武引二期灌區(qū)工程梓潼江倒虹管設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

廖大勇，雷明慧，王培，聶加明，李智淵

(1.四川省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都，610072；2.四川省水利規(guī)劃研究院，成都，610072)

1 工程概況

武都引水工程是四川省一項(xiàng)兼具防洪、灌溉、發(fā)電等為一體的綜合性大型水利工程，工程設(shè)計(jì)總灌面為15.48萬hm2。工程分二期建設(shè)，一期工程包括取水樞紐、總干渠和涪梓灌區(qū)，灌溉面積共計(jì)8.47萬hm2，工程已于2000年底全部建成受益；二期工程包括武都水庫和二期灌區(qū)工程，灌區(qū)設(shè)計(jì)灌面為7.02萬hm2，其中二期灌區(qū)工程包括金峰水庫、西梓干渠和中小渠系工程。目前，武都水庫已經(jīng)建成并投入運(yùn)行，二期灌區(qū)工程已進(jìn)入掃尾階段，主體工程基本完成[1]。

武引二期灌區(qū)西梓干渠設(shè)計(jì)流量12.5m3/s～28.5m3/s，共分九個(gè)流量段。其中，梓潼江倒虹管位于第一流量段，倒虹管穿越涪江一級支流梓潼江，梓潼江倒虹管出口接鳳凰水庫，管道設(shè)計(jì)流量28.5m3/s，加大設(shè)計(jì)流量34.2m3/s，最大工作水頭86m，屬于四川省首座大流量、高水頭穿越主要河流的倒虹管，列為該工程跨河重點(diǎn)建筑物，根據(jù)所屬渠道流量段建筑物級別提高一級按照2級建筑物進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 管材選擇及水力計(jì)算

2.1 管材選擇

根據(jù)梓潼江倒虹管所承受的最大水頭H和初擬的管道內(nèi)徑D的乘積HD值>120，屬于中高水頭。管道材料可從以下材料中選擇：預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(PCCP)、玻璃鋼管(GRP)和鋼管。

預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管管壁厚度略大，重量相對較大，且能承受的最大水頭相對較小；GRP管的優(yōu)點(diǎn)在于重量輕，便于運(yùn)輸安裝，防腐蝕性能強(qiáng)且管道糙率小、水力條件好，但是在陽光照射下易老化，受力不均時(shí)管身容易變形導(dǎo)致接頭漏水；鋼管的成本相對最高，且制作安裝工藝要求高，施工繁瑣；PCCP作為近年來在大中型輸水渠道中運(yùn)用較多的新材料，抗壓強(qiáng)度高、安裝方便，在南水北調(diào)工程中得到了廣泛的應(yīng)用，而且價(jià)格相對較低，故本工程梓潼江倒虹管采用PCCP管材。

2.2 水力計(jì)算

梓潼江倒虹管按照設(shè)計(jì)流量28.5m3/s進(jìn)行設(shè)計(jì)，按照加大流量34.2m3/s(120%設(shè)計(jì)流量)復(fù)核渠道超高，按照小流量11.36m3/s(40%設(shè)計(jì)流量)復(fù)核倒虹管進(jìn)口淹沒深度。

通過國內(nèi)多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)測試以及相關(guān)規(guī)范，PCCP的糙率可取為n=0.01～0.0125，為了安全起見并預(yù)留足夠的水頭，采用n=0.012。根據(jù)規(guī)范，倒虹管平均流速宜為1.5m/s～2.5m/s，且最小流速不應(yīng)小于管道不淤流速，通過計(jì)算采用單管布置時(shí)倒虹管管徑達(dá)4m左右，管徑為4m的PCCP在國內(nèi)生產(chǎn)及安裝均少有，且該倒虹管進(jìn)出口段均為斜坡，大管徑PCCP安裝極為不便，因此梓潼江倒虹管布置為雙管型式。梓潼江倒虹管出口緊接梓潼縣鳳凰水庫庫區(qū)，水頭略有富裕，本工程選用了相對較大的流速，以便盡可能地降低管徑，經(jīng)計(jì)算單管管徑選取2.6m。

