松濤灌區(qū)倒虹吸設(shè)計(jì)方案分析

王壯海

(海南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，海南 ?？?570100)

1 工程概況

松濤灌區(qū)白蓮東分干渠是海南省?？谑形鱾?cè)永莊水庫水源地唯一的飲用水源輸水干渠，輸水方式為明渠無壓流，水源水質(zhì)保護(hù)情況難度大，一旦發(fā)生突發(fā)性污染，將嚴(yán)重威脅永莊水庫供水安全。同時(shí)新城規(guī)劃區(qū)內(nèi)各個(gè)功能區(qū)地塊、路網(wǎng)、給排水管網(wǎng)與原渠道反復(fù)交叉，其中新城規(guī)劃區(qū)的23個(gè)工業(yè)區(qū)、研發(fā)區(qū)、生活區(qū)地塊與現(xiàn)狀供水明渠交叉，路網(wǎng)24條道路、路下管網(wǎng)給排水、污水管在不同高程上均與現(xiàn)狀供水明渠交叉，對日后的渠道管理及維修影響因素多，不利于渠道的獨(dú)立管理及維修，亦對規(guī)劃區(qū)地塊的綜合利用有較大影響，增加水源水質(zhì)保護(hù)的難度。

白蓮東分干渠位于美安新城規(guī)劃區(qū)內(nèi)渠段，渠道斷面分為梯形斷面和矩形斷面兩種。梯形斷面主要為混凝土硬化襯砌和漿砌石硬化襯砌，矩形斷面主要為漿砌塊石。梯形渠段多處襯砌老化、塌陷，水流直接淘刷堤身，嚴(yán)重處掏空約1 m；矩形渠段漿砌石砂漿老化剝落，幾處原爆破開挖天然巖壁過流斷面較窄，阻水嚴(yán)重。其中樁號11+500～13+800段為巖石段，大部分堤身填筑料為石料堆筑，加之襯砌老化，渠身、渠底滲漏嚴(yán)重，據(jù)了解沿線閘門、斗門關(guān)閉時(shí)，向永莊水庫供水渠道末端流量僅為渠首流量的1/3。隨著海口市的發(fā)展，用水的需水量與年俱增，但由于現(xiàn)有渠道崩塌、滲漏嚴(yán)重，渠道輸水能力逐年下降，水利用系數(shù)低，供需矛盾日趨緊張，制約了工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展。因此，需要對渠道進(jìn)行改造，本文以該改造工程中的倒虹吸設(shè)計(jì)方案計(jì)算過程為研究對象，從工程布置、水力計(jì)算及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析開展研究，計(jì)算并復(fù)核設(shè)計(jì)方案的合理性，為工程建設(shè)提供設(shè)計(jì)方面的依據(jù)[1]。

2 倒虹吸管設(shè)計(jì)

2.1 工程布置

2.1.1 布置原則

倒虹吸布置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(jià)低，并且應(yīng)充分考慮施工、運(yùn)行管理與維修的方便和安全。具體布置原則如下：(1)具有較良好的地形地質(zhì)條件時(shí)，倒虹吸管的軸線應(yīng)盡可能與溝谷、道路及河道等正交，管軸線的平面布置常在一直線上，以獲得最短的管道軸線。(2)倒虹吸管應(yīng)根據(jù)地形地質(zhì)條件和跨越河流、溝渠道路等情況，選用露天式、地埋式或橋式架空布置。(3)圓形管道的轉(zhuǎn)彎半徑不宜小于3倍管徑，位置相近的平面轉(zhuǎn)彎和立面轉(zhuǎn)彎宜合并為空間轉(zhuǎn)彎。(4)在倒虹吸縱斷面上，當(dāng)?shù)匦屋^緩時(shí)，管線宜隨地面鋪設(shè)，管線布置須避免局部凸起，不可避免時(shí)應(yīng)在上凸頂點(diǎn)的管道頂部安裝自動(dòng)排氣閥，地埋式管道應(yīng)埋入地面以下≥0.5～0.8 m，穿越溝渠時(shí)要滿足防沖要求，橋式架空段要滿足行洪凈空要求。(5)進(jìn)口段盡可能布置在挖方(或半填挖)渠段上，以減少沉陷、滲漏及塌方現(xiàn)象。(6)出口段的布置應(yīng)使出口斷面逐漸擴(kuò)大，以降低出口水流流速,減少水頭損失，防止對下游渠道的沖刷。

