松濤灌區倒虹吸設計方案分析

王壯海

(海南省水利水電勘測設計研究院，海南 海口 570100)

1 工程概況

松濤灌區白蓮東分干渠是海南省海口市西側永莊水庫水源地唯一的飲用水源輸水干渠，輸水方式為明渠無壓流，水源水質保護情況難度大，一旦發生突發性污染，將嚴重威脅永莊水庫供水安全。同時新城規劃區內各個功能區地塊、路網、給排水管網與原渠道反復交叉，其中新城規劃區的23個工業區、研發區、生活區地塊與現狀供水明渠交叉，路網24條道路、路下管網給排水、污水管在不同高程上均與現狀供水明渠交叉，對日后的渠道管理及維修影響因素多，不利于渠道的獨立管理及維修，亦對規劃區地塊的綜合利用有較大影響，增加水源水質保護的難度。

白蓮東分干渠位于美安新城規劃區內渠段，渠道斷面分為梯形斷面和矩形斷面兩種。梯形斷面主要為混凝土硬化襯砌和漿砌石硬化襯砌，矩形斷面主要為漿砌塊石。梯形渠段多處襯砌老化、塌陷，水流直接淘刷堤身，嚴重處掏空約1 m；矩形渠段漿砌石砂漿老化剝落，幾處原爆破開挖天然巖壁過流斷面較窄，阻水嚴重。其中樁號11+500～13+800段為巖石段，大部分堤身填筑料為石料堆筑，加之襯砌老化，渠身、渠底滲漏嚴重，據了解沿線閘門、斗門關閉時，向永莊水庫供水渠道末端流量僅為渠首流量的1/3。隨著海口市的發展，用水的需水量與年俱增，但由于現有渠道崩塌、滲漏嚴重，渠道輸水能力逐年下降，水利用系數低，供需矛盾日趨緊張，制約了工農業生產發展。因此，需要對渠道進行改造，本文以該改造工程中的倒虹吸設計方案計算過程為研究對象，從工程布置、水力計算及結構設計分析開展研究，計算并復核設計方案的合理性，為工程建設提供設計方面的依據[1]。

2 倒虹吸管設計

2.1 工程布置

2.1.1 布置原則

倒虹吸布置一般要求線路宜短而直，使水流平順、水頭損失小、工程量少、造價低，并且應充分考慮施工、運行管理與維修的方便和安全。具體布置原則如下：(1)具有較良好的地形地質條件時，倒虹吸管的軸線應盡可能與溝谷、道路及河道等正交，管軸線的平面布置常在一直線上，以獲得最短的管道軸線。(2)倒虹吸管應根據地形地質條件和跨越河流、溝渠道路等情況，選用露天式、地埋式或橋式架空布置。(3)圓形管道的轉彎半徑不宜小于3倍管徑，位置相近的平面轉彎和立面轉彎宜合并為空間轉彎。(4)在倒虹吸縱斷面上，當地形較緩時，管線宜隨地面鋪設，管線布置須避免局部凸起，不可避免時應在上凸頂點的管道頂部安裝自動排氣閥，地埋式管道應埋入地面以下≥0.5～0.8 m，穿越溝渠時要滿足防沖要求，橋式架空段要滿足行洪凈空要求。(5)進口段盡可能布置在挖方(或半填挖)渠段上，以減少沉陷、滲漏及塌方現象。(6)出口段的布置應使出口斷面逐漸擴大，以降低出口水流流速,減少水頭損失，防止對下游渠道的沖刷。

2.1.2 布置形式

(1)平面布置。樁號0+777～6+754段為倒虹吸段，總長5977.0 m。其中樁號0+777～6+110段基本平行于西環鐵路東側約50.0 m處布置，沿線自然地面高程37.5～61.0 m，地形平緩，主要穿越坡地、洼地、水塘、河溝等，穿過5條遠期規劃道路、美玲小學、美造水庫庫尾；樁號6+110～6+470段平行于繞城高速南側約30.0 m處，沿線自然地面高程49.0～53.0 m；樁號6+470～6+754段按原渠道位置穿過繞城高速，并在美安大道西側綠化帶區內穿過規劃十六路。經過以上布置，平面轉角共8處，每個轉角半徑均為選定管身內直徑3倍，即9.0 m。