梓潼江倒虹管采用雙管布置除了降低管徑便于生產(chǎn)安裝外，還能保證即使單管出現(xiàn)故障需要檢修時(shí)，仍能保證下游渠道的供水任務(wù)。

倒虹管水頭損失計(jì)算成果見表1。

表1 梓潼江倒虹管水頭損失計(jì)算成果

3 倒虹管設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)布置

梓潼江倒虹管包括進(jìn)口段、管身段及出口段。倒虹管全長1225m，管身段水平投影長1128m，軸線長1154m。進(jìn)口段由漸變段、沉砂池、節(jié)制閘、前池及泄水閘組成；出口段由節(jié)制閘、消力池以及漸變段組成。

管身段采用PCCP雙管布置，為保護(hù)管道并減少工程永久占地，管身大部分布置為埋管，上部回填土厚0.8m～2m(河床段回填厚度大于4m)。管線沿程設(shè)16個(gè)鎮(zhèn)墩，每根管道設(shè)3處進(jìn)人孔、1處沖砂放水孔。

3.2 穿越梓潼江設(shè)計(jì)

梓潼江倒虹管橫跨涪江左岸最大一級支流梓潼江，倒虹管洪水標(biāo)準(zhǔn)按30年一遇進(jìn)行設(shè)計(jì)，洪峰流量為6200m3/s，PCCP穿越梓潼江需分別進(jìn)行抗沖刷設(shè)計(jì)及抗浮設(shè)計(jì)。

根據(jù)倒虹管設(shè)計(jì)洪峰流量對倒虹管頂部河床沖刷深度進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算跨河段河床沖刷深度為3.0m，倒虹管埋置深度應(yīng)不小于計(jì)算沖刷深度線以下50cm，因此，選取倒虹管管頂埋置于河床以下3.5m，可滿足設(shè)計(jì)要求。管道放空后，管道周圍存在外水壓力，需進(jìn)行管道抗浮設(shè)計(jì)，經(jīng)計(jì)算管道頂部覆土厚度≥3.2m時(shí)可滿足抗浮要求。

為滿足管道抗沖刷及抗浮計(jì)算要求，在河床段管道安裝完成后，管頂回填超過4.0m厚砂卵石，河床上部采用粒徑≥15cm大卵石回填，同時(shí)對河床岸坡采用30cm厚C15混凝土面板進(jìn)行護(hù)坡。梓潼江倒虹管跨梓潼江段縱剖面見圖1。

圖1 梓潼江倒虹管跨梓潼江段縱剖面

3.3 管道水壓設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

梓潼江倒虹管最大工作水頭86m，管節(jié)內(nèi)壓根據(jù)不同的水頭進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)安全系數(shù)為1.5。梓潼江倒虹管PCCP單節(jié)長6m，采用承插式安裝，管道安裝偏差要求不大于±30mm，安裝完成后對接口進(jìn)行打壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為工作水壓的1.5倍。單個(gè)接口打壓完成后進(jìn)行前后管道安裝，安裝完后再復(fù)測該接口。

受現(xiàn)場條件、施工工期等因素限制，設(shè)計(jì)未對倒虹管提出分段水壓試驗(yàn)要求，倒虹管進(jìn)出口也不便設(shè)置密封設(shè)施，因此，本工程未進(jìn)行密封水壓試驗(yàn)，而是利用進(jìn)出口節(jié)制閘門擋水采用加大流量對應(yīng)水位進(jìn)行靜水試驗(yàn)，檢測管道在最大工作壓力水位下是否滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)試驗(yàn)，倒虹管未出現(xiàn)滲漏及管道位移等不良現(xiàn)象。

倒虹管與長距離輸水管道布置不同，基本為斜坡布置，密封堵頭設(shè)置較困難，同時(shí)倒虹管距離相對較短，便于檢修維護(hù)。因此，本工程采取加強(qiáng)管道接口壓力檢測，同時(shí)利用最大工作壓力進(jìn)行綜合測試的方式是合理有效的。

3.4 管道防護(hù)設(shè)計(jì)

PCCP主要依靠內(nèi)部的鋼筒防滲，預(yù)應(yīng)力鋼絲承受內(nèi)水壓力。因此，對鋼筒及預(yù)應(yīng)力鋼絲的保護(hù)極為重要。結(jié)合國內(nèi)外類似工程，考慮到本工程所在地區(qū)土壤屬于弱～中度腐蝕，且大部分PCCP埋置于地下或水下，為保證管道在有效保護(hù)年限內(nèi)的正常使用，需對埋管段實(shí)施陰極保護(hù)及外涂層防腐。PCCP明管段管道受環(huán)境溫度變化、干濕交替、凍融循環(huán)或空氣中混凝土碳化的影響，會(huì)縮短此類管道的有效使用年限或發(fā)生工程安全影響，同樣對明管段實(shí)施外涂層防腐。

