胡家山水庫灌區(qū)壓力管道工程的計(jì)算分析

肖對勇

（昭通市水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院,云南 昭通 657000）

1 工程概況

胡家山水庫位于昭通市鎮(zhèn)雄縣塘房鄉(xiāng)大擢魁辦事處水稗田村,大壩為混凝土面板堆石壩,壩高63.2 m,總庫容1542.3萬m3,可解決5.69萬人、2.85萬頭牲畜飲水困難,灌溉農(nóng)田 3.5萬畝。灌區(qū)干渠從胡家山水庫的壓力輸水隧洞出口取水,采用倒虹吸壓力管道沿潑機(jī)河布置,經(jīng)周家院子至馬鞍山,經(jīng)白鳥隧洞、西朗溝隧洞至廟山,再采用倒虹吸跨潑機(jī)河至朱家院子,再經(jīng)潑機(jī)、擺岔溝到達(dá)渠末魚塘邊,總長21.096 km。本文主要分析論述渠首倒虹吸的管道工程,目前該管道工程即將完成施工,發(fā)揮輸水功能作用。

2 工程地質(zhì)及布置

2.1 工程地質(zhì)

壓力管線的走勢,進(jìn)口段下坡,中間段沿河道平緩下降,出口段爬坡,其基本地質(zhì)情況如下：

（1）管0+000～管0+275 m段,為輸水隧洞出口至河床段,陡坡地形,人工堆積厚度最深處3 m～5 m,下伏基巖為三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組下段紫紅色,灰綠色～中厚層狀粉,細(xì)砂巖與泥質(zhì)粉砂巖互層。巖層產(chǎn)狀:走向N50°E,傾向NW,傾角7°。邊坡整體基本穩(wěn)定。

（2）管0+275～管5+050 m,河床段長4775 m。管道軸線沿河床布置,為U型河谷,河床內(nèi)沖洪積厚度7 m～12 m。河谷兩岸發(fā)育多條沖溝,并有崩塌滑坡等不良地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育。

（3）管為5+050～管5+228 m,出口段地形較陡,局部出露基巖,基巖為二疊系上統(tǒng)宣威組龍?zhí)抖位揖G黃綠色頁巖,粉砂巖夾細(xì)砂巖和煤層。邊坡覆蓋第四系殘坡積砂質(zhì)粘土,厚1 m～3.5 m。巖層產(chǎn)狀：巖層產(chǎn)狀: 走向N74°W,傾向SW,傾角17°, 邊坡為側(cè)向坡,邊坡整體基本穩(wěn)定。

2.2 工程布置

壓力管道進(jìn)口與壓力輸水隧洞出口相接,里程為管0+000～管5+216,軸線長5256.48 m,設(shè)計(jì)引用流量2.2 m3/s,沿潑機(jī)河布置,埋設(shè)于河底。主要由進(jìn)口控制段、壓力管道、出口消力池組成。管道底座采用C15 混凝土剛性連續(xù)管座,在管道轉(zhuǎn)彎處及直管管段長80 m左右設(shè)置鎮(zhèn)墩,鎮(zhèn)墩及出口消力池采用C20 鋼筋混凝土澆筑,蓋板采用預(yù)制C25 鋼筋混凝土板。

壓力管道0+000～0+310 段及5+103.5～5+182 段為DN1200鋼管,采用厚度為14 mm的Q345 C鋼板焊制,0+310～5+103.5段采用DN1200 預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）,公稱壓力等級為1.4 MPa～2.0 MPa,鎮(zhèn)墩內(nèi)的彎管采用DN1200 鋼板制管；為了壓力管道安全運(yùn)行,在樁號0+013.5、1+183、2+868 及4+028 處分別設(shè)自動排補(bǔ)氣閥；在管道里程0+131.3 處的3#鎮(zhèn)墩上,沖砂閘閥：在輸水運(yùn)行時(shí),處于關(guān)閉狀態(tài),下游生態(tài)環(huán)境用水由此閥控制,在沖砂時(shí),先關(guān)閉工作閘閥,后開啟沖砂閘閥；考慮維護(hù)及檢修,在樁號0+126、1+010.8、2+180.8、3+770.8及5+099.5 等5 處設(shè)φ50檢修孔；考慮管道放空,在樁號5+103.5 管道最低處設(shè)置DN600 放空球閥；管道出口設(shè)DN1200 自動減壓閥,水流進(jìn)人消力池,池尾接明渠。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1 管徑確定

