穿河倒虹吸抗洪減震的設計理念及應用

□ 李恩義 許韌初

一、概述

目前在我國水利工程中，已經建成或正在建設的穿河倒虹吸數量眾多。其穿河結構形式通常采用“埋管（無防護壩）式”、“橋管式”和“埋管（有防護壩）式”等三種。

那么，應該依據怎樣的設計理念，去選擇倒虹吸的穿河結構形式呢？本文將通過作者親身參與建設的流沙河兩河口倒虹吸工程實例，對這個問題做一番實質性的探討。

汶川大地震之后，為解決整體搬遷的漢源新縣城居民生活和沿途工農業生產供水的需求，國務院于2010年撥專款興建永定橋輸水工程。

流沙河屬于大渡河的支流，位于四川省雅安市漢源縣境內，其流經該縣富莊鎮兩河口下游187m的位置，就是永定橋輸水工程兩河口倒虹吸的穿河軸線位置，其底部埋設的穿河倒虹吸鋼管長度為82m（底部直線段長度，未計下河斜坡段長度）。

倒虹吸流水方向為：石崗山隧洞出口及其暗渠→流沙河兩河口倒虹吸（含左岸山體及河灘段、河床段、右岸共計三大段）→寨子山隧洞進口。參見圖1。

圖1 流沙河兩河口穿河倒虹吸相對位置示意圖

流沙河兩河口倒虹吸全長2 015m，采用900mm直徑鋼管進行全程雙管布置。其中：左岸山體及河灘段長度為1 450m，右岸長度為483m，河床段長度為82m，本文所述“穿河倒虹吸”特指此段長度為82m的直線段。參見圖1

二、設計理念的由來

流沙河兩河口穿河倒虹吸原設計為“埋管（無防護壩）式”穿河結構形式。

2010年5月，中標單位葛洲壩集團五公司項目部（以下簡稱“項目部”）進場后，通過查看本工程多年暴雨資料，得知流沙河是一條流量暴漲暴落極為強烈的季節性河流。并在隨后不久就見證了這個暴雨資料的準確性：

2010年7月17日，流沙河上游流域發生了百年一遇的特大暴雨，僅僅48小時后就產生了超過800m3/s的洪峰流量（枯水期流量一般在20～30m3/s）。距離穿河倒虹吸位置下游350m處的一座大橋，其圍護左岸橋基上下游兩側約50m范圍內的混凝土漿砌石河堤被徹底沖毀，洪水撕裂了左岸橋基與陸地的連接，出現了寬度達到10cm以上的貫穿性裂縫。

地方政府在洪水過后及時對損毀部位進行了加固處理，特別是在特大洪水過后的當年枯水期至次年汛期之間，在大橋下游主河道55m處修建了一座攔河鋼筋混凝土防護壩：利用壩體阻擋洪水并溢流，使得該壩體至大橋附近范圍形成相對靜水區，從而大幅度削減了洪水對左岸橋基與河堤的沖擊動能。經過2011、2012和2013年三個汛期的運行考驗，該防護壩運行良好，被保護的左岸橋基、護岸河堤及其他修復部位運行良好。

由于該大橋與兩河口倒虹吸位于同一條河流（流沙河）上，且距離僅為350m，完全處于同一個暴雨形成區域，任何時間段內幾乎在承受同一個流量的沖擊能量。因此，大橋下游的防護壩完全可以視為兩河口倒虹吸工程一個成功的生產性防護試驗壩。

于是，項目部借鑒大橋下游防護壩消能的成功經驗與汶川大地震的損毀教訓，引申到本工程為“防護壩抗沖”的抗洪設計理念與“外部柔性材料＋內部優質16Mn鋼管＋鋼筋石籠宣泄口”的組合式減震設計理念，撰寫了《流沙河兩河口“埋管（有防護壩）式”穿河倒虹吸設計及施工方案》，上報監理和業主單位。

三、設計理念的探討

監理和業主單位對項目部上報的方案極為重視，邀請了多位水利專家進行聯合審查；并組織本工程各個參建單位的技術負責人召開多次專題會議，對三種穿河倒虹吸在適應性、重要性、施工可行性和資金用量等設計理念范疇內的各項重要指標進行了充分的探討和論證。論證的主要內容是：對“埋管（有防護壩）式”的穿河倒虹吸除了進行定性分析之外，還進行了模型試驗的演算與理論分析；對“埋管（無防護壩）式”及其“橋管式”穿河倒虹吸只做定性分析。為清晰起見，將探討和論證融入各自的“優點”和“缺點”進行敘述：

（一）“埋管（無防護壩）式”

1.優點

施工項目僅為開挖及埋管，簡單易行，沒有互相干擾問題；建設資金投入不多。

2.缺點

（1）洪水的毀滅性影響。隨著流沙河水流、泥沙及其石塊的不斷侵蝕，特別是汛期洪水暴漲暴落形成強大的沖擊動能與勢能，將迫使倒虹吸鋼管不可避免地產生裸露→位移→變形→損毀。并連帶危及右岸寨子山底部、左岸河灘下河段倒虹吸鋼管的安全。從而導致整個永定橋輸水工程終止運行。因此，洪水對“埋管（無防護壩）式”結構將產生毀滅性影響，堅決不能采用。