3.4.1 陰極保護(hù)

陰極保護(hù)的對象為PCCP管道內(nèi)鋼筒及預(yù)應(yīng)力鋼絲，目的是保證管道在有效保護(hù)年限內(nèi)不會(huì)因鋼筒及預(yù)應(yīng)力鋼絲腐蝕而產(chǎn)生爆管。陰極保護(hù)包括犧牲陽極和強(qiáng)制電流兩種形式，結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)類似工程[2-3]，梓潼江倒虹管陰極保護(hù)措施采用犧牲陽極法，陽極采用鋅合金陽極。布置方案為：

(1)陽極布置按10節(jié)(單線)管道設(shè)置1組，每組設(shè)置2支鋅合金陽極塊，每支陽極重量為22kg。在兩組陽極之間中點(diǎn)，保護(hù)電位不小于-0.77V；(2)管道之間及管道與陽極之間采用電纜線進(jìn)行連接；(3)對應(yīng)鋅合金陽極組數(shù)設(shè)置測試樁。

3.4.2 外防腐保護(hù)

(1)PCCP埋管段防腐要求：無溶劑超厚漿型環(huán)氧煤瀝青防腐蝕涂料2道，總厚度400μm，每層干膜厚度180μm～220μm。

(2)PCCP明管段防腐要求：丙烯酸聚氨酯防腐蝕涂料3道。其中底層1道，干膜厚度100μm；表層2道，每層干膜厚度140μm～160μm，總厚度400μm。

3.5 倒虹管運(yùn)行調(diào)度方式

梓潼江倒虹管底部管道最大承受內(nèi)壓達(dá)86m，在管道空管充水時(shí)，為避免對底部管道造成沖刷及氣蝕破壞，倒虹管在正常運(yùn)行調(diào)度前用小流量(1m3/s～2m3/s)對管身段充滿水后再進(jìn)行引水調(diào)度。

梓潼江進(jìn)、出口節(jié)制閘調(diào)度原則：

(1)當(dāng)?shù)购绻苷９┧畷r(shí)，進(jìn)、出口節(jié)制閘均全開全閉，不用于調(diào)節(jié)流量及水位，避免對管身造成不利影響，或前池出現(xiàn)壅水現(xiàn)象；(2)當(dāng)在小流量下供水時(shí)，建議采用單管運(yùn)行，避免管身泥沙淤積；(3)管身段出現(xiàn)緊急事故情況時(shí)，應(yīng)關(guān)閉進(jìn)出口節(jié)制閘，同時(shí)打開泄水閘泄水至梓潼江，泄水渠設(shè)計(jì)下泄流量為28.5m3/s，與倒虹管設(shè)計(jì)流量一致；(4)為便于管道檢修，在管道最低處設(shè)置一處放水閥，用于管道放空及排砂。

4 結(jié)論

梓潼江倒虹管作為四川省首座大流量高水頭穿越主要河流的倒虹管，設(shè)計(jì)在管材選取及管道防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行了充分調(diào)研。PCCP在管道安裝及承受內(nèi)水壓力方面具有明顯優(yōu)勢，但是PCCP外部為砂漿防護(hù)，需要特別強(qiáng)調(diào)砂漿防護(hù)厚度及質(zhì)量。同時(shí)砂漿存在一定的孔隙，不管是在地下環(huán)境還是露天環(huán)境，都應(yīng)做好管道防護(hù)設(shè)計(jì)，特別是地下環(huán)境存在具有一定腐蝕性的情況下，陰極保護(hù)是較為有效的防護(hù)手段。

PCCP為承插式布置，接口多，應(yīng)特別重視PCCP基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及接口安裝，避免管身沉降變形及接口漏水，加強(qiáng)管身壓力檢測和水壓試驗(yàn)是管道安裝質(zhì)量的重要保障。

梓潼江倒虹管在結(jié)構(gòu)布置、水力學(xué)計(jì)算及運(yùn)行調(diào)度等方面設(shè)計(jì)合理，安全可靠。目前，已通過梓潼江倒虹管完成調(diào)水8000余萬m3，工程實(shí)踐表明管道運(yùn)行良好。該倒虹管的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可為后續(xù)工程提供參考。