大直徑頂管在水利輸水工程中的運用

邱學山，李 帆，孫 丹，郝青芳，潘逸卉

(1.河海大學設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210024；2.江蘇省水利科學研究院，江蘇 南京 210017)

0 引言

頂管法施工屬于非開挖施工的一種，具有不阻斷交通、不拆遷、不影響周邊環(huán)境、無污染和噪聲等優(yōu)點，目前廣泛應用于市政排水、輸電等管網(wǎng)項目中，在水利工程中也有一定的應用。大沙河引水地涵輸水管道采用頂管法施工，避免了因管道明挖施工對大沙河水源地的影響，確保了工程的順利實施。

1 工程概況

1.1 建設(shè)緣由

豐縣大沙河(草廟)水源地作為豐縣境內(nèi)第二水源，其水源為豐縣南線調(diào)引的江淮水，通過銅山鄭集河及鄭集南支河、梁西河調(diào)入大沙河，線路經(jīng)過銅山區(qū)、沛縣等兩縣(區(qū))。受沿線部分河道污水影響，調(diào)水水質(zhì)部分時段達不到Ⅲ類水質(zhì)標準。為保障水源地水質(zhì)達標，在梁西河末端新建引水地涵，將初期不達標來水調(diào)入大沙河以西地區(qū)作為農(nóng)業(yè)灌溉用水。

1.2 工程任務

本工程主要任務為通過新建大沙河引水地涵，將梁西河初期不達標水體調(diào)入大沙河以西作為農(nóng)業(yè)灌溉用水，以確保由梁西河進入大沙河的水體水質(zhì)達標，同時也充分利用水資源。

1.3 工程規(guī)模

大沙河引水地涵為下穿大沙河輸水涵洞建筑物，工程設(shè)計過流量為12.0 m3/s，輸水管道、豎井、控制閘等主要建筑物級別均為3級。

2 設(shè)計方案

本項目輸水管道須穿越大沙河，因大沙河為豐縣的重要水源地，無法采用斷流明挖施工，因此需采用頂管法施工。

2.1 輸水管道根數(shù)選擇

根據(jù)現(xiàn)狀，結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗，在滿足輸水需求情況下，擬定一根φ3 800 mm的輸水管道(方案一)和兩根φ2 600 mm輸水管道(方案二)方案進行比較(見表1)。

表1 管道數(shù)量方案比較

上述兩種方案技術(shù)上均可行，且都能夠滿足本工程的設(shè)計過流能力要求。方案一輸水量稍大，建設(shè)投資相對略低，但輸水管道運輸不便，對施工吊具要求高，且沉井深度深，頂管超出了常規(guī)的施工尺寸，同時，運行管理上不如方案二靈活。綜合考慮，推薦方案二作為工程布置方案。

2.2 輸水管道管材選擇

根據(jù)類似工程，本項目輸水管道可選用的管材主要為鋼管、球墨鑄鐵管、預應力鋼筒混凝土管、鋼筋混凝土管等?？紤]到焊接鋼管易受腐蝕，大直徑球墨鑄鐵管鑄造難度大、價格高，預應力鋼筒混凝土管需要增加工作井、接收井尺寸，土建費用高。因此，本項目管材推薦采用鋼筋混凝土管，設(shè)計管道內(nèi)徑2 600 mm，壁厚260 mm，管道外徑3 120 mm。

2.3 建筑物布置

本工程自大沙河東側(cè)梁西河向西側(cè)灌區(qū)輸水，設(shè)計總輸水流量為12.0 m3/s。根據(jù)工程布置，工程主要建筑物有進出水控制閘、進出水箱涵、進出水豎井及輸水管道。

(1)進出水控制閘：分別在地涵的進、出水口處設(shè)置控制閘，控制地涵輸水流量，方便地涵日常維修?？刂崎l共設(shè)兩孔，單孔凈寬3.1 m。

(2)進出水箱涵：進、出水側(cè)箱涵設(shè)置在控制閘與豎井之間，兩側(cè)箱涵長度各81.0 m，布置兩孔，孔口凈尺寸為3.2 m×2.5 m(寬×高)，涵底高程38.5 m。

