滇中引水工程九道河倒虹吸工程建筑物布置

陳進(jìn)華，林 華

(云南省滇中引水工程建設(shè)管理局，云南 昆明 650051)

1 工程概況

滇中引水工程九道河倒虹吸位于祿豐縣以北，上接九道河隧洞，下連魯支河隧洞，倒虹吸起點(diǎn)樁號JDHS0+000.000m(CX113+358.139m)，終點(diǎn)樁號JDHS0+717.442m(CX114+075.581m)，水平長717.442m，實(shí)長782.226m。九道河倒虹吸設(shè)計(jì)流量100m3/s，采用3根直徑4.2m壓力鋼管輸水。倒虹吸進(jìn)口設(shè)計(jì)水位1931.6m(水深6.9m)，底板高程1924.7m，鋼管最大靜水頭約137.3m。

九道河倒虹吸位于西河峽谷，谷峰相對高差280～360m，河流總體流向由北向南。河谷呈“V”形，谷底較狹窄平緩，谷底高程1772～1775m，谷底寬40～60m。西岸坡總體地形坡度25°，東岸坡體地形坡度31°。倒虹吸軸線沿兩岸山脊布置，山脊較寬緩，兩側(cè)沖溝切割較淺。

九道河倒虹吸布置于深切峽谷地段，沿線兩岸自然邊坡高陡、斷層發(fā)育、巖體破碎、巖體風(fēng)化強(qiáng)烈、卸荷發(fā)育強(qiáng)烈，邊坡穩(wěn)定條件差。結(jié)合水工布置，九道河倒虹吸部位存在的主要工程地質(zhì)問題有以下4點(diǎn)。

(1)兩岸巖體風(fēng)化強(qiáng)烈、斷層發(fā)育，全、強(qiáng)風(fēng)化層較深厚，覆蓋層及全強(qiáng)風(fēng)化層厚度大于10m，部分鎮(zhèn)墩、支墩和進(jìn)出口水池?fù)鯄A(chǔ)置于全強(qiáng)風(fēng)化巖體或斷層帶及影響帶上，承載力較低，建議進(jìn)行地基處理。

(2)兩岸邊坡高陡，巖質(zhì)軟弱、構(gòu)造發(fā)育，同時(shí)受巖體風(fēng)化、卸荷等影響，邊坡穩(wěn)定條件差，可能產(chǎn)生坍滑破壞。右岸為順向坡，下伏基巖以泥質(zhì)巖為主，發(fā)育多條規(guī)模較大的斷層，巖體風(fēng)化強(qiáng)烈，岸坡整體穩(wěn)定條件差，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)。

(3)跨河簡支橋采用端承樁基礎(chǔ)，持力層為河床下伏弱風(fēng)化巖體。河床沖洪積層厚度6～11m，性狀差、透水性強(qiáng)，開挖基坑存在基坑涌水及坑壁穩(wěn)定問題。

(4)沿線地形變化較大，巖體風(fēng)化不均，存在不均勻沉降變形問題，需加強(qiáng)地基處理。

2 倒虹吸進(jìn)出口設(shè)計(jì)

2.1 倒虹吸進(jìn)口結(jié)構(gòu)布置

九道河倒虹吸進(jìn)口銜接九道河隧洞，倒虹吸進(jìn)口由漸變段、退水閘、工作閘及進(jìn)水池組成。進(jìn)口漸變段：樁號JDHS0+000.000m～JDHS0+036.000m布置倒虹吸進(jìn)口漸變段及退水閘，總長36m(其中漸變段長25m)，進(jìn)口底板高程1924.690m，順流向由8.26m×8.96m(寬×高)馬蹄形斷面漸變至16.6m×8.5m(寬×高)矩形斷面。漸變段底板厚1.5m，邊墻厚1～1.5m。

