石城子截潛引水工程集水廊道設計與計算分析

□朱蘇秦（新疆哈密地區石城子水系流域管理總站）

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石城子截潛引水工程集水廊道設計與計算分析

□朱蘇秦（新疆哈密地區石城子水系流域管理總站）

摘要：石城子截潛引水工程的建設將充分利用有限的水資源，可以緩解大南湖礦區工業用水問題。文章根據工程所處工程地質條件和水文地質條件，計算了工程集水廊道的滲流量，以滿足設計要求。同時，為了保證工程設計結構安全和穩定，計算了集水廊道所受最不利荷載組合下的彎矩和剪力，按照結構承載能力極限狀態對集水廊道結構配筋按照抗彎和抗剪進行了驗算，得到了可靠的鋼筋布設方案，為工程的順利開展提供決策依據。

關鍵詞：集水廊道；計算分析

0　引言

石城子流域地處東天山末端哈爾里克山南坡，西與南山口流域為鄰，東與榆樹溝流域相接。地理位置介于東經93°48′～94°18′，北緯43°06′～43°23′之間，全流域在哈密市境內。哈密市南部是煤炭資源聚集區，也是哈密煤電基地建設區，而南部受地質構造的限制沒有地下水資源，建設煤炭基地、煤電基地，水的保障供給成了基地建設的瓶頸。

為了充分利用有限的水資源來緩解大南湖礦區工業用水問題，滿足將有限的水資源效益最大化的需要，擬修建石城子截潛引水工程。

1　工程概況

石城子截潛引水工程區位于天山東段的哈爾里克山南坡中、低山地帶，地形北高南低，北面山地海拔2000 m，南面山麓高程1200 m，由集水廊道、截滲墻、引水管、引水渠道、導流堤五部分組成，截潛工程的截潛流量為0.05 m3/s，建成后每年可為大南湖礦區提供153萬m3工業用水。

1.1截潛位置基本工程地質條件

區內地貌大部分為侵蝕構造的中、低山，山頂及山坡基巖裸露，溝谷為第四系松散沉積物。石城子河流發源于天山南坡，由頭道溝和二道溝組成，頭道溝河流長約45 km；二道溝河流長約35 km，兩溝在石城子河溝口以上9 km處匯合，溝口段河流走向SW220°左右。河谷類型為“V”型谷，由于地殼抬升，沿河發育2級河流階地。兩岸山坡坡腳堆積零星坡積裙，倒石堆?，F代河床為沖、洪積沉積。南面及西面山麓一帶為第四系上更新統、全新統沖、洪積堆沉層。

地貌為侵蝕構造低山，地形北高南低，兩岸山坡高程海拔1193.60～1217.50 m，河谷海拔1181.80～1182.60 m，河谷與兩岸山頂相對高差32.60～37.50 m。河流走向S180°，河谷底寬40 m，河谷類型為“U”型谷。現代河床最大厚度15 m，卵、礫石物性試驗成果表明：天然密度為2.19～2.24 g/cm3，平均為2.22 g/cm3；含水率為1.80～2.50%，平均為2.20%；干密度為2.15～2.19 g/cm3；平均為2.17 g/cm3；孔隙比為0.26～0.23，平均為0.25，屬中密狀態土。顆粒級配組成中，粒徑＞200 mm的漂石含量平均為21.70%，200～60 mm的卵石含量平均為16.80%，60～5 mm的礫石含量平均為31.30%，粒徑＜5 mm的顆粒含量平均為30.20%，粒徑＜0.08 mm的細粒含量平均為2.70%，其不均勻系數平均值為175，曲率系數平均值為1.40。

1.2水文地質條件

在工程區范圍內主要分布有第四系及華力西期侵入巖，其中華力西期侵入巖均為裂隙含水層，可視為相對含水層，而第四系松散堆積物為孔隙含水層，屬強透水層，河水主要靠山區冰雪融化和降雨補給，工程區干旱少雨，由于構造原因，工程區無地下水出露，地下水循環特征表現為地表水補充地下水。石城子溝河水多年來一直滋養著下游城市和廣大農牧民，礦化度＜1 g/L，屬于淡水，利于灌溉，滿足人畜和工業用水。

2　截潛集水廊道滲流量計算

2.1集水廊道

截潛工程引水形式采用集水廊道引水，廊道沿河床橫向布置，尺寸為2.00 m×1.80 m的箱涵結構，墻厚0.30 m，鋼筋混凝土結構，廊道首段高程為1180.70 m，末端高程1180.50 m。廊道總長20.60 m，坡度i=1/100，廊道進水孔為預埋DN100鋼管，布置在廊道兩側和頂部，進水管孔距400 mm，集水廊道外包鋼絲網，鋼絲網孔徑為1 mm×1 mm。廊道外設反濾料，反濾料由里向外依次為：d=40～80 mm卵礫石，d=20～40 mm卵礫石，厚800 mm，d=5～20 mm卵礫石，厚800 mm，d=1～5 mm粗細砂，厚為500 mm。進人通道和集水坑設置在廊道末端，進人通道進口高程為1186.40 m，集水坑底高程為1179.70 m，集水坑為矩形，尺寸2.00 m×1.50 m。通過臺階進人集水坑，進人通道寬1.50 m，臺階寬1.20 m，臺階右側為0.30 m的地表引水渠，地表引水口布置在進人通道右側，尺寸為0.30×0.30 m，由閘門控制。防止洪水期泄洪對反濾料淤積堵塞，在上游河床段反濾層頂部鋪無紡布（150 g/m），等無紡布失去作用拆除重新鋪設。

