帶主要為低中山區(qū)，河谷切割較深，山高坡陡，山體連綿，地勢總體西南高東北低。地形地貌受巖性控制較明顯。（2）地層巖性。工程區(qū)內(nèi)除第四系崩坡積、坡洪積層、坡殘積和沖積等松散地層分布外，出露基巖為侏羅系、三疊系、二疊系、志留系、奧陶系的多個巖組。（3）地質(zhì)構(gòu)造。渠系一帶構(gòu)造形跡主要為東西向褶皺，斷層不發(fā)育。（4）物理地質(zhì)現(xiàn)象。據(jù)地表調(diào)查測繪，渠線未發(fā)現(xiàn)泥石流和滑坡等不良地質(zhì)體分布。工區(qū)物理地質(zhì)現(xiàn)象主要表現(xiàn)為巖石的物理風(fēng)化卸荷、崩塌。（5）巖溶發(fā)育特征。巖溶主要發(fā)育于二疊系茅口組和三疊系茅草鋪組灰?guī)r及泥灰?guī)r中，巖溶主要為溶溝、溶槽及溶隙，主要發(fā)育在地形較緩的斜坡、緩坡地段或洼地周圍，渠線主要地層中未見大型的暗河、漏斗、落水洞發(fā)育。

3.倒虹吸系統(tǒng)設(shè)計

3.1水力計算

倒虹吸管水力設(shè)計任務(wù)是通過水力計算選定管道的橫斷面尺寸，以及進(jìn)、出口段各個部分的布置形式、尺寸和有關(guān)高程。在山丘區(qū)，渠道走線高，水頭豐裕，充分利用落差，選擇較大的管內(nèi)流速和較小的過水?dāng)嗝妫怨?jié)省工程量和降低造價。

倒虹吸管在輸水過程中，因克服阻力而消耗了能量，損失了水頭，使管道出口處水面高程恢復(fù)不到進(jìn)口處水面高程。因此，進(jìn)、出口水位差的大小，決定了倒虹吸內(nèi)的水頭損失。倒虹吸與上下游渠道結(jié)合起止斷面之間總水頭損失由進(jìn)口漸變段水頭損失、倒虹吸管水頭損失和出口擴(kuò)散段水頭損失三部分組成。

按照設(shè)計流量初步確定倒虹吸管進(jìn)出口地面高程后，分別驗(yàn)算通過小流量、加大流量時上下游水位銜接，并保證小流量時倒虹吸進(jìn)出口仍處于淹沒狀態(tài)，通過加大流量時，管道進(jìn)出口水面高程、渠堤頂部高程滿足超高安全運(yùn)行要求。出口發(fā)生遠(yuǎn)驅(qū)式水躍時，設(shè)置消力池。水頭損失計算，水頭損失計算公式：

3.3結(jié)構(gòu)布置

（1）進(jìn)口段。進(jìn)口段包括漸變段、進(jìn)水口、沉沙池、攔污柵、閘門、進(jìn)水池等。漸變段長度為上游渠道設(shè)計水深的3～5倍，并適當(dāng)取舍。結(jié)構(gòu)型式為扭曲面漸變段，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。進(jìn)水口為喇叭口型式，以減少水頭損失，喇叭口后接管身。沉沙池設(shè)在攔污柵前，以攔截渠道水流中攜帶的大粒徑沙石及雜物，防止進(jìn)入管道造成磨損和淤積。池長為4～5倍的上游渠道水深，池寬為2～3倍的上游渠道底寬，并適當(dāng)取舍。為方便管道的清淤、檢修及臨時防止洪水進(jìn)入管內(nèi)，在進(jìn)口上游設(shè)置閘門控制；為防止漂浮物或人畜落入渠內(nèi)而被吸入倒虹管，在閘前設(shè)攔污柵。進(jìn)水池用來減緩流速，平定流態(tài)，以保證管道通過不同流量，包括最小流量時不致形成漩渦或空氣進(jìn)入。（2）出口段。包括出水口、消力池、漸變段等在倒虹管軸線方向變化處、斜坡管段坡度較陡和管段較長時應(yīng)設(shè)置鎮(zhèn)墩，以承受彎道處外力和防止管身下滑。鎮(zhèn)墩采用C20混凝土澆筑。（3）管線設(shè)計。管線布置應(yīng)根據(jù)地形、地質(zhì)條件，工程規(guī)模和工程總體布置要求，一般要求線路宜短而直，使水流平順、水頭損失小、工程量少、造價低。管線應(yīng)選擇在地形、地質(zhì)條件優(yōu)越地區(qū)，應(yīng)避開滑坡、崩塌或受地下水危害等地段。管線在立面上，應(yīng)力求避免上凸現(xiàn)象。（4）細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計。根據(jù)管材比較，本次渠系倒虹吸管管材全部采用鋼管，鋼管表面應(yīng)加強(qiáng)抗氧化和抗腐蝕措施，采用鎮(zhèn)墩、支墩間斷式管座脫離地面布置。鋼管的鎮(zhèn)墩間距根據(jù)地形條件和穩(wěn)定計算結(jié)果分別是50～100m，豎向和橫向轉(zhuǎn)彎處設(shè)置鎮(zhèn)墩，鋼管在兩鎮(zhèn)墩之間的較高側(cè)設(shè)置特制的伸縮沉陷柔性接頭。管道泄水孔、沖沙孔底部高程高于河道庫水位，布置在最低位置的鎮(zhèn)墩上和橋式倒虹吸管道的最低部位。在鋼管倒虹吸管最低布置設(shè)置進(jìn)人檢查孔，對于鋼管孔徑不小于500mm，間距200～300m。在倒虹吸管凸起的管身頂部設(shè)置自動排氣閥。倒虹吸管旁邊設(shè)置檢修通道和兩岸坡上的人行臺階。高水頭倒虹吸的兩岸坡人行臺階和橋式倒虹吸管的兩側(cè)，以及水深較大的進(jìn)口、出口周圍設(shè)置安全圍欄以及安全警示牌。因倒虹吸壓力鋼管采用鎮(zhèn)墩、支墩間斷式管座脫離地面布置，在支墩處或鎮(zhèn)墩除鋼管上外壁上設(shè)有支撐環(huán)，并根據(jù)規(guī)范布設(shè)加勁環(huán)，以增加管壁的剛度。

4.結(jié)語

觀文水庫結(jié)合古藺縣地質(zhì)情況，做到對流域內(nèi)十分匱乏水資源的充分利用，能有效解決古藺縣用水問題，工程重要性與意義凸顯。（1）倒虹吸。邊坡段運(yùn)用明管布置，而對于跨河段，則選用明鋼管過橋方案，即波紋管+鎮(zhèn)墩型式，與橋梁變形相適應(yīng)。（2）對倒虹吸鋼管橋梁整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析得知，對橋梁、變形與鋼管應(yīng)力進(jìn)行研究，采用倒虹吸結(jié)構(gòu)布置，經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，倒虹吸系統(tǒng)乃是可行的。

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