(2)縱向布置。本倒虹吸縱向布置除了受地形影響外，另外主要受以下幾個方面因素影響，見表1。

表1 縱向布置影響因素及控制性高程

根據地形及以上控制性高程影響因素布置倒虹吸縱向設計，其中在樁號3+500處由于規劃美安一縱路路面高程為42.0 m，而榮昆溝規劃河底為37.5 m，兩者之間高差較小，采用架空段穿過榮昆溝難以滿足河道行洪要求，故該段需要穿過溝底；美造水庫庫尾段需要采用橋式架空穿過庫區上方，且需要滿足行洪凈空要求；規劃十六路段需要從路底下穿過，且管頂距離路面≥1.0 m。其他管段縱向設置在避免局部凸起的情況下，結合地形及以上控制性高程布置。經布置，豎向轉角共10處，其中1處與平面轉角結合，每個轉角半徑均為選定管身內直徑3倍，即9.0 m。

2.2 水力計算

2.2.1 水頭損失計算

水頭損失與上、下游流速及漸變段的局部水頭損失系數有關，根據《灌溉與排水渠系建筑物設計規范》(SL 482—2011)附錄C.1倒虹吸水力計算如式(1)、式(2)所示[2]：

(1)

(2)

式中：hj1、hj2為進、出口漸變段的局部水頭損失，m；ξ1、ξ2為進、出口漸變段的局部損失系數，取ξ1=0.30，ξ2=0.75；v1、v2分別為管道進口漸變段的始、末斷面平均流速，m/s;v、v3分別為管道出口和出口漸變段的末斷面的平均流速，m/s；g為重力加速度，m/s2。

倒虹吸管的水頭損失包括局部水頭損失和沿程水頭損失兩類。總水頭損失計算如式(3)所示：

hw=hf+hj

(3)

式中：hw為總水頭損失，m；hj為倒虹吸管局部水頭損失,按式(4)計算，m；hf為沿程阻力總水頭損失，按式(5)計算，m。

(4)

式中：ξi為局部水頭損失系數；φ、φi分別為管道出口斷面面積和局部阻力損失外的相應斷面面積，m。

(5)

式中：λ為能量損失系數；L為倒虹吸總長度，m；D為倒虹吸管徑,m；v為倒虹吸斷面平均流速。

根據計算結果得出：通過設計流量時水頭損失滿足要求，通過加大流量時上、下游斷面能滿足安全運行。但加大流量以下時，進口水面下降較多，則需要3#節制閘調節水位，以滿足進口最小淹沒水深的要求、避免管道進氣引起管道壓力波動等危害。

2.2.2 流能力復核

根據通過設計流量Q=7.83 m3/s，加大流量為9.8 m3/s，管徑選用3.0 m，管材為PCCPE管，按式(6)～式(8)對倒虹吸管過流能力進行復核計算：

(6)

(7)

(8)

式中：Q為倒虹吸設計流量，m3/s；m為流量系數；A為倒虹吸過水斷面面積，m2；Z為上、下游水位差，m；C為謝才系數，m1/2/s。

本工程倒虹吸管道長5.89 km，沿程水頭損失起主要作用，其輸水能力取決于管道糙率。倒虹吸架空段采用壓力鋼管，地埋式采用預應力鋼筒混凝土管(PCCPE)。根據規范(SL 482—2011)條文說明6.3.3：對于焊接鋼管：糙率系數n=0.0110～0.0125，正常值為0.0120,本工程壓力鋼管段糙率系數選用n=0.0120。對于PCCPE管：山東省水利科學院的野外試驗平均糙率值n=0.0107，天津市麗湖新地河揚水泵站的試驗平均糙率值n=0.0102，而對于國內外已建類似工程的調查，PCCPE管道糙率系數選用n=0.0100～0.0135，因此，本工程PCCPE管道糙率系數選用n=0.0120。

另外，由于線路長，全線設置的進人孔、排氣閥、放水孔等T型盲孔數目較多，單個T型盲孔的局部水頭損失系數不同、資料差異較大，等徑T型盲孔的局部水頭損失系數在0～0.1之間。為保證管道的輸水能力，T型盲孔的局部水頭損失系數采用取值范圍的最大值，即取0.1。

壓力管道的彎道水頭損失系數ξw與拐角θ、拐彎半徑R及管道內徑D有關。根據規范SL 482—2011附錄C.1倒虹吸管水力計算，得出ξw=γξ90°，該結果滿足設計需求。