退水閘：九道河退水渠設(shè)計(jì)退水流量100m3/s，退水閘與倒虹吸軸線夾角60°，軸線交叉樁號JDHS0+025.000m。退水去引渠段長12.448m，閘室段長8m。閘前正常水深6.904m，閘底板高程1924.690m，平臺高程1933.190m。引渠段邊墻厚1～1.5m，底板厚2.0m。閘室邊墩厚2m，底板厚2.0m。閘門電動卷揚(yáng)機(jī)啟閉，啟閉機(jī)室采用排架結(jié)構(gòu)，總高14m，啟閉設(shè)備布置平臺高程為1942.690m，啟閉機(jī)室屋頂高程1947.190m。

進(jìn)口工作閘：為滿足倒虹吸調(diào)度運(yùn)行需要，在九道河倒虹吸進(jìn)口樁號CX113+394.139m～CX113+403.139m布置工作閘，兼做倒虹吸事故閘。九道河倒虹吸為3管倒虹吸，因此工作閘布置為3孔3扇，閘門采用露頂式平面鋼閘門。九道河倒虹吸進(jìn)口工作閘閘室段總長9m，每孔閘室凈寬4.2m，閘墩凈高8.5m，閘室底板及邊墻厚均為2m。九道河倒虹吸進(jìn)口工作閘建基高程為1922.690m，閘底板高程為1924.690m，閘墩平臺高程為1933.190m。閘門采用固定單吊點(diǎn)卷揚(yáng)式啟閉機(jī)操作，啟閉機(jī)室為排架結(jié)構(gòu)，啟閉設(shè)備布置于1942.690m高程，啟閉機(jī)室屋頂高程為1947.190m。啟閉排架總高14m，啟閉設(shè)備室以下排架柱尺寸為1m×1m，啟閉設(shè)備室以上排架柱尺寸為0.5m×0.5m。

進(jìn)水池：相應(yīng)進(jìn)水池布置為3孔，進(jìn)水池樁號JDHS0+045.000m～JDHS0+080.000m，總長35m，凈長34m。進(jìn)水池每孔凈寬4.2m，中墩厚2m，邊墩厚1～2m，底板厚2～3m。進(jìn)水池底板高程為1924.690～1917.390m，頂高程為1933.190m，凈高8.5～15.8m。九道河倒虹吸進(jìn)口平面布置及縱剖面如圖1所示，九道河倒虹吸進(jìn)口工作閘布置如圖2—3所示。

圖1 九道河倒虹吸進(jìn)口平面布置圖

圖2 九道河倒虹吸進(jìn)口縱剖面布置圖

圖3 九道河倒虹吸進(jìn)口工作閘布置圖

2.2 倒虹吸出口結(jié)構(gòu)布置

出水池：九道河倒虹吸采用3根直徑4.2m壓力鋼管，相應(yīng)出水池布置為3孔，出水池樁號JDHS0+659.442m～JDHS0+683.442m，總長24m，凈長23m。出水池每孔凈寬4.2m，中墩厚2m，邊墩厚1～2m，底板厚2m。出水池底板高程為1918.111～1923.811m，頂高程為1932.311m，凈高8.5～14.2m。

出口工作閘：為滿足倒虹吸調(diào)度運(yùn)行需要，在九道河倒虹吸出口樁號CX114+067.682m～CX114+073.682m布置有工作閘，兼做倒虹吸事故閘。九道河倒虹吸為3管倒虹吸，因此工作閘布置為3孔3扇。閘門采用固定單吊點(diǎn)卷揚(yáng)式啟閉機(jī)操作，啟閉機(jī)室為排架結(jié)構(gòu)，啟閉設(shè)備布置于1941.811m高程，啟閉機(jī)室屋頂高程為1946.311m。啟閉排架總高14m，啟閉設(shè)備室以下排架柱尺寸為1m×1m，啟閉設(shè)備室以上排架柱尺寸為0.5m×0.5m。

出口漸變段：樁號JDHS0+689.442m～JDHS0+717.442m布置倒虹吸出口漸變段，總長28m，出口底板高程1923.811m。漸變段順流向?qū)挾扔?6.6m漸變至8.26m，凈高由8.5m漸變至8.96m，采用矩形斷面。底板厚1.5m，邊墻厚1～1.5m。九道河倒虹吸出口平面布置及縱剖面如圖4—5所示，九道河倒虹吸出口工作閘布置如圖6所示。