按照規(guī)劃的要求,管道的進(jìn)出口已確定。根據(jù)地形地質(zhì)條件,壓力管道0+000～0+310 段及5+103.5～5+182 段為陡坡地形,需布置為鋼管,已知管道正常輸水流量為2.15 m3/s,管道流速采用經(jīng)濟(jì)流速,在Excel表格中進(jìn)行試算,管徑采用公式：

式中：D為管道直徑,m；Q為管道輸水流量,m3/s；ν為管道輸水流速,m/s。

計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 管徑計(jì)算成果表

經(jīng)過表1進(jìn)行比較分析,由于后期管道有進(jìn)人檢修要求,考慮到灌區(qū)布置情況、經(jīng)濟(jì)合理以及便于運(yùn)輸施工布置等,選擇管徑為DN1200。

3.2 鋼管管壁厚度確定

（1）管壁厚度計(jì)算

本工程管道最大工作水頭152.75 m,壓力鋼管選用Q345 C鋼板焊制,在Excel表格中進(jìn)行計(jì)算。

管壁厚度采用公式：

式中：為管壁厚度,mm；γ為水容重,N/m3；為焊縫系數(shù)；r為鋼管半徑,m；H為計(jì)算水頭,m；[σ]為鋼管容許應(yīng)力,N/mm2。

計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 管壁厚度計(jì)算成果表

根據(jù)表2,管壁厚度初步計(jì)算結(jié)果為6.24 mm。

（2）應(yīng)力分析

本工程的鋼管應(yīng)力分析采用第四強(qiáng)度理論進(jìn)行強(qiáng)度校核,各計(jì)算點(diǎn)在各種荷載組合工況下,計(jì)算公式為：

式中：σx為軸向應(yīng)力,N/mm2；σy為徑向應(yīng)力,N/mm2；σz為切向應(yīng)力,N/mm2；τxy、τxz、τyz為各方向剪應(yīng)力,N/mm2；為焊縫系數(shù)；[σ]為相應(yīng)計(jì)算工況的容許應(yīng)力。

本工程選擇管5+103.5～5+138 段鋼管的下端進(jìn)行分析,因該段水頭最大,設(shè)計(jì)水頭為120.907 m,處于最不利位置。

經(jīng)分析計(jì)算,σ=98.21×103＜ [σ]=144×103,鋼管應(yīng)力滿足強(qiáng)度要求。

（3）抗外壓穩(wěn)定分析

除按強(qiáng)度和構(gòu)造確定管壁厚度外,還需進(jìn)行外壓穩(wěn)定校核。露天布置的明管,在計(jì)算時(shí)選用管身只是承受均勻徑向力的作用下的抗外壓穩(wěn)定問題。

管身無鋼性環(huán),沿軸向可以自由伸縮,則管壁的臨界外壓分段計(jì)算,采用公式為：

式中：Pcr為管壁的臨界外壓,kPa；E為彈性模量,2.1×106kg/cm2；為泊松比,取0.25；D為鋼管半徑,m；為管壁厚度,mm；k為安全系數(shù),取2。

經(jīng)對計(jì)算,壓力管道無鋼性環(huán)的管壁能保持穩(wěn)定的最小厚度為 9.23 cm,抗外壓穩(wěn)定復(fù)核結(jié)果大于管壁厚度初步計(jì)算結(jié)果為6.24 mm。

綜上（1）、（2）、（3）所述,考慮管壁受泥砂磨損,鋼管銹蝕,制造不精確以及結(jié)構(gòu)要求等因素,最終選用Q345C鋼壓力管結(jié)構(gòu)壁厚為0=14 mm。

