千島湖配水工程淥渚江倒虹吸管布置優(yōu)化設(shè)計(jì)

李進(jìn)，房敦敏，陳永紅

（1.杭州市千島湖原水股份有限公司，浙江杭州，310016；2.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州，311122）

千島湖配水工程淥渚江倒虹吸管布置優(yōu)化設(shè)計(jì)

李進(jìn)1，房敦敏2，陳永紅2

（1.杭州市千島湖原水股份有限公司，浙江杭州，310016；2.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州，311122）

杭州市千島湖配水工程淥渚江倒虹吸段地質(zhì)條件較差，周邊影響因素較多。對(duì)倒虹吸管原設(shè)計(jì)布置方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，將右岸臺(tái)地段輸水鋼管抬高5 m，并從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與施工條件對(duì)原方案與優(yōu)化方案進(jìn)行綜合比較分析，認(rèn)為優(yōu)化方案可行且具備明顯優(yōu)勢(shì)。優(yōu)化方案較原設(shè)計(jì)方案土方開(kāi)挖及回填量均減少13萬(wàn)m3，工期可減少3個(gè)月，且開(kāi)挖料臨時(shí)堆場(chǎng)規(guī)模減小，有利于環(huán)境保護(hù)。

倒虹吸；基坑；不均勻沉降；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 工程概況

杭州千島湖配水工程淥渚江倒虹吸管段明挖基坑長(zhǎng)約833 m，原設(shè)計(jì)基坑最大深度約18 m，最大寬度約80 m?；娱_(kāi)挖深度范圍主要為含礫石粉質(zhì)粘土、青灰色粉質(zhì)粘土及含泥砂礫石層。含礫石粉質(zhì)粘土與含泥砂礫石層多屬中等透水性。

淥渚江倒虹吸管段按照明管設(shè)計(jì)，鋼管及加勁環(huán)材質(zhì)均采用16MnR鋼，抗外壓穩(wěn)定安全系數(shù)要求均大于1.8。鋼管內(nèi)徑5 m，鋼襯壁厚22 mm，每間距3 m設(shè)置一道加勁環(huán)，加勁環(huán)厚度22 mm，高30 cm。

淥渚江倒虹吸管段鋼管外包C25混凝土，并布置一圈防裂鋼筋。基巖面以上主河槽段埋管外包混凝土厚1.0 m，其余段0.8 m。鋼管基礎(chǔ)坐落在強(qiáng)風(fēng)化基巖上。

原深基坑設(shè)計(jì)、施工方案將占用大量農(nóng)田，存在基坑邊坡易失穩(wěn)、基坑排水難度大、汛期易被江水淹沒(méi)、需大量臨時(shí)借地用于堆放開(kāi)挖料，干擾當(dāng)?shù)氐恼＝煌?、生活等不利因素。為加快工程建設(shè)進(jìn)度，減少施工對(duì)環(huán)境的不利影響，有必要對(duì)基坑設(shè)計(jì)、施工方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

2 原設(shè)計(jì)布置方案

2.1 總體布置

淥渚江河道底高程為2.0～3.1 m（黃海高程系），江底管道水平段底高程-8.3 m，左右側(cè)灘地段地面高程一般為10～11 m，埋管底高程-3.0 m，基坑最大深度約18 m，最大開(kāi)挖寬度約80 m。

沿基坑兩側(cè)開(kāi)口線5 m范圍處各布置一排高噴防滲墻，高噴防滲墻兩端向山體延伸至地下水位以上，墻體滲透系數(shù)要求≤5×10-5cm/s，抗壓強(qiáng)度≥5.0 MPa，有效墻厚不小于0.8 m，孔距1.0 m，鉆孔的孔底至基巖面以下0.5 m。此處基巖面主要是含泥砂礫卵石與全強(qiáng)風(fēng)化粉細(xì)砂巖的交界面。

原設(shè)計(jì)倒虹吸管橫剖面布置詳見(jiàn)圖1。

2.2 施工存在的問(wèn)題

（1）基坑防汛難度大。淥渚江倒虹吸段重現(xiàn)期5年的洪水流量達(dá)1 124 m3/s，非汛期重現(xiàn)期5年的洪水流量達(dá)400 m3/s，水位達(dá)高程10.7 m。淥渚江倒虹吸段水位受富春江水位頂托，汛期水位較高，右岸地勢(shì)低洼，施工期較長(zhǎng)時(shí)，基坑存在被洪水淹沒(méi)的可能。