圖4 九道河倒虹吸出口平面布置圖

圖5 九道河倒虹吸出口縱剖面布置圖

圖6 九道河倒虹吸出口工作閘布置圖

3 倒虹吸進(jìn)出口結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1 進(jìn)出口、工作閘整體穩(wěn)定及基礎(chǔ)處理

九道河倒虹吸進(jìn)出水池、進(jìn)出口工作閘各工況下整體穩(wěn)定及基底應(yīng)力計(jì)算成果見表1—2。

表1 九道河倒虹吸進(jìn)出水池整體穩(wěn)定及基底應(yīng)力計(jì)算成果表

表2 九道河倒虹吸進(jìn)出口工作閘閘室穩(wěn)定及基底應(yīng)力計(jì)算成果表

由計(jì)算成果可以看出九道河倒虹吸進(jìn)出水池、進(jìn)出口工作閘各工況下整體穩(wěn)定滿足規(guī)范規(guī)定。出水池、出口工作閘均建基于弱風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖及泥質(zhì)粉砂巖，容許承載力fa0值700～1000kPa，基礎(chǔ)承載力滿足要求。進(jìn)水池基底最大最小應(yīng)力分別為396.94kPa、216.14kPa，倒虹吸進(jìn)口建基于斷層影響帶，容許承載力fa0值200～300kPa，基礎(chǔ)承載力不滿足要求，采用端承摩擦樁，樁端持力層為弱分化基巖，樁端進(jìn)行如弱分化基巖0.5～1m，根據(jù)地質(zhì)條件確定樁長6.5～10m(A排5.5m、B排7.0m、C排7.5m、D排8.0m、E排9.0m)。根據(jù)倒虹吸進(jìn)水池結(jié)構(gòu)尺寸及承載力需要確定順?biāo)鞑贾?排樁(樁間距4.2m)，垂直水流向布置5排(樁間距4.6m)。倒虹吸進(jìn)水池端承摩擦樁平面布置如圖7所示。

圖7 九道河倒虹吸進(jìn)水池基礎(chǔ)樁基平面布置圖

九道河倒虹吸進(jìn)口工作閘基礎(chǔ)中部處發(fā)育一斷層，基礎(chǔ)承載力0.15～0.17MPa，斷層處閘室基底最大應(yīng)力135kPa，基礎(chǔ)承載力滿足要求。為減少進(jìn)口工作閘基礎(chǔ)變形，對進(jìn)口工作閘底部斷層采用塊級配碎石換填處理，換填方法厚度2～3m。

3.2 進(jìn)出口結(jié)構(gòu)計(jì)算

倒虹吸進(jìn)出口均采用C30鋼筋砼結(jié)構(gòu)，鋼筋采用HRB400，按限裂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最大裂縫寬度限制0.3mm。倒虹吸進(jìn)出口結(jié)構(gòu)計(jì)算成果見表3。

表3 九道河倒虹吸進(jìn)出口結(jié)構(gòu)計(jì)算成果表

3.3 進(jìn)出口工作閘結(jié)構(gòu)計(jì)算

工作閘閘室均采用C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼筋采用HRB400，按限裂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最大裂縫寬度限制0.3mm。依據(jù)SL191《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》、SL744《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。九道河倒虹吸進(jìn)出口工作閘結(jié)構(gòu)計(jì)算成果見表4。

表4 楚雄段工作閘結(jié)構(gòu)計(jì)算成果表

4 倒虹吸壓力鋼管設(shè)計(jì)