（2）地震的重大影響。一旦遭遇震級與烈度較大的地震，強烈的地震波能量將迫使在沒有防護條件下的倒虹吸管道產生位移、扭曲等破壞現象，從而導致倒虹吸管道變形、漏水直至損毀。因此，地震對“埋管（無防護壩）式”結構將產生重大影響，也不能采用。

（3）使用壽命將會因為洪水與地震的不設防而大為縮短。

（二）“橋管式”

1.優點

不受洪水影響；對鋼管材質要求不是太高；技術可行；施工不復雜。

2.缺點

“橋管式”中的“橋”不是公路橋，其寬高比決定了抗震性能差。而流沙河流域恰恰距離汶川地震帶很近，可以基本認定流沙河流域屬于地震帶活躍區域（施工期間的雅安地震就是證明）。因此，如果采用“橋管式”結構的穿河倒虹吸，地震將是致命影響，應該否決。

（三）“埋管（有防護壩）式”

對于“抗洪”，采用水工模型試驗與理論分析相結合的辦法進行設計：

首先根據兩河口倒虹吸河床實測地形資料和水文資料，結合理論分析作出此處屬于水流阻力平方區、且滿足重力相似和紊動阻力相似條件的判斷，建立一個盡可能與兩河口河床在洪峰流量狀態下的水力學條件相似模型：

取當地水文站實測資料百年一遇洪峰流量為QP=826m3/s、流速為VP=8.78m/s；取長度比尺為λL=20,得出模型流速為VM=VP/λV=VP/√λL=8.78/√ 20=8.78/4.472=1.963m/s； 模 型 流 量 QM=QP/λq=QP/λL2.5=826/202.5=0.462m3/s.

然后根據模型流速和模型流量，可以得到防護壩壩體迎水面所受的最大沖擊力FP：

FM=1/2×H2r+ma=1/2×H2r+r QM t×VM/t=r(1/2×H2+QM×VM)

由λF=λL3， λF =FP/FM，，代入上式得：

FP=λF×FM=λL3×r(1/2×H2+QM×VM)

式中：取水的容重r=1；2010年7月實測最大水深H=3.3m,代入得 FP=5.08×105kn.

最終根據這個FP數值、百年一遇洪水標準和面板溢流壩的其他相關技術參數（因涉及“抗洪”的份量不大，且限于本文篇幅，故從略）去進行防護壩的設計，做出“抗洪”的最終布置，參見圖2.

對于“減震”，采用“內剛外柔”的思路進行設計：

由于地震的發生存在相當的復雜性和不確定性，工程界至今尚無成熟的力學模型和計算公式應用于各類工程。基于這種現實，采用力學平衡原理進行假設和推導，對兩河口倒虹吸工程進行“內剛外柔”的減震設計，力求將地震對倒虹吸管的破壞程度降到最低。

“內剛外柔”減震設計的要點是：

1.“內剛”的原定鋼管壁厚為20mm，在專題會議上一致決定改為25mm。

2.“外柔”結構力求簡單、規則、對稱，故采用正梯形結構；“外柔”所用材料盡可能柔和并且各向同性，故采用粒徑為30mm的礫石材料。

3.具有明確的理論分析、計算簡圖（參見圖3：具體假設、推導和計算過程從略）。其主要計算結果：

震后表象推測：就像什么也沒有發生過（相當于承受5級以下地震）。

按“彈性地基”、“地下埋管”、“正常工作”狀態，計算得出管壁應力值σ＝77.58MPa,查得相同狀態下規范允許應力[σ]＝122.78MPa，二者之差[σ]－σ＝45.2MPa就是衰減之后“足夠大”的容許地震應力，我們表征為：σ中≦[σ]－σ＝45.2MPa.

震后表象推測：鋼筋石籠處有豁口、但防護壩和鋼管安然無恙（相當于承受5～7級地震）。

（3）當σ中很大時：一旦σ中與σ疊加達到或超過規范允許應力[σ]＝122.78MPa，也無需太過擔心，因為此時尚存最后一道“內鋼”屏障：鋼管16Mn鋼材的[σ]允許高達214MPa，這之間還有214－122.78≈90MPa，應該可以抵擋大級別的地震。

震后表象推測：鋼筋石籠處有大豁口、防護壩蓋板與溢流面局部損毀、防護壩出現裂縫、礫石柔性層局部擾動、但鋼管應該無恙（相當于承受8級及以上級別地震）。

4.具有明確的結論：鋼管的埋設位置是：基坑1:1邊坡正梯形礫石回填部位的幾何中心位置（距離礫石頂部與底部均為1.21m、距離兩側邊坡均為1.2m、兩根鋼管之間距離2.4m）；礫石回填密實之后的厚度為2.42m，其密實度＞90%；兩根鋼管～“宣泄口”鋼筋石籠的距離分別為4.54m和6.46m。

