淺談球墨鑄鐵管在紅魚洞水庫灌區(qū)白四倒虹管設(shè)計中的運用

楊 麗，王中良

(1.四川省水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 崇州，611231；2.巴中市紅魚洞水庫運行保護中心，四川 巴中，636600)

1 工程概況

南江縣紅魚洞水庫工程是一座以灌溉、防洪、城鄉(xiāng)生活及工業(yè)供水等綜合利用的水利工程。本工程為Ⅱ等大(2)型水庫，樞紐由瀝青混凝土心墻堆石壩、右岸開敞式溢洪道、左岸泄洪放空洞和灌溉取水口組成[1]。正常蓄水位650.0m，總庫容1.66億m3，興利庫容1.31億m3，防洪庫容0.197億m3。灌區(qū)骨干工程包括南江右總干渠、沙八分干渠和恩陽分干渠，恩巴、仁棗、正恩共3條支渠。白四倒虹吸位于南江右總干渠第一流量段，設(shè)計流量18.17m3/s，加大流量21.8m3/s。

2 地形地質(zhì)條件

白四倒虹吸位于流壩鎮(zhèn)，橫穿流壩河，采用埋管過河形式。河床地面高程543m～546m。根據(jù)白ZK1鉆孔資料揭示，河床沖洪積層為松散的卵礫石夾砂，厚度3m～7m，下伏基巖為T2j灰?guī)r，強、弱風(fēng)化帶厚度為2m～3m和6m～8m。

進口岸坡段高差約61m，斜坡地形約31°。公路以上地表基巖裸露，公路以下地表出露0.8m～1.5m不等的松散人工堆積雜填土。下伏和出露基巖為T2j灰?guī)r，強、弱風(fēng)化帶厚度為4m～7m和12m～15m。該段邊坡巖層傾向坡內(nèi)，為反向坡，邊坡整體穩(wěn)定。

出口岸坡段高差61m，斜坡地形約24°～41°。地表基巖裸露，基巖為T2j灰?guī)r，強、弱風(fēng)化帶厚度為4m～6m和11m～12m。強風(fēng)化段地表發(fā)育有溶溝、溶槽等巖溶地貌，充填有粘土夾碎石，出口側(cè)岸坡天然狀態(tài)下穩(wěn)定。

3 白四倒虹吸布置原則及管材選擇

3.1 白四倒虹吸布置原則

(1)選擇地質(zhì)條件較好、坡度較緩的區(qū)域布置，且原則要求平面管線為一條直線。

(2)選擇施工條件較好，利于臨時建筑物布置的區(qū)域。

(3)選擇有利于檢修閘房和放空設(shè)施的布置區(qū)域。

3.2 管材選擇

白四倒虹吸工作水頭達60m，加大流量21.8m3/s，設(shè)計管道至少雙管且管徑大于2m，宜優(yōu)先采用受力條件和水力條件較好的圓形斷面，不考慮矩形斷面結(jié)構(gòu)。根據(jù)本工程倒虹管所承受的最大水頭H和管道內(nèi)徑D的乘積HD值(本工程HD最大值為384.2)，可以初步確定管道材料宜從以下材料中選擇：預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管、玻璃鋼管(GRP)、鋼管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)和球墨鑄鐵管。其中，預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管比較經(jīng)濟，但重量較大，防滲效果一般，受其材料力學(xué)性能限制，其允許的最大HD值偏低，不適合在本工程使用；玻璃鋼管優(yōu)點在于重量輕便于運輸、耐高溫、防腐蝕性能強并且水力條件好，但是在陽光照射下易老化，受力不均時管身容易變形導(dǎo)致接頭漏水，且爆管率較高，不宜選取；鋼管承壓能力強，滿足本工程需求，缺點為其成本相對較高。因此，本工程重點針對PCCP管和球墨鑄鐵管進行比選。

3.2.1 特性比較

PCCP管和球墨鑄鐵管管材特性比較見表1。

表1 PCCP管和球墨鑄鐵管管材特性比較

通過上表比較分析可知，球墨鑄鐵管在力學(xué)性能、抗沉降能力、耐磨性能、施工、后期運行維護等方面具有優(yōu)勢。

3.2.2 施工分析

由于PCCP管單位長度的重量大，與同直徑的球墨鑄鐵管相比，PCCP管的運輸和安裝不便、受制約因素多。本工程大管徑的倒虹管施工難度大，因此，選取管徑為2.4m的PCCP管和球墨鑄鐵管進行施工對比分析，見表2。