2.1.2 布置形式

(1)平面布置。樁號0+777～6+754段為倒虹吸段，總長5977.0 m。其中樁號0+777～6+110段基本平行于西環(huán)鐵路東側(cè)約50.0 m處布置，沿線自然地面高程37.5～61.0 m，地形平緩，主要穿越坡地、洼地、水塘、河溝等，穿過5條遠(yuǎn)期規(guī)劃道路、美玲小學(xué)、美造水庫庫尾；樁號6+110～6+470段平行于繞城高速南側(cè)約30.0 m處，沿線自然地面高程49.0～53.0 m；樁號6+470～6+754段按原渠道位置穿過繞城高速，并在美安大道西側(cè)綠化帶區(qū)內(nèi)穿過規(guī)劃十六路。經(jīng)過以上布置，平面轉(zhuǎn)角共8處，每個(gè)轉(zhuǎn)角半徑均為選定管身內(nèi)直徑3倍，即9.0 m。

(2)縱向布置。本倒虹吸縱向布置除了受地形影響外，另外主要受以下幾個(gè)方面因素影響，見表1。

表1 縱向布置影響因素及控制性高程

根據(jù)地形及以上控制性高程影響因素布置倒虹吸縱向設(shè)計(jì)，其中在樁號3+500處由于規(guī)劃美安一縱路路面高程為42.0 m，而榮昆溝規(guī)劃河底為37.5 m，兩者之間高差較小，采用架空段穿過榮昆溝難以滿足河道行洪要求，故該段需要穿過溝底；美造水庫庫尾段需要采用橋式架空穿過庫區(qū)上方，且需要滿足行洪凈空要求；規(guī)劃十六路段需要從路底下穿過，且管頂距離路面≥1.0 m。其他管段縱向設(shè)置在避免局部凸起的情況下，結(jié)合地形及以上控制性高程布置。經(jīng)布置，豎向轉(zhuǎn)角共10處，其中1處與平面轉(zhuǎn)角結(jié)合，每個(gè)轉(zhuǎn)角半徑均為選定管身內(nèi)直徑3倍，即9.0 m。

2.2 水力計(jì)算

2.2.1 水頭損失計(jì)算

水頭損失與上、下游流速及漸變段的局部水頭損失系數(shù)有關(guān)，根據(jù)《灌溉與排水渠系建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 482—2011)附錄C.1倒虹吸水力計(jì)算如式(1)、式(2)所示[2]：

(1)

(2)

式中：hj1、hj2為進(jìn)、出口漸變段的局部水頭損失，m；ξ1、ξ2為進(jìn)、出口漸變段的局部損失系數(shù)，取ξ1=0.30，ξ2=0.75；v1、v2分別為管道進(jìn)口漸變段的始、末斷面平均流速，m/s;v、v3分別為管道出口和出口漸變段的末斷面的平均流速，m/s；g為重力加速度，m/s2。

倒虹吸管的水頭損失包括局部水頭損失和沿程水頭損失兩類?？偹^損失計(jì)算如式(3)所示：

hw=hf+hj

(3)

式中：hw為總水頭損失，m；hj為倒虹吸管局部水頭損失,按式(4)計(jì)算，m；hf為沿程阻力總水頭損失，按式(5)計(jì)算，m。

(4)

式中：ξi為局部水頭損失系數(shù)；φ、φi分別為管道出口斷面面積和局部阻力損失外的相應(yīng)斷面面積，m。

(5)

式中：λ為能量損失系數(shù)；L為倒虹吸總長度，m；D為倒虹吸管徑,m；v為倒虹吸斷面平均流速。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出：通過設(shè)計(jì)流量時(shí)水頭損失滿足要求，通過加大流量時(shí)上、下游斷面能滿足安全運(yùn)行。但加大流量以下時(shí)，進(jìn)口水面下降較多，則需要3#節(jié)制閘調(diào)節(jié)水位，以滿足進(jìn)口最小淹沒水深的要求、避免管道進(jìn)氣引起管道壓力波動(dòng)等危害。