3.3 鋼筒管（PCCP）壓力等級確定

由于管道0+310～5+103.5 段為河道,需埋設(shè)于河床下,采用DN1200 預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）,按照水壓情況分別進(jìn)行選材,在設(shè)計(jì)水頭加上1.25倍的安全系數(shù),最后選用預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）的公稱壓力為1.4 MPa～2.0 MPa。

4 水力計(jì)算

本工程的特點(diǎn)是管線長、彎道多、水損較大,水力計(jì)算主要考慮沿程水頭損失和局部水頭損失,管道設(shè)計(jì)輸水流量為2.15 m3/s,取鋼管糙率系數(shù)n=0.013,預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）糙率系數(shù)n=0.013。

壓管道過流能力計(jì)算公式：

沿程水頭損失計(jì)算公式：

局部水頭損失計(jì)算公式：

計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 管道水力計(jì)算成果表

續(xù)表3

根據(jù)表3的計(jì)算成果,可知在水庫最低調(diào)度運(yùn)行水位運(yùn)行工況下,管道能滿足過流2.2 m3/s要求；在正常蓄水位運(yùn)行工況下,管道出口有富余水頭35.044 m。因此,需在管道進(jìn)口設(shè)置DN1200 控制閘閥,以備管道檢修時(shí)使用；在管道出口處設(shè)置DN1200 減壓調(diào)流閥,以保證管道在高水頭時(shí)能夠安全出流。

5 河床沖刷深度計(jì)算

由于本工程壓力管道主要沿著河道埋設(shè)于河床下,需考慮水流平行于岸坡產(chǎn)生的沖刷深度,根據(jù)河流情況,選擇有代表性的3段進(jìn)行計(jì)算。

水流平行于岸坡產(chǎn)生的沖刷深度計(jì)算：

式中：hB為局部沖刷深度,m,從水面算起；hP為沖刷處的水深,m,以近似設(shè)計(jì)水位最大深度代替；VCP為平均流速,m/s；V允為河床面上允許不沖流速,m/s；n為與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān),一般取n=1/4。

根據(jù)表4計(jì)算成果,綜合考慮經(jīng)濟(jì)、施工及運(yùn)行安全等后,取沖刷深度0.75 m,可滿足管道的運(yùn)行安全。

表4 河床沖刷深度計(jì)算成果表

6 鎮(zhèn)墩穩(wěn)定計(jì)算

（1）物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)情況,確定物理力學(xué)參數(shù),具體見表5。

表5 物理力學(xué)參數(shù)建議值表

（2）計(jì)算方法

根據(jù)工程布置及擬定鎮(zhèn)墩輪廓尺寸,計(jì)算鎮(zhèn)墩重量,具體見表6。

表6 擬定鎮(zhèn)墩輪廓尺寸及重量表

根據(jù)壓力管道設(shè)計(jì)規(guī)范,按照表7壓力管道鎮(zhèn)墩穩(wěn)定分析荷載計(jì)算表中的公式進(jìn)行荷載分析計(jì)算,根據(jù)現(xiàn)場地形地質(zhì)情況和管道布置情況,進(jìn)行分析計(jì)算。

表7 壓力管道鎮(zhèn)墩穩(wěn)定分析荷載計(jì)算表

抗滑穩(wěn)定按下列公式進(jìn)行計(jì)算：

地基應(yīng)力按下列公式進(jìn)行計(jì)算：

計(jì)算過程中,計(jì)算水頭考慮水擊因素,按設(shè)計(jì)水頭的1.25倍確定,按上述計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算,由于本工程共有89個(gè)鎮(zhèn)墩,數(shù)量較多,該處僅列舉前10個(gè)鎮(zhèn)墩的計(jì)算結(jié)構(gòu),具體見表8。