表2 PCCP管和球墨鑄鐵管施工方面對比

根據(jù)表2對比分析可知，在管材重量、運輸及安裝方面，球墨鑄鐵管均占有優(yōu)勢。特別對于施工經(jīng)驗方面，在高陡邊坡進行大直徑PCCP管道安裝，據(jù)調(diào)查，在國內(nèi)工程中目前尚無施工先例，風(fēng)險較大。安裝質(zhì)量無法保證，一旦接口損壞，整根管道就報廢，對施工隊伍的技術(shù)水平和施工設(shè)備要求高；而球墨鑄鐵管由于管材相對較輕，采用柔性接口不易破壞，施工安裝相對容易一些。因此從施工角度方面，球墨鑄鐵管具有明顯的優(yōu)勢，推薦采用該管材。

3.2.3 投資比較

綜合比較PCCP管和球墨鑄鐵管兩種管材單米長度造價，對管徑1.0m、1.4m、1.8m、2.4m造價比較，得出以下結(jié)論：①對于倒虹吸管徑在1.0m～2.0m工程中，球墨鑄鐵管在平緩段和斜坡段施工每米的綜合造價均比PCCP管便宜，管徑越小球墨鑄鐵管綜合造價優(yōu)勢越明顯；②對于倒虹吸管徑大于2.0m的工程中，球墨鑄鐵管在平緩段施工每米的綜合造價均比PCCP管貴，在斜坡段施工每米的綜合造價均比PCCP管便宜，但差額并不大，需根據(jù)倒虹吸布置的地形條件進行綜合比較選擇管材。

3.2.4 比選結(jié)論

綜合比較PCCP管和球墨鑄鐵管的管材特性、施工條件及投資后，推薦材質(zhì)較輕、安裝及運輸方便、防腐性能更好且投資更節(jié)約的球墨鑄鐵管。

4 應(yīng)用設(shè)計

4.1 方案擬定

平面軸線呈直線布置，經(jīng)過水力學(xué)計算后采用3根直徑2m的球墨鑄鐵管。由于流壩河相對較寬達150m，且河床覆蓋層較厚，通過方案比較跨河段采用管橋方案投資較貴，因此，推薦采用河床埋管并外包混凝土方案。

4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

白四倒虹吸整體布置包括進出口閘室段、斜坡段和河床埋管段，平面總長度331m。管道采用3管球墨鑄鐵管布置，管徑2.0m，等級K9級，采用T型承插式柔性接口，管鋪設(shè)允許偏轉(zhuǎn)角度<1°。承插直管標準段長度6m，管軸線間距4.5m，凈間距2.5m。

(1)白四倒虹吸進口閘室段：長30.7m，其中進口漸變段長度12.0m。進口閘室段長6.0m，為3廂鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，布置3孔3.0m×3.5m攔污柵及節(jié)制閘，消力池段長10.0m，斜坡1∶2，池底板高程591.94m，由隔墻分成3廂，分別連接倒虹管的進口，最大閘室高度8.4m。

(2)進、出口斜坡段：長度分別為78.4m、82.6m，在頂部、中部和底部設(shè)鎮(zhèn)墩，各布置5個鎮(zhèn)墩。進出口斜坡段管線最大坡度分別為38°和43°。球墨鑄鐵管基礎(chǔ)采用混凝土管槽，管頂采用開挖碎石土回填，厚度0.5m，并要求壓實，回填土可以增加管道的橫向穩(wěn)定性。在進口斜坡段管道高程最低的4號鎮(zhèn)墩處設(shè)置檢修設(shè)施，即進人檢修孔和泄水孔，進人孔頂高程高于河床枯期水面高程，同時檢修閥室位于現(xiàn)狀公路內(nèi)側(cè)，便于后期運行檢修。

(3)河谷水平段：管道中心高程539.08m，最大水頭59.28m，總長121.3m，采用埋管形式，外包混凝土厚度0.5m，基礎(chǔ)采用碎石換填厚度1m，管道位于河床沖刷深度以下，管道上部采用開挖料回填至原河床高程，河床表面采用埋石混凝土厚度0.5m護面。管道安裝完成后，需進行壓水試驗，以檢測管材及安裝接頭是否滿足要求。

