高臺縣擺浪河倒虹吸渡管的設(shè)計與應(yīng)用

王立清

(張掖市甘州水利水電勘測設(shè)計院，甘肅 張掖 734000)

1 工程概況

甘肅省高臺縣擺浪河?xùn)|干渠始建于1968年，承擔(dān)著高臺縣新壩灌區(qū)6個村4千多人飲水和2.5萬畝農(nóng)田灌溉任務(wù)，東干渠在橫跨擺浪河處修建了擺浪河跨河渡槽工程。工程位于東干渠樁號1+120～1+316段，設(shè)計輸水流量3m3/s，因跨越擺浪河處河谷寬196m，深36m，渡槽屬大跨度、高排架渡槽。工程由輸水槽身、支撐結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)、進口和出口漸變段五部分組成，全長204m，其中：槽身全長196m，進、出口段長均為4m。輸水槽身共14跨，單跨長14m，槽身為鋼筋混凝土U形薄殼結(jié)構(gòu)，槽口寬1.2m，槽深1.2m，槽底為半徑0.6m的半圓弧，槽身壁厚0.1m；支撐結(jié)構(gòu)為重力式邊槽墩和鋼筋混凝土排架，每跨由預(yù)制鋼筋混凝土排架簡支，共設(shè)置排架13處，排架最大高度36m，最小高度5m；基礎(chǔ)為鋼筋混凝土整體板式基礎(chǔ)；進、出口段為細粒混凝土砌石結(jié)構(gòu)，上下游與東干渠銜接。

2 渡槽主要問題及成因分析

擺浪河渡槽經(jīng)過40多年的運行，存在槽身沖刷磨損嚴(yán)重、變形失穩(wěn)、伸縮縫滲漏嚴(yán)重等諸多問題，文章對現(xiàn)狀工程進行檢測，分析了工程存在的主要問題及成因。

2.1 使用年限

該工程屬小型Ⅳ等工程，依照SL 654—2014《水利水電工程合理使用年限及耐久性設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，Ⅳ等灌溉工程合理使用年限為30年。擺浪河渡槽工程自1968年建成運行至2008年，已運行40年，超過使用年限運行10年。

2.2 槽身結(jié)構(gòu)

擺浪河?xùn)|干渠引黑河水灌溉，汛期河水含沙量大，近40年運行中受推移質(zhì)影響，渡槽槽身內(nèi)側(cè)沖刷磨損十分嚴(yán)重。渡槽設(shè)計槽身壁厚100mm，經(jīng)實測，槽身內(nèi)壁最大磨損深度達50mm左右，最小12mm，部分槽底鋼筋已裸露。雖在運行期多次對槽身進行了補強處理，但外露鋼筋銹蝕，內(nèi)壁多處已出現(xiàn)的裂縫無法修復(fù)，致使槽身剛度降低，槽身存在安全隱患。經(jīng)水力計算復(fù)核，渡槽設(shè)計流量為3m3/s時，斷面平均流速達2.87m/s，超出GB 50288—99《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》9.3.5條“渡槽過水?dāng)嗝娴钠骄魉僖丝刂茷?.0～2.0m/s”之規(guī)定。從計算結(jié)果和實際運行情況分析，渡槽斷面平均流速大，渠水內(nèi)推移質(zhì)含量多，是造成槽身沖刷磨損嚴(yán)重的主要原因。

2.3 支撐結(jié)構(gòu)

渡槽支撐結(jié)構(gòu)為重力式邊槽墩和預(yù)制鋼筋混凝土排架簡支，在穿越主河槽處的9、10、11號排架，高度均為36.0m。受當(dāng)時施工能力和條件限制，每根排架均分為兩段組合連接安裝，連接處易松動，穩(wěn)定性差，在風(fēng)力達6級以上時，槽身就出現(xiàn)左右搖晃現(xiàn)象。雖大修時在渡槽兩側(cè)增加了風(fēng)纜繩，但經(jīng)多年運行風(fēng)纜繩已銹蝕和變松。經(jīng)實測，在停水態(tài)下，與原設(shè)計槽底高程對比，槽身向下最大沉降量達123mm；與設(shè)計槽身中軸線對照，槽身橫向水平變形幅度較大，最大變形量達47mm，如圖1所示。根據(jù)實測結(jié)果和工程現(xiàn)狀分析，渡槽支撐簡支排架高度較大，極易受風(fēng)載影響產(chǎn)生變形和受損，加之高排架分段組合連接，其施工工藝和技術(shù)落后，加速了風(fēng)載影響下支撐排架的破損和變形不穩(wěn)，導(dǎo)致槽身出現(xiàn)沉降和橫向扭曲變形現(xiàn)象。