4.1 倒虹吸管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

九道河倒虹吸輸水管采用3根直徑4.2m壓力鋼管，實(shí)長656.432m，管內(nèi)流速2.406m/s。壓力鋼管段由上游斜坡段、橋架段和下游斜坡段組成。上游斜坡段管道長290.358m，坡度為21.3°～27.7°。采用梁橋跨越西河，跨河段長118.534m，鋼管中心高程1794.294m，最大靜水頭137.3m。下游斜坡段長247.54m，坡度為29.8°～31.8°。根據(jù)九道河倒虹吸鎮(zhèn)支墩布置確定管節(jié)長度為2.5m，每個(gè)管節(jié)設(shè)一個(gè)加勁環(huán)(即加勁環(huán)間距2500mm)，加勁環(huán)高厚18mm，高200mm。鋼管、加勁環(huán)及支承環(huán)鋼材均采用Q345C。九道河倒虹吸壓力鋼管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)SL 281—2003《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》等進(jìn)行，根據(jù)倒虹吸鋼管強(qiáng)度計(jì)算成果確定倒虹吸鋼管分段壁厚見表5。

表5 九道河倒虹吸鋼管分段壁厚表

4.2 鎮(zhèn)支墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.2.1鎮(zhèn)墩基礎(chǔ)處理

九道河倒虹吸4#鎮(zhèn)墩建基于斷層帶，根據(jù)地質(zhì)條件及承載能力要求確定樁長10m，在樁頂與鎮(zhèn)墩基礎(chǔ)之間設(shè)置一層300mm厚碎石褥墊層作為過渡層。4#鎮(zhèn)墩基礎(chǔ)樁基平面布置如圖8所示。

圖8 九道河倒虹吸4#鎮(zhèn)墩基礎(chǔ)樁基平面布置圖

4.2.2支墩基礎(chǔ)處理

九道河倒虹吸進(jìn)口～1#鎮(zhèn)墩間共有1個(gè)支墩、3#～4#鎮(zhèn)墩間共有4個(gè)支墩、6#鎮(zhèn)墩～出口間共有3個(gè)支墩建基于斷層破碎帶，其基礎(chǔ)容許承載力fa0值為150～170kPa，雖滿足要求，但從工程長期運(yùn)行安全角度考慮，對上述支墩基礎(chǔ)處理采用塊、級配碎石換填方法，置換厚度1.5～2m。

4.3 壓力鋼管防腐設(shè)計(jì)

壓力鋼管外壁與大氣接觸的外壁涂料配套設(shè)計(jì)年限大于10年，采用環(huán)氧富鋅底漆、環(huán)氧云鐵中間漆及丙烯酸脂肪族聚氨酯面漆應(yīng)性能指標(biāo)應(yīng)滿足要求見表6。

表6 環(huán)氧富鋅底漆主要技術(shù)指標(biāo)

壓力鋼管內(nèi)防腐設(shè)計(jì)使用年限不小于為50年，無溶劑聚氨酯內(nèi)防腐涂層厚度不小于500μm。使用的無溶劑聚氨酯涂料及無溶劑聚氨酯防腐涂層的性能指標(biāo)應(yīng)符合表7的規(guī)定。

表7 無溶劑聚氨酯涂料主要技術(shù)指標(biāo)

5 結(jié)語

滇中引水改造工程倒虹吸管設(shè)計(jì)方案在工程布置、水力計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析等方面存在問題。由于倒虹吸管設(shè)計(jì)計(jì)算過程比較復(fù)雜，需理論聯(lián)系實(shí)際，重點(diǎn)解決實(shí)際設(shè)計(jì)工作中需要解決的關(guān)鍵難點(diǎn)。倒虹吸管設(shè)計(jì)方案的核心在于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算和分析，在應(yīng)用相關(guān)規(guī)范的基礎(chǔ)上，實(shí)際計(jì)算可以有效地保障設(shè)計(jì)方案的順利實(shí)施。綜上所述，倒虹吸管是一種穿越河道的建筑物，具有造價(jià)低、工程量少、施工方便、不影響河流給排水等優(yōu)點(diǎn)。可以在引水工程中有效利用，優(yōu)化水資源配置，改善生態(tài)環(huán)境，真正提高人民生活水平和國力。