下游采用混凝土截滲墻防滲，混凝土標號為C20F200W6，高程1181 m以下墻厚為0.80 m，高程1181 m以上為0.40 m，混凝土截滲墻嵌入巖石0.80 m，截滲墻高出地面0.90 m，做成溢流壩，在樁號0+006.3處設置引水閘，孔口0.50 m，底板高程為1185.70 m，閘頂高程為1186.90 m，為下游村莊提供灌溉用水。在樁號0+008.15處設置沖砂閘，孔口0.60 m，底板高程為1185.50 m，閘頂高程為1186.90 m。

2.2廊道滲流量計算

截潛前，根據此次鉆探資料，截潛處最大寬度28.30 m，覆蓋層最大厚度15.00 m，采用斷面法測算截潛水量：

式中，Q為截潛水量，K為滲透系數，取200.0 m/d，J為水力坡度，取5.00%，W過水面積，經計算為425.00 m2。

代入公式（1）得到：Q=4250 m3/d

截潛后，廊道為完整集水廊道，截滲墻前砂礫料處于飽和狀態，水力坡度J=1，廊道兩側墻及頂板設置直徑為0.10 m滲水孔，廊道外設置粒徑為40～80 mm卵礫石反濾料，根據反濾料特性滲透系數K=2000.00 m/d，根據滲水流量Q=4250 m3/d，計算出廊道開孔個數。

單孔過水面積W單為：W單=7.85×10-3m2，滲透系數K單=2000.00 m/d，水力坡度J單=1，代入公式（1）得到單孔進水量Q單為：Q單=2000×1×7.85×10-3=15.70 m3/d

因此，所需孔數為n=Q/Q單=4250/15.70=271個

廊道四周總開孔數設計為360，滿足要求。

3　截潛集水廊道結構計算

3.1設計工況

設計工況為施工完畢，廊道內未開集水情況，此時廊道內無有利荷載內水壓力。次工況為最不利工況。

3.2荷載設計

外荷載為土壓力，取上部砂礫石料體天然容重20 kN/m3，內摩擦角θ=30°，自重荷載為廊道自重，取鋼筋混凝土容重25 kN/m3。

3.3荷載計算系數確定

建筑物為三級建筑物安全系數K=1.25。自重荷載分項系數γg1=1.05，土壓力荷載分項系數γg2=1.20。

3.4計算模型確定集水廊道橫截面如圖1所示。

圖1　集水廊道橫截面圖

設計計算取橫斷面計算廊道內力，將廊道橫斷面簡化為四端固結，四邊受荷的框架結構，如圖2所示。采用彎矩分配法計算跨中、端點，剪力彎矩值。

圖2　集水廊道荷載計算簡圖

3.5荷載計算

廊道頂部埋深h1=2.90 m，底部埋深h2=5.30 m。

上部砂礫石料體天然容重r土=20 kN/m3，內摩擦角θ=30°。鋼筋混凝土容重r鋼筋混凝土=25 kN/m3。

忽略土壓力在廊道外壁上產生的有利荷載摩擦力，計算廊道受力。

3.6內力計算

采用彎矩分配法計算結構內力，如圖3和圖4所示。

圖3　彎矩圖

4　截潛集水廊道配筋計算

4.1廊道抗彎計算

考慮結構形式及施工情況采取選用最大彎矩做配筋計算，按此結果對廊道進行配筋［4，5］。底板最大彎矩M=53.33 kN·m，頂板最大彎矩M=28.47 kN·m，邊墻最大彎矩M=10.78 kN·m按照承載能力極限狀態設計，需滿足下式

圖4　剪力圖

式中：K為承載力安全系數，工程建筑物級別為3級，在基本組合時，K=1.25；fc為C30混凝土軸心抗壓強度fc=14.30 N/mm2，考慮廊道身帶有集水孔，按孔面積比減小混凝土強度，fc= 12.83 N/mm2。受力鋼筋選用HPB300鋼筋，鋼筋強度設計值fy=270 N/mm2；αs為截面抵抗矩系數；b為對于基礎梁寬度，單寬板條b=1000 mm；h0為截面有效高度，h0=h-a，h為截面實際高度，此處為底板的厚度h=300 mm；a為縱向受拉鋼筋合力點至截面受拉邊緣的距離，a=c+10；混凝土保護層厚度c=50 mm，則a=c+10=60 mm，h0=h-a=300-60=240 mm。

將以上參數帶入式（2），得：

截面抵抗矩系數：

相對受壓區計算高度：

鋼筋截面面積：

將上述參數按照底板、底板和邊墻所受最大彎矩值，計算截面鋼筋類型，計算結果如表1所示。

表1　集水廊道不同截面配筋結果表

按計算所得鋼筋截面面積配筋：

底板選用φ16@200（As=1005 mm2）。

廊道頂板、側墻均選用φ14@200（As=770 mm2）。

廊道縱向鋼筋按結構要求選用φ12@200。

加腋鋼筋選用φ14@200。

4.2廊道抗剪驗算

按照承載能力極限狀態設計，驗算集水廊道剪切承載力，需滿足以下公式，

將上節參數帶入式（6），得到

截面尺寸滿足公式（6）抗剪要求。

5　結　語

文章通過對石城子截潛引水工程集水廊道的滲流量計算、結構計算及配筋驗算，結果表明：該集水廊道可以滿足工程的功能和設計的基本要求，達到了預期目的，從而為工程的順利開展提供決策依據。

參考文獻

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（責任編輯：韋詩佳）

中圖分類號：S277

文獻標識碼：A

文章編號：1673-8853（2016）04-0084-03

收稿日期：2016-01-26