2.3 結構設計分析

2.3.1 倒虹吸鋼管結構計算分析

根據《水利水電工程壓力鋼管設計規范》(SL/T 281—2020)[3]、《水工建筑物荷載設計規范》(DL 5077—1997)[4]，進行結構尺寸設計及計算分析如下。

(1)幾何參數。鋼管內徑為3000 mm，鋼管軸線傾角為0°,支座個數為8個，支墩間距為10 000 mm，加勁環間距為3300 mm，鋼管壁厚為12 mm，加勁環厚度為20 mm，加勁環高度為200 mm，支承環厚度為20 mm，支承環高度為200 mm，伸縮節至支承環距離為83 750 mm，伸縮節止水盤根沿軸向長度為300 mm，伸縮節內套管外徑為3024 mm，伸縮節內套管內徑為3000 mm。

(2)材料及荷載參數。支承環處截面中心計算水頭為11 335 mm，鋼材的牌號為Q235C級，鋼材的屈服點為235.0 N/mm2，鋼材彈性模量為2.06×105N/mm2，泊松比為0.3，鋼材線膨脹系數為1.20×10-5/℃，重度為7.85×10-5N/mm3，焊縫系數為0.95，支座對管壁摩擦系數為0.10，伸縮節止水填料與管壁摩擦系數為0.30。

(3)復核管壁厚度(t)是否滿足剛度要求。判斷公式為t≥鋼管內徑/800+4，則t應滿足t≥7.8 mm，實際選用管壁厚度t=12.0 mm，滿足要求。

(4)荷載計算。

①徑向內水壓力，計算公式(9)為：

P=γw×H1

(9)

式中：P為徑向內水壓力，N/mm2；γw為水容重，N/mm3；H1為水深，mm。經計算得出，P=0.111 N/mm2。

②鋼管自重作用下垂直管軸方向的法向力，計算公式(10)為：

Qs=qs×L×cosα

(10)

式中：Qs為每跨鋼管自重，N；qs為單位長鋼管自重，N/m；L為鋼管長度，m;α為管道轉角(°)。經計算得出，Qs=110 977 N。

③鋼管中水重作用下垂直管軸方向的法向力，計算公式(11)為：

Qw=qw×L×cosα

(11)

式中：Qw為每跨管內水重，N；qw為單位長鋼管自重,N/m；α為管道轉角。經計算得出，Qw=692 721 N。

通過以上分析，倒虹吸鋼管結構滿足結構安全要求。

2.3.2 倒虹吸止推結構計算分析

現采用樁號6+114.494，拐彎角為82°13′32″的31#鎮墩進行止推設計驗算。根據《水工設計手冊——第8卷水電站建筑物》(第二版)公式(4.7-8)。水平彎管處的推力與管道接頭處的內水壓力和截面面積有關;彎管處的推力大小還受轉角α的影響,其數值由式(12)確定：

(12)

式中：T為靜水推力，kN；A管道為管道橫截面面積，m2。經計算得出,T=174.67 kN。

水平方向的抗滑抵抗力Rh=管底面摩阻力Rh1+管背面被動土壓力Rh2。其計算分別為式(13)、式(14)：

Rh1=fW

(13)

(14)

式中：f為混凝土與地基間的摩擦系數，對應地質ZK16鉆孔，取0.35；W為施加在管底面上的荷載和止推鎮墩的重量，kN；γ為土的重度，kN/m3；Bb為管背面的寬度，m；H2為管底面的深度，m；H1為管頂面的深度，m；tan2(45°+φ/2)為被動土壓力系數；φ為土間內摩擦角,(°)。

止推鎮墩底面的承載力計算公式(15)為：

(15)

式中：σv為止推鎮墩底面的承載力,kPa;G為施加在止推鎮墩底面的全部荷載，kN；A為止推鎮墩的底面積，m2。經計算，σv×安全系數=101.8 kPa <容許承載力σrv=150 kPa，滿足結構安全要求。

3 結 語

(1)對于松濤灌區白蓮東分干渠改造工程倒虹吸管設計方案，面臨著工程布置、水利計算和結構設計分析問題，因此，開展好工程規劃與設計計算工作對工程設計方案適宜性評價有現實意義。

(2)由于倒虹吸設計計算過程復雜，涉及水力公式較多，需要參考和應用行業規范的公式，理論結合實際，重點關注實際設計工作需要解決的關鍵難點。

(3)倒虹吸設計方案的核心在于結構的設計計算與分析，在應用有關規范的基礎上，扎實計算，才能切實有效地為設計方案的順利實施保駕護航。