(3)進出水豎井：采用沉井結(jié)構(gòu)，豎井平面布置2孔，單孔平面凈尺寸10.5 m×9.0 m，井底高程26.65 m。

(4)輸水管道：輸水管道采用內(nèi)徑為2.6 m的鋼筋混凝土管，共計布置2道，頂管法施工，管道中心高程29.00 m，單根管道長395 m。

2.4 引水地涵水力計算

引水地涵按照倒虹吸結(jié)構(gòu)進行水力計算，具體計算方法參照SL 482—2011《灌溉與排水渠系建筑物設(shè)計規(guī)范》附錄C(見圖1)。

圖1 引水地涵進水側(cè)設(shè)計圖(尺寸單位：mm)

2.4.1 水位組合

進水側(cè)：進水渠底高程38.5 m，水位41.2 m。

出水側(cè)：出水渠底高程38.0 m，水位40.6 m。

2.4.2 水頭損失計算

引水地涵水頭損失主要由局部水頭損失和沿程

水頭損失兩部分組成，水頭損失計算公式采用《灌溉與排水渠系建筑物設(shè)計規(guī)范》附錄C.1.3，主要計算成果如表2—3所示。

表2 局部水頭損失系數(shù)

表3 水頭損失計算 單位：m

2.4.3 過流能力計算

引水地涵水過流能力計算公式如下[1]：

式中：Q為管道過流量，單位為m3/s；μ為流量系數(shù)；ω為管道出口的橫斷面積，單位為m2；ΔZ2為進水側(cè)豎井與出水側(cè)豎井水頭差，單位為m。

根據(jù)上述公式進行試算，當上下游總水頭損失達0.6 m時，引水地涵的計算過流量結(jié)果如表4所示。

表4 沿程水頭損失計算

根據(jù)表4計算，地涵計算過流量大于設(shè)計過流量12.0 m3/s，過流滿足要求。

3 管道結(jié)構(gòu)計算

3.1 管道作用荷載計算

管道作用荷載主要有自重、上部土重、側(cè)向土壓力、管內(nèi)水重、管內(nèi)水壓、管外水壓等，主要作用荷載計算結(jié)果如表5所示。

3.2 管道內(nèi)力計算

采用《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》(CECS 246—2008)附錄B中的圓形剛性管道內(nèi)力系數(shù)法計算管道內(nèi)力[2]，管道計算各工況及其荷載如表5—7所示。

表5 管道荷載作用計算結(jié)果 單位：kN/m

表6 管道內(nèi)力計算荷載組合及計算工況

表7 管道內(nèi)力計算匯總

3.3 管道配筋計算

管道鋼筋計算應先按荷載效應的設(shè)計值進行結(jié)構(gòu)強度計算，再根據(jù)計算鋼筋面積進行配筋，最后按荷載效用的準永久值進行裂縫驗算。裂縫寬度如滿足要求，則計算完成；如不滿足，重新配筋，再次進行裂縫寬度驗算，直至滿足要求。

管道按壓彎構(gòu)件或大偏心受拉構(gòu)件進行配筋計算；裂縫寬度可按GB 50069—2002《給排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》5.3.7條及附錄A進行計算[3]。

4 結(jié)語

本工程管道設(shè)計荷載：管頂覆土厚度h≤13 m，地面堆載10 kN/m2，管道工作內(nèi)水壓力為0.15 MPa，管道施工允許最大頂力為14 000 kN。本工程頂管外徑達到3 120 mm，單根頂管長度395 m，屬于典型的大直徑長距離頂管，對于長距離頂管施工中應考慮通風、變電及增設(shè)中繼間。管道穿越河道段，應確保管頂在河床下的埋深滿足管道的抗浮要求，同時，不應小于1.5倍的管道外徑[4]。管道頂進過程中須采取觸變泥漿等減阻措施，管道施工結(jié)束后，應對頂管外壁的泥漿套采用水泥漿液進行置換，以防止空洞對地面造成沉降。