(4)出口閘室段：長18m，其中出口漸變段長6m，為3廂鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，布置3孔3.0m×5.5m節(jié)制閘。出口閘室底板高程592.08m，最大高度7.5m。出口段加大流量水位597.05m，后接白四隧洞。

4.3 水力學(xué)計算

(1)倒虹吸過流能力計算[5]：

式中：Q為設(shè)計流量；m為流量系數(shù)；A為倒虹管過水?dāng)嗝婷娣e；Σξ為局部水頭損失的總和；Z為上下游水頭差；λ為能量損失系數(shù)；L為包括進出口斜坡段在內(nèi)的倒虹管的總長度；D為倒虹管斷面直徑；C為謝才系數(shù)。

(2)倒虹管的水頭損失計算：

hw=(∑ξ+λL/D)×V2/2g)

式中：hw——倒虹管從進口至出口的總水頭損失；

V——倒虹管斷面平均流速。

白四倒虹管水力學(xué)計算成果見表3。

表3 白四倒虹管水力學(xué)計算成果

4.4 水壓試驗及其他要求

(1)管件最大工作壓力0.6MPa，試驗壓力為1.0MPa。

(2)水壓試驗合格標準：

①主試驗階段。停止注水補壓并且穩(wěn)定15min后壓力下降不超過0.03MPa時，將試驗壓力降至工作壓力并保持恒壓30min，進行檢查，若無漏水現(xiàn)象，則水壓試合格[6]。

②球墨鑄鐵管采用允許滲水量進行最終判定依據(jù)時，實測滲水量不大于3.00L/min·km，實測時間不小于2h。

③接頭密封試驗：球墨鑄鐵管接口在承受豎向30倍公稱直徑DN(單位N)外部剪力時不得有可見滲漏，試驗外部受力應(yīng)不小于0.2MPa。

(3)管材存儲要求：儲存地應(yīng)干燥平整，下面加兩道墊木，管徑超過1800mm時只能夠單層存放，不可堆疊儲存。

(4)鎮(zhèn)墩和外包裹混凝土施工時，若遇管道接頭，需待管道接頭試驗完畢不漏水，且驗收完成后方可進行余下混凝土的施工。

(5)管溝回填要求。

①管槽施工完畢并經(jīng)檢驗合格后，應(yīng)及時回填?；靥钋氨仨殞⒉鄣追e水和施工時遺留的雜物清除出來，宜充分利用溝槽開挖料作為回填料。

②回填料要求：在管底至管頂50cm范圍內(nèi)不得含有粒徑大于50mm的硬巖塊以及有機物、垃圾等雜物。

③管底先回填密實20cm厚回填土(最大粒徑不大于15mm)，待鑄管安裝完成后，再同時回填管道兩內(nèi)側(cè)，最后回填至設(shè)計標高。

④回填時應(yīng)分層夯實，管中心線以下每200mm為一層夯實，壓實度不小于90%；中心線以上至管頂50cm以下每200mm為一層夯實，壓實度不小于90%。須采用人工夯實。

⑤超出管頂50cm以上回填可以用小型機械從管道軸線兩側(cè)同時夯實[6]，每層厚度不超過30cm。

⑥接頭處帶工作坑，先將工作坑回填密實，然后與管身同步回填。

⑦注意回填期間重要的是要做到均勻回填，否則局部沉陷會特別大，必須小心均勻地做好回填工作。

⑧回填作業(yè)每層土的壓實遍數(shù)，按壓實度要求、壓實工具、虛鋪厚度和含水量，應(yīng)經(jīng)現(xiàn)場試驗確定。

⑨在管道試壓前，岸坡段管頂以上回填土厚度不大于50cm，河床段回填厚度不大于200cm，以防止試壓時管道系統(tǒng)產(chǎn)生推移，造成漏水。管道接口前后0.4m范圍內(nèi)不得回填，以便觀察試壓時是否漏水。

5 結(jié)語

(1)白四倒虹吸兩岸斜坡段高差大，坡度較陡，通過采用球墨鑄鐵管，方便了運輸、安裝等施工，加快了工程進度。

(2)白四倒虹吸的成功施工，提供了大直徑球墨鑄鐵管在高陡岸坡中運用的工程實例。

(3)截至目前，南江右總干渠其余建筑物尚未完工，白四倒虹吸尚未過水驗收，后續(xù)需持續(xù)關(guān)注運行期狀況。