圖1 槽身橫向位移圖

2.4 伸縮縫材料和止水效果

設(shè)計各槽身端頭伸縮縫采用瀝青麻繩材料止水，運行幾年后，止水材料受風(fēng)吹日曬、凍融等因素影響，止水材料老化、脫落，伸縮縫出現(xiàn)漏水。雖大修時維修了止水，但受止水材料和施工工藝所限，漏水問題一直未徹底解決，導(dǎo)致伸縮縫滲漏越來越嚴(yán)重，不僅造成水資源浪費，而且漏水對槽身端肋、排架和混凝土基礎(chǔ)等形成了侵蝕和冰凍危害。經(jīng)現(xiàn)場勘察，排架墩帽、渡槽端肋產(chǎn)生較多裂縫，經(jīng)對實測的30組裂縫數(shù)據(jù)分析，最大裂縫寬度55mm，最小縫寬7mm，綜合平均縫寬28.95mm。根據(jù)實測結(jié)果和工程現(xiàn)狀分析，伸縮縫材料止水效果差，漏水凍融是導(dǎo)致排架墩帽、渡槽端肋裂縫、危及渡槽安全的主要因素。

2.5 運行管理

經(jīng)多年運行，槽身增設(shè)用于管理的人行橋及欄桿，混凝土老化脫落，鋼筋外露，多處斷裂，形成了管理安全隱患。

3 倒虹吸渡管的設(shè)計與應(yīng)用

3.1 工程總體布置

根據(jù)擺浪河?xùn)|干渠渡槽存在問題及成因分析，結(jié)合河道地形條件和擺浪河洪水計算成果，工程設(shè)計采用倒虹吸+渡管的布置形式。根據(jù)擺浪河?xùn)|干渠渠線，在充分利用現(xiàn)有渠道及建筑物基礎(chǔ)上，設(shè)計在原渡槽下游側(cè)約10m處新建倒虹吸渡管工程1座，上下游與原干渠順暢銜接。工程建成前，原渡槽仍承擔(dān)灌溉和臨時導(dǎo)流任務(wù)，工程建成后，拆除舊渡槽。擺浪河倒虹吸渡管工程總體布置如下:

倒虹吸渡管工程從東干渠沉砂池樁號1+096.56處接入，在干渠樁號1+339.26處投入原渠道，如圖2所示。工程由進水池、管身段、出口段三部分組成，全長242.70m，其中樁號1+096.54～1+105.65為進水池，長9.09m；樁號1+105.65～1+324.26為管身段，長218.61m；樁號1+324.26～1+339.26為出口段，長15m。

3.2 工程設(shè)計

3.2.1水力計算

擺浪河?xùn)|干渠控制灌溉面積2.5萬畝，設(shè)計流量為3m3/s，因此，該工程設(shè)計輸水流量為3m3/s。擺浪河倒虹吸工程設(shè)計擬采用圓形管道，實測得，上下游水位差為3.44m。

(1)管徑計算。管道經(jīng)濟內(nèi)徑D按下式計算：

(1)

式中，D—管道經(jīng)濟內(nèi)徑；Qmax—管道最大流量，取設(shè)計流量3m3/s；ve—管道經(jīng)濟流速，取2.5m/s。

經(jīng)計算得，管道內(nèi)徑D為1.129m，設(shè)計管道內(nèi)徑D取1.2m。

(2)倒虹吸過水能力按下式計算：

(2)

式中，Q—倒虹吸設(shè)計流量，m3/s；m—流量系數(shù)；A—倒虹吸過水?dāng)嗝娣e,m2；g—重力加速度,m/s2；Z—上、下游水位差,m。

圖2 倒虹吸渡管豎向布置圖

倒虹吸過水?dāng)嗝婀艿纼?nèi)徑D為1.2m，上下游水位差Z為3.44m時，計算得流量系數(shù)0.39，經(jīng)計算流量Q=3.67m3/s，大于設(shè)計流量3m3/s，倒虹吸管過流量滿足設(shè)計要求。