（2）基坑排水難度大。由于右岸臺(tái)地段地下水位埋深較淺，埋管基坑面積大，開(kāi)挖深度15.5～18 m，基坑邊坡主要為含礫石粉質(zhì)粘土與含泥砂礫石層，多屬中等透水性，基坑施工期風(fēng)險(xiǎn)（邊坡穩(wěn)定、截排水）較大。由于施工需分區(qū)開(kāi)挖，高壓旋噴注漿防滲墻形成的封閉圈難以完全避免江水內(nèi)滲，深基坑下滲水較大，基坑排水難度大大增加。

（3）對(duì)土地、環(huán)境擾動(dòng)大?；娱_(kāi)挖土方量（含砂礫卵石）超過(guò)40萬(wàn)m3，土方填筑所需填筑料考慮從開(kāi)挖料中選取，開(kāi)挖料堆放在臨時(shí)堆料場(chǎng)暫存，填筑需要時(shí)再?gòu)亩汛纥c(diǎn)回采。由于土方開(kāi)挖量大，且大量為含礫粉質(zhì)粘土，開(kāi)挖料臨時(shí)堆放難度大、對(duì)環(huán)境影響大。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案布置

淥渚江倒虹吸段右岸臺(tái)地寬度約550 m，原設(shè)計(jì)方案將埋管布置在強(qiáng)風(fēng)化下限地層，需進(jìn)行深基坑、大面積開(kāi)挖。根據(jù)前期鉆孔勘探和施工期補(bǔ)充勘探成果，右岸臺(tái)地基巖上方為厚度6～7 m含泥砂礫卵石層，呈稍密～中密狀，變形模量約20 MPa，地基承載力較高，特征值fak=300 kPa。

國(guó)內(nèi)修建在覆蓋層上的水工建筑物工程實(shí)例眾多，如南水北調(diào)配套工程南干渠工程區(qū)所在北京地區(qū)屬華北地層分區(qū)，場(chǎng)區(qū)內(nèi)均被第四系全新統(tǒng)沖洪積層覆蓋，其沉積物主要為永定河沖洪積物，采用地下暗涵型式，地下暗涵坐落在卵石層上。又如四川康定小天都水電站，裝機(jī)容量24萬(wàn)kW，壩基覆蓋層為漂卵石夾砂，最大深度達(dá)101 m，最大閘（壩）高39 m，閘（壩）修建在覆蓋層上，至今已安全運(yùn)行10多年。

因此，修建在覆蓋層上的水工建筑物只要統(tǒng)籌解決好基礎(chǔ)承載力和不均勻沉降問(wèn)題，就能將建筑物基礎(chǔ)上抬，減少開(kāi)挖、加快工期。優(yōu)化方案主要考慮將右岸臺(tái)地段鋼管整體上抬5 m，埋管基礎(chǔ)坐落于含泥卵礫石層上，具體如下。

右岸臺(tái)地段鋼管69+904.5～70+372.5 m段整體抬高5 m（上方已建天然氣管道影響段仍維持原設(shè)計(jì)），基礎(chǔ)坐落在含泥砂礫卵石層上。倒虹吸段借鑒河床式水電站壓力鋼管穿越廠壩結(jié)構(gòu)縫時(shí)，跨縫段鋼管外包彈性墊層，以適應(yīng)廠壩之間不均勻變形，在跨淥渚江倒虹吸右岸輸水鋼管沿線，每隔100 m外包混凝土設(shè)一道橫縫（伸縮縫），以適應(yīng)不均勻沉陷，橫縫內(nèi)充填高壓聚乙烯閉孔泡沫塑料。橫縫兩側(cè)各5 m，緊貼鋼管設(shè)置全包彈性墊層，墊層材料采用高壓聚乙烯閉孔泡沫塑料，厚3 cm，單個(gè)全包彈性墊層段長(zhǎng)度10 m。

倒虹吸管右岸臺(tái)地段縱剖面布置及鋼管外包墊層設(shè)計(jì)詳見(jiàn)圖2～3。

圖1 倒虹吸管橫剖面布置圖（原設(shè)計(jì)方案）Fig.1 Layout of cross section of inverted siphon(original scheme)

圖2 優(yōu)化方案縱剖面布置圖Fig.2 Layout of cross section of inverted siphon(optimized scheme)

圖3 鋼管外包墊層設(shè)計(jì)Fig.3 Design of steel pipe cushion

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)復(fù)核分析

4.1 埋管抗浮穩(wěn)定分析

抗浮計(jì)算參照SL 285-2003《水利水電進(jìn)水口設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)水口抗浮穩(wěn)定公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：

經(jīng)計(jì)算，抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)Kf=2.19，外包混凝土的自重作用可保證鋼管不會(huì)上浮，輸水鋼管的抗浮穩(wěn)定與輸水鋼管的埋深沒(méi)有關(guān)系，結(jié)構(gòu)安全。