根據以上設計要點及計算結果，并統籌考慮與防護壩的協調性，做出“減震”的最終布置。我們來看圖2“埋管（有防護壩）式”的結構組成：

5.優點

（1）對特大洪水的消能

在原河床線與防護面板交接處，特意留出頂寬為3.5m的缺口，布置鋼筋石籠壓住邊坡與原土回填的起始頂部。

從圖2中可以看出：當特大洪水來臨時，首先由鋼筋石籠進行初步消能，同時由于鋼筋石籠的透水性能好，對底部的回填原土及礫石層起到了反濾作用，有效地保護了回填礫石體內的穿河倒虹吸不受沖擊。

圖2 流沙河兩河口穿河倒虹吸與防護壩結構布置剖面圖

當洪水越過鋼筋石籠，下掏的勢能則被穿河倒虹吸頂部設置的厚度為50cm的C40鋼筋混凝土防護面板牢牢鎖住；前沖的動能則被下游設置的C30鋼筋混凝土重力防護壩死死抵住，這樣，在防護面板和防護壩體的共同作用下，大幅度消減了洪水的能量。

（2）對地震波的衰減

從圖2和圖3中可以看出：倒虹吸鋼管和礫石層組成了一個“內剛外柔”的聯合體（鋼管采用攀鋼生產的特級優質16Mn鋼材，壁厚25mm），當地震波來臨在還沒來得及進入鋼管之前，就被外層的回填礫石層盡量“照單全收”，剩余進入倒虹吸鋼管的地震波則屬于被嚴重衰減之后的地震波。

即使遭遇8級及其以上的特大地震，“內剛外柔”聯合體一旦接受不了過多的地震波能量，圖2設計的鋼筋石籠位置就是一個地震波多余能量的宣泄口，這個宣泄口既可以使得“內剛外柔”聯合體只做彈性脈動，而不是剛性破壞；又可以使得頂部C40鋼筋混凝土防護面板避開大部分的地震波能量，從而可以大概率得以不致被破壞，局部小的破壞可以在震后修復加固（參見圖2、圖3）。

當然，地震效應是復雜的，不能說按圖2布置就一定能夠保證穿河倒虹吸萬無一失。重要的是：合理的設計與高質量的施工可以有效地衰減地震效應，這一點是毫無疑問的。

（3）延長使用壽命

按照圖2進行穿河倒虹吸布置，既徹底抵抗了洪水的沖擊能量，又高效衰減了地震波能量，這就自然而然地連帶產生了另外一個優點，那就是：可以延長穿河倒虹吸的使用壽命（設計使用壽命50年）。

6.缺點

圖3 兩河口穿河倒虹吸鋼管地震受力分析圖

造價比較高：流沙河兩河口“埋管（有防護壩）式”穿河倒虹吸的造價達到了1 245萬元，是“埋管（無防護壩）式”的5.76倍，或者是“橋管式”的2.42倍。

表面上看造價的確較高，但由于本工程的重要性與特殊性（政府要求在百年一遇洪水或者8級以內地震的情況下確保供水），在大概率發生洪水和地震危機的流沙河建造這樣高級別的穿河倒虹吸，是物有所值的。

四、設計理念的應用

由于業主和專家組的高度重視和評價，業主決定取消原設計，同時要求設計單位以項目部上報的《流沙河兩河口“埋管（有防護壩）式”穿河倒虹吸設計及施工方案》為藍本進行重新設計和完善，本文的圖2就是經過完善之后最終的設計圖紙（部分）。

流沙河兩河口穿河倒虹吸于2013年2月15日開始施工，至2013年6月28日順利施工結束，期間于2013年4月20日上午8時02分在進行基坑防護壩鋼筋架設時遭遇雅安7級地震，現場工人反映震感強烈，所幸沒有造成大的損毀。

在施工結束后的不久（2013年7月25日）就接受了一次汛期洪峰流量達到580m3/s的洪水考驗，根據現場勘查和檢測，穿河倒虹吸頂部面板、防護壩壩體以及鋼筋石籠等建筑物運行良好，消能效果良好，證明了設計理念的正確性。

當然，建成后的兩河口倒虹吸對地震波的衰減效應還有待于今后的實踐檢驗，但我們認為會有一個好的效果。

五、結束語

對于類似于流沙河這樣暴漲暴落極為強烈、同時還處于地震頻繁活動帶流域的季節性河流，其穿河倒虹吸必須采用“埋管（有防護壩）式”；盡量不采用“橋管式”；杜絕采用“埋管（無防護壩）式”。

對于暴漲暴落不強烈、所處流域沒有明顯地震活動帶的河流，其穿河倒虹吸建議采用“橋管式”；慎重采用“埋管（無防護壩）式”。

對于沒有暴漲暴落、所處流域沒有地震活動帶的非季節性河流，其穿河倒虹吸建議采用“埋管（無防護壩）式”。