2.2.2 流能力復(fù)核

根據(jù)通過設(shè)計(jì)流量Q=7.83 m3/s，加大流量為9.8 m3/s，管徑選用3.0 m，管材為PCCPE管，按式(6)～式(8)對倒虹吸管過流能力進(jìn)行復(fù)核計(jì)算：

(6)

(7)

(8)

式中：Q為倒虹吸設(shè)計(jì)流量，m3/s；m為流量系數(shù)；A為倒虹吸過水?dāng)嗝婷娣e，m2；Z為上、下游水位差，m；C為謝才系數(shù)，m1/2/s。

本工程倒虹吸管道長5.89 km，沿程水頭損失起主要作用，其輸水能力取決于管道糙率。倒虹吸架空段采用壓力鋼管，地埋式采用預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCPE)。根據(jù)規(guī)范(SL 482—2011)條文說明6.3.3：對于焊接鋼管：糙率系數(shù)n=0.0110～0.0125，正常值為0.0120,本工程壓力鋼管段糙率系數(shù)選用n=0.0120。對于PCCPE管：山東省水利科學(xué)院的野外試驗(yàn)平均糙率值n=0.0107，天津市麗湖新地河揚(yáng)水泵站的試驗(yàn)平均糙率值n=0.0102，而對于國內(nèi)外已建類似工程的調(diào)查，PCCPE管道糙率系數(shù)選用n=0.0100～0.0135，因此，本工程PCCPE管道糙率系數(shù)選用n=0.0120。

另外，由于線路長，全線設(shè)置的進(jìn)人孔、排氣閥、放水孔等T型盲孔數(shù)目較多，單個(gè)T型盲孔的局部水頭損失系數(shù)不同、資料差異較大，等徑T型盲孔的局部水頭損失系數(shù)在0～0.1之間。為保證管道的輸水能力，T型盲孔的局部水頭損失系數(shù)采用取值范圍的最大值，即取0.1。

壓力管道的彎道水頭損失系數(shù)ξw與拐角θ、拐彎半徑R及管道內(nèi)徑D有關(guān)。根據(jù)規(guī)范SL 482—2011附錄C.1倒虹吸管水力計(jì)算，得出ξw=γξ90°，該結(jié)果滿足設(shè)計(jì)需求。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

2.3.1 倒虹吸鋼管結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

根據(jù)《水利水電工程壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL/T 281—2020)[3]、《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL 5077—1997)[4]，進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)及計(jì)算分析如下。

(1)幾何參數(shù)。鋼管內(nèi)徑為3000 mm，鋼管軸線傾角為0°,支座個(gè)數(shù)為8個(gè)，支墩間距為10 000 mm，加勁環(huán)間距為3300 mm，鋼管壁厚為12 mm，加勁環(huán)厚度為20 mm，加勁環(huán)高度為200 mm，支承環(huán)厚度為20 mm，支承環(huán)高度為200 mm，伸縮節(jié)至支承環(huán)距離為83 750 mm，伸縮節(jié)止水盤根沿軸向長度為300 mm，伸縮節(jié)內(nèi)套管外徑為3024 mm，伸縮節(jié)內(nèi)套管內(nèi)徑為3000 mm。

(2)材料及荷載參數(shù)。支承環(huán)處截面中心計(jì)算水頭為11 335 mm，鋼材的牌號為Q235C級，鋼材的屈服點(diǎn)為235.0 N/mm2，鋼材彈性模量為2.06×105N/mm2，泊松比為0.3，鋼材線膨脹系數(shù)為1.20×10-5/℃，重度為7.85×10-5N/mm3，焊縫系數(shù)為0.95，支座對管壁摩擦系數(shù)為0.10，伸縮節(jié)止水填料與管壁摩擦系數(shù)為0.30。

(3)復(fù)核管壁厚度(t)是否滿足剛度要求。判斷公式為t≥鋼管內(nèi)徑/800+4，則t應(yīng)滿足t≥7.8 mm，實(shí)際選用管壁厚度t=12.0 mm，滿足要求。