3.2.2工程設(shè)計

擺浪河?xùn)|干渠倒虹吸渡管工程設(shè)計由進口池、管身段、出口段三部分組成，根據(jù)總體布置和水力計算成果，主要結(jié)構(gòu)設(shè)計如下：

(1)進口池工程：進口池平面上呈“八”字型布置，長9.09m。與東干渠沉砂池溢流堰連接處凈寬4.0m，深1.0m，虹吸管進口處凈寬1.4m，深4.0m，池頂水平，池壁為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)直立墻，厚0.4m。進水池池底設(shè)計坡比1∶2.8，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，厚0.5m。

(2)管身工程：為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管+鋼管管身，長218.61m。

樁號1+105.65～1+174.84為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管段，長69.19m。設(shè)計管內(nèi)徑1.2m，管壁厚100mm，混凝土強度等級為C30。每節(jié)管道長4m，混凝土管道為承插式連接，柔性橡膠密封圈密封。管道均埋設(shè)于地面以下，管頂最小埋深1.0m，管道轉(zhuǎn)彎處設(shè)混凝土鎮(zhèn)墩與管道剛性連接。

樁號1+174.84～1+324.26為鋼管段，長149.42m。設(shè)計鋼管內(nèi)徑1.2m，管壁厚12mm，材質(zhì)為Q235B螺旋縫埋弧焊鋼管。鋼管明敷于河道兩岸斜坡坡面上，縱坡1/2.3，管底距地面最大高度0.6m；在跨主河段，管道水平布置，管底距河底最大高度13.5m，最小1.5m；管道每隔12.5m左右設(shè)支墩1處，共設(shè)置支墩11座，支墩均為C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，支墩頂部均采用鋼支承與管道相連接。主河槽段支墩6座，設(shè)計支墩墩身為圓柱形，直徑0.8m，墩高2.5～15m，基礎(chǔ)為矩形擴張基礎(chǔ)，埋深3.5m。斜坡段支墩5座，設(shè)計支墩墩身為圓柱形，直徑0.6m，墩高2.8m，基礎(chǔ)為矩形擴張基礎(chǔ)，埋深1.5m。在管道轉(zhuǎn)角處均設(shè)置鎮(zhèn)墩，鎮(zhèn)墩采用C20鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，與管道剛性連接。設(shè)計在鋼管管身上焊接鋼制工作橋用于管理和運行維護，設(shè)計橋?qū)?.2m，欄桿高度1.1m。

(3)出口段工程：出口段由出水池和漸變段兩部分組成，全長15m。出水池設(shè)計為C20鋼筋混凝土矩形結(jié)構(gòu)，墻(底)厚0.3m，池長5m，凈寬1.9m，凈深2.3m。出水池后設(shè)漸變段與原梯形渠道銜接，漸變段長10m，設(shè)計為C15細粒混凝土砌石結(jié)構(gòu)，厚0.3m。

3.3 工程應(yīng)用

擺浪河?xùn)|干渠倒虹吸渡管工程已于2008年10月建成，如圖3所示，該工程充分利用擺浪河?xùn)|干渠上下游自然落差和河谷地形條件，創(chuàng)新應(yīng)用倒虹吸渡管結(jié)構(gòu)形式，支撐結(jié)構(gòu)由原36m的高排架降低為高度13.5～2.5m的支墩，高度降低22.5m；主河槽渡管跨度僅為91m，比原渡槽跨度減少105m。工程建成運行近十年來，工程未出現(xiàn)輸水滲漏，輸水效率高，運行安全、維修維護方便，工程維修費用少，取得了較好的經(jīng)濟效益。

圖3 擺浪河倒虹吸渡管全景圖

4 結(jié)語

本工程設(shè)計擯棄傳統(tǒng)倒虹吸工程全掩埋形式，創(chuàng)新采用倒虹吸+渡管的結(jié)構(gòu)形式，減小了工程高跨比，提高了工程安全性和輸水效率，與同類工程相比具有設(shè)計新穎、完善、技術(shù)先進可靠等優(yōu)點，為解決大深度、大寬度河道跨越輸水工程設(shè)計積累了可供參考的實踐經(jīng)驗。