4.2 基坑邊坡穩(wěn)定分析

采用Rocscience系列Slide二維分析軟件，對(duì)原方案與優(yōu)化方案在基坑開(kāi)挖過(guò)程中的滲流場(chǎng)與邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析。計(jì)算模型包括：原設(shè)計(jì)基坑開(kāi)挖但無(wú)高噴防滲墻、原設(shè)計(jì)基坑開(kāi)挖且有高噴防滲墻、埋管上抬且有高噴防滲墻。

選擇基坑深度較大的倒虹管段為典型斷面，經(jīng)計(jì)算，各方案的基坑滲流場(chǎng)及上下游邊坡滑弧面分布分別如圖4～6所示。各方案基坑滲漏量及邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)見(jiàn)表1。浮力之和（設(shè)計(jì)值），單位kN

圖4 基坑壓力水頭等值線及邊坡滑弧面分布（原設(shè)計(jì)基坑開(kāi)挖、無(wú)高噴防滲墻方案）Fig.4 Pressure head contour of foundation pit and distribution of sliding surface(original scheme without high pressure grout?ing cutoff wall)

圖5 基坑壓力水頭等值線及邊坡滑弧面分布（原設(shè)計(jì)基坑開(kāi)挖、有高噴防滲墻方案）Fig.5 Pressure head contour of foundation pit and distribution of sliding surface(original scheme with high pressure grouting cutoff wall)

圖6 埋管上抬且有高噴防滲墻方案壓力水頭等值線及邊坡滑弧面分布Fig.6 Pressure head contour of foundation pit and distribution of sliding surface(optimized scheme)

滲流及邊坡穩(wěn)定計(jì)算分析表明：

（1）原設(shè)計(jì)基坑開(kāi)挖且無(wú)高噴防滲墻方案，基坑滲流量大，約96.80 m3/d（基坑沿管道方向每延米）。

（2）原設(shè)計(jì)基坑開(kāi)挖且有高噴防滲墻方案，基坑滲漏量可降低至約14.59 m3/d（基坑沿管道方向每延米），滲漏量約減小85%，滲漏控制效果顯著。由于防滲墻的滲控作用明顯，邊坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)略有提高。

（3）基坑開(kāi)挖后施工期排水降壓，基坑兩側(cè)開(kāi)挖邊坡大部分處于干區(qū)，且邊坡為1∶1.8的緩坡，正常狀況施工期開(kāi)挖邊坡整體穩(wěn)定性較好，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)較高，滿足設(shè)計(jì)要求。暴雨工況下，邊坡安全系數(shù)有一定幅度降低，但仍然滿足設(shè)計(jì)要求。由于淥渚江上游側(cè)邊坡馬道寬度較下游側(cè)寬，因此上游側(cè)邊坡比下游側(cè)整體穩(wěn)定性略高。

粗灰分是魚(yú)粉的一種自然屬性，其含量與骨骼組織含量有直接關(guān)系。如果將679個(gè)魚(yú)粉樣本的粗蛋白質(zhì)和粗灰分含量一并作圖，得到圖2。

表1 各方案基坑滲漏量及邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Table 1 Comparison of leakage and stability safety factor of slope in each scheme

（4）相比原基坑開(kāi)挖設(shè)計(jì)方案，埋管上抬方案兩側(cè)邊坡高度降低，基坑滲漏量明顯降低，約為6.28 m3/d（基坑沿管道方向每延米），僅為原設(shè)計(jì)方案的43%。邊坡整體穩(wěn)定安全性也有一定提高。優(yōu)化方案對(duì)基坑涌水量控制和邊坡穩(wěn)定有利。

4.3 埋管應(yīng)力與沉降變形分析

采用ANSYS軟件對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行三維有限元計(jì)算。計(jì)算未考慮鋼管和外包混凝土之間的縫隙，各材料間按綁定接觸考慮，未考慮加勁環(huán)。計(jì)算工況分正常運(yùn)行和完建（放空）兩個(gè)工況，正常運(yùn)行工況內(nèi)水壓力取124 m。

4.3.1 正常運(yùn)行工況

正常運(yùn)行工況下優(yōu)化方案的計(jì)算結(jié)果如圖7～8所示。從圖中可以看出，鋼管段全長(zhǎng)外包混凝土整體變形較協(xié)調(diào)，不均勻沉降變形較小，墊層段兩側(cè)變形最大僅相差約0.3 mm。

鋼襯外包混凝土結(jié)構(gòu)第一主應(yīng)力極值為3.37 MPa，發(fā)生在靠近墊層段內(nèi)側(cè)和鋼襯接觸部位；設(shè)置墊層段襯砌拉應(yīng)力較小，小于0.976 MPa；混凝土壓應(yīng)力極值為-1.70 MPa，發(fā)生在墊層段和普通段分界點(diǎn)。