(4)荷載計(jì)算。

①徑向內(nèi)水壓力，計(jì)算公式(9)為：

P=γw×H1

(9)

式中：P為徑向內(nèi)水壓力，N/mm2；γw為水容重，N/mm3；H1為水深，mm。經(jīng)計(jì)算得出，P=0.111 N/mm2。

②鋼管自重作用下垂直管軸方向的法向力，計(jì)算公式(10)為：

Qs=qs×L×cosα

(10)

式中：Qs為每跨鋼管自重，N；qs為單位長鋼管自重，N/m；L為鋼管長度，m;α為管道轉(zhuǎn)角(°)。經(jīng)計(jì)算得出，Qs=110 977 N。

③鋼管中水重作用下垂直管軸方向的法向力，計(jì)算公式(11)為：

Qw=qw×L×cosα

(11)

式中：Qw為每跨管內(nèi)水重，N；qw為單位長鋼管自重,N/m；α為管道轉(zhuǎn)角。經(jīng)計(jì)算得出，Qw=692 721 N。

通過以上分析，倒虹吸鋼管結(jié)構(gòu)滿足結(jié)構(gòu)安全要求。

2.3.2 倒虹吸止推結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

現(xiàn)采用樁號6+114.494，拐彎角為82°13′32″的31#鎮(zhèn)墩進(jìn)行止推設(shè)計(jì)驗(yàn)算。根據(jù)《水工設(shè)計(jì)手冊——第8卷水電站建筑物》(第二版)公式(4.7-8)。水平彎管處的推力與管道接頭處的內(nèi)水壓力和截面面積有關(guān);彎管處的推力大小還受轉(zhuǎn)角α的影響,其數(shù)值由式(12)確定：

(12)

式中：T為靜水推力，kN；A管道為管道橫截面面積，m2。經(jīng)計(jì)算得出,T=174.67 kN。

水平方向的抗滑抵抗力Rh=管底面摩阻力Rh1+管背面被動(dòng)土壓力Rh2。其計(jì)算分別為式(13)、式(14)：

Rh1=fW

(13)

(14)

式中：f為混凝土與地基間的摩擦系數(shù)，對應(yīng)地質(zhì)ZK16鉆孔，取0.35；W為施加在管底面上的荷載和止推鎮(zhèn)墩的重量，kN；γ為土的重度，kN/m3；Bb為管背面的寬度，m；H2為管底面的深度，m；H1為管頂面的深度，m；tan2(45°+φ/2)為被動(dòng)土壓力系數(shù)；φ為土間內(nèi)摩擦角,(°)。

止推鎮(zhèn)墩底面的承載力計(jì)算公式(15)為：

(15)

式中：σv為止推鎮(zhèn)墩底面的承載力,kPa;G為施加在止推鎮(zhèn)墩底面的全部荷載，kN；A為止推鎮(zhèn)墩的底面積，m2。經(jīng)計(jì)算，σv×安全系數(shù)=101.8 kPa <容許承載力σrv=150 kPa，滿足結(jié)構(gòu)安全要求。

3 結(jié) 語

(1)對于松濤灌區(qū)白蓮東分干渠改造工程倒虹吸管設(shè)計(jì)方案，面臨著工程布置、水利計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析問題，因此，開展好工程規(guī)劃與設(shè)計(jì)計(jì)算工作對工程設(shè)計(jì)方案適宜性評價(jià)有現(xiàn)實(shí)意義。

(2)由于倒虹吸設(shè)計(jì)計(jì)算過程復(fù)雜，涉及水力公式較多，需要參考和應(yīng)用行業(yè)規(guī)范的公式，理論結(jié)合實(shí)際，重點(diǎn)關(guān)注實(shí)際設(shè)計(jì)工作需要解決的關(guān)鍵難點(diǎn)。

(3)倒虹吸設(shè)計(jì)方案的核心在于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算與分析，在應(yīng)用有關(guān)規(guī)范的基礎(chǔ)上，扎實(shí)計(jì)算，才能切實(shí)有效地為設(shè)計(jì)方案的順利實(shí)施保駕護(hù)航。