表8 鎮(zhèn)墩抗滑穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

從表8可知,在不同工況下,鎮(zhèn)墩均滿足安全運(yùn)行要求。

7 水下埋管抗浮計(jì)算

由于本工程壓力管道主要沿著河道埋設(shè)于河床下,需考慮管道的水下埋管抗浮安全情況,因空管工況下最不利,故對空管工況進(jìn)行驗(yàn)算。

圖1 管道埋設(shè)斷面圖

根據(jù)管道的埋設(shè)斷面,計(jì)算如下：

（1）管道重量：管內(nèi)徑為DN1200的鋼筒管,管壁厚為120 mm,則延米管道m(xù)自重=0.497（截面積）×1×2500（砼重）=1243.4 kg。

（2）回填土重量：按設(shè)計(jì)要求,回填土的壓實(shí)系數(shù)為0.6,土樣最小干密度取1.85,回填土壓實(shí)密度為1.85×0.6=1.11 g/cm3=1110 kg/m3, 管頂覆土最小0.75 m,每米覆土重量=0.75×1.44×1×1110=1198.8 kg。

（3）鎮(zhèn)墩傳遞力：鎮(zhèn)墩最大間距80 m,鎮(zhèn)墩重量G=PV=2500×7×4.1×3.6=258300 kg,傳遞到每米管道上的力G鎮(zhèn)=258300×0.6/40=3874.5 kg（取折減系數(shù)取0.6）。

（4）最大浮力：每米管道完全浸沒時(shí)F浮=ρ液gV排=1000×1×2.261×1=2261 kg

（5）驗(yàn)算：忽略管道兩側(cè)的土壓力及摩擦力,

即M總=m自重+m回填土+G鎮(zhèn),=1243.4+1198.8+3874.5=6316.7＞2261×1.1

由上述計(jì)算可知,管道在空管工況下不會產(chǎn)生浮管現(xiàn)象。

8 排補(bǔ)氣孔面積計(jì)算

本工程壓力輸水隧洞和壓力管道為一個(gè)整體,輸水工作閘門設(shè)置于隧洞前端,在閘門開啟或關(guān)閉時(shí)會產(chǎn)生排氣或補(bǔ)氣,因此,需設(shè)置在閘門后面排補(bǔ)氣孔。因管線較長不利于排補(bǔ)氣,根據(jù)管道布置情況,為了保證壓力管道安全運(yùn)行,穩(wěn)壓管道內(nèi)水流態(tài),減小因輸水產(chǎn)生震動和氣蝕。在管道里程樁號0+013.5、1+183、2+868及4+028 處分別設(shè)DN200 自動排補(bǔ)氣閥。

閘門后面排補(bǔ)氣孔的最小面積計(jì)算如下：

式中：a為通氣孔的斷面面積m2；Qa為通氣孔的充分通氣量； [Va]為通氣孔的允許鳳速m/s,采用40 m/s；Vw為閘門孔口的水流流速m/s；A為閘門后管道面積m2。

按上述公式進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見表9。

表9 通氣孔口面積計(jì)算成果表

從表9可知,閘門后通氣口最小通氣面積51.4 cm2,管道上的最小通氣面積48.4 cm2。根據(jù)工程實(shí)際情況,在輸水隧洞的閘門豎井中,考慮到在檢修時(shí)需要人行通道,因此將閘門后孔口設(shè)置為1.6m×1.5 m,即豎井進(jìn)人孔與排補(bǔ)氣孔結(jié)合布置使用,管道上設(shè)置DN200 自動排補(bǔ)氣閥,均滿足安全運(yùn)行要求。

9 結(jié)語

胡家山水庫灌區(qū)壓力管道,目前已基本施工結(jié)束,在施工過程中需要參建各方共同努力,嚴(yán)格按照壓力管道施工技術(shù)要求進(jìn)行施工,做好各個(gè)環(huán)節(jié)的壓水試驗(yàn),保證施工質(zhì)量,才能使得理論計(jì)算成果與實(shí)際情況相一致；在后期運(yùn)行過程中,管理人員應(yīng)制定操作流程,嚴(yán)格按照操作流程進(jìn)行操作。本工程的順利實(shí)施,可為類似工程提供借鑒作用。