圖7 整體、混凝土變形示意圖（結(jié)構(gòu)引起的變形，單位：m）Fig.7 Deformation of whole structure and concrete(structural deformation,unit:m)

圖8 混凝土（右為靠近墊層段）第一、第三主應(yīng)力分布示意圖（單位：Pa）Fig.8 Distribution of first and third principal stress on concrete(the right is close to cushion section,unit:Pa)

4.3.2 完建（放空）工況

完建（放空）工況計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖9。從圖中可以看出整體應(yīng)力水平較低，襯砌最大拉應(yīng)力約0.707 MPa，發(fā)生在襯砌內(nèi)側(cè)設(shè)置墊層頂部和底部位置，最大壓應(yīng)力約-1.29 MPa，發(fā)生在襯砌內(nèi)側(cè)設(shè)置墊層中間部位。

4.3.3 敏感性分析

將含泥砂卵礫石層變形模量減少50%后（10 MPa），計(jì)算結(jié)果如表2所示。從表中可以看出，優(yōu)化方案結(jié)構(gòu)單一，襯砌應(yīng)力對(duì)變形模量減小不敏感。

圖9 混凝土第一、第三主應(yīng)力分布示意圖（單位：Pa）Fig.9 Distribution of first and third principal stress on concrete(unit:Pa)

表2 含泥砂卵礫石層變形模量敏感性分析成果Table 2 Sensitivity analysis on deformation modulus of mudbearing sand gravel layer

綜上所述，優(yōu)化方案的不均勻沉降較小，結(jié)構(gòu)安全。

4.4 施工條件分析

優(yōu)化設(shè)計(jì)方案較原設(shè)計(jì)方案土方明挖量減少34%，開(kāi)挖料回填減少36%，施工強(qiáng)度明顯下降，土料堆存難度也相應(yīng)下降。此外，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案基坑深度淺，可降低基坑施工期的風(fēng)險(xiǎn)。從施工角度分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案較原方案具有較明顯的優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)優(yōu)化方案結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全、施工難度、施工進(jìn)度等方面的綜合比較分析，有如下結(jié)論：

（1）從結(jié)構(gòu)受力角度分析，埋管上抬后，滲漏量預(yù)計(jì)僅為原設(shè)計(jì)方案的43%，滲漏量改善顯著；鋼管應(yīng)力及整體沉降計(jì)算成果表明，優(yōu)化方案不均勻沉降相對(duì)較小，結(jié)構(gòu)安全。

（2）從施工角度分析，優(yōu)化方案基坑開(kāi)挖最大深度由18m減小為13m，可降低基坑施工難度和風(fēng)險(xiǎn)；優(yōu)化方案覆蓋層土方開(kāi)挖量、施工強(qiáng)度及土料堆存難度均減小，有利于環(huán)境保護(hù)；同時(shí)，優(yōu)化方案能最大程度創(chuàng)造綠色和諧的建設(shè)環(huán)境，有利于降低施工引起的社會(huì)穩(wěn)定和環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)，順應(yīng)國(guó)家和浙江省大力倡導(dǎo)的生態(tài)文明建設(shè)理念和民生發(fā)展理念。

綜上所述，從結(jié)構(gòu)、施工角度綜合考慮，埋管上抬5 m、鋼管外包混凝土間隔100 m設(shè)置伸縮縫（變形縫）、縫兩側(cè)各5 m鋼管外側(cè)全包彈性墊層的優(yōu)化方案是可行的。目前，優(yōu)化方案已征得建設(shè)單位及原設(shè)計(jì)單位同意，在現(xiàn)場(chǎng)有條件的管段實(shí)施上述優(yōu)化方案。

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Optimization design of Luzhu River inverted siphon in Qiandao Lake water distribution project

LI Jin,FANG Dun-min and CHEN Yong-hong

Hangzhou Municipal Qiandao Lake Raw water Co.,Ltd.

Luzhu River inverted siphon in Qiandao Lake water distribution project has some construc?tion difficulties,such as adverse geological condition and many influence factors of surrounding environ?ment.In this paper,the original design and layout of inverted siphon are optimized.The optimization scheme raises the water supply steel pipe on the right bank by 5 m.Based on the structural stability and construction conditions,a comprehensive comparison and analysis of the original scheme and the opti?mized scheme are made.The results show that the optimization scheme is feasible and has obvious ad?vantages,such as reducing the amount of excavation and backfill of 1.3×105m3,shortening the construc?tion time by three months and better protection of environment.

inverted siphon;foundation pit;uneven settlement;optimization design

TV672

：B

：1671-1092（2017）04-0024-06

2017-01-19；

2017-03-14

李進(jìn)（1979-），男，浙江蘭溪人，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事土木工程施工管理工作。

作者郵箱：28939234@qq.com