李懷蓉
(云南省昭通市水利水電工程質(zhì)量監(jiān)督站 657000)
漁洞水庫南干渠永豐倒虹吸水利工程地處云南省昭通市永豐鎮(zhèn)小閘村,兩岸水平段長320m,穿越昭魯主干道。管材為預(yù)應(yīng)力混凝土管及鋼管,位于南干渠原技施設(shè)計(jì)34+772.8~35+465.1里程處。長709.9m,距昭通市區(qū)15km,是漁洞水庫南干渠最后一個引水建筑物。
永豐倒虹吸工程因技施設(shè)計(jì)時(shí)沿用初設(shè)階段管軸線,施工單位中標(biāo)進(jìn)場施工放線時(shí),發(fā)現(xiàn)管軸線穿過昭魯河橋墩,斜交小閘村公路及交通橋和永豐抽水站抽、排水溝。為確保公路橋不被破壞,交通暢通及抽水、排水溝暢通,減少賠償,漁洞水庫工程管理局要求將永豐倒虹吸管道軸線向昭通方向平移30m。為此筆者所在單位根據(jù)軸線平移后的軸線重新進(jìn)行設(shè)計(jì),在設(shè)計(jì)過程中,又因?yàn)榻拥焦こ坦芾砭帧瓣P(guān)于永豐倒虹吸跨河段管道設(shè)計(jì)高程不符合防洪規(guī)劃的通知”,對穿越昭魯河底段管道高程進(jìn)行了調(diào)整及相應(yīng)的設(shè)計(jì)變更。
工程地質(zhì)分進(jìn)水池、進(jìn)口段、水平段及跨河底段、出口段、出水池幾部分。
進(jìn)水渠為人工采煤堆土、粉細(xì)砂。進(jìn)水池處地形平緩,原推測表層2~3m為第四系黏土,下部為第三系泥石層;根據(jù)開挖后揭露的地質(zhì)情況,該段上部為人工回填土,厚4~6m,中部為砂質(zhì)黏土及泥炭,下部為淤泥,地基承載力每平方米4~6t;進(jìn)口至水平段下坡部分為15~20°的緩坡臺地,為第四系坡殘積黏土;水平段及跨河底段為第四系湖沼相淤泥、草煤,厚2~3m,下部為粉細(xì)砂層;水田至出水池段上部為第四系黏土,下部為強(qiáng)風(fēng)化砂頁巖,出水池為黏土。
永豐倒虹吸橫跨昭魯大河及河道兩岸的農(nóng)田,是漁洞水庫南干渠的最后一個輸水建筑物。水源為漁洞水庫庫水,泥沙含量雖少,但因?yàn)榈购缥悄细汕詈蟮妮斔ㄖ铮赝久髑Я撕芏嗄嗌?,為盡量減輕泥沙淤積,根據(jù)本工程情況,利用進(jìn)水口前面40余米處的一凹地,作為渠道的沉砂池,長矩形布置,清淤采用人工清淤。進(jìn)水池寬10.8m、長20m、寬1.8m,因所處地基很差,對進(jìn)水池基礎(chǔ)作了砂石墊層置換處理:取消原進(jìn)水池沉砂池及沖砂建筑物,僅保留進(jìn)水池,基礎(chǔ)采用砂石墊層置換,進(jìn)水池?fù)鯄τ稍瓉淼?5號漿砌塊石重力式改為鋼筋硅懸壁式。管道進(jìn)水池漸變段前設(shè)攔污柵。進(jìn)水池漸變段前渠道底板高程1928.11m;進(jìn)水池設(shè)計(jì)水位1929.21m,校核水位1929.31m。進(jìn)水池由于布置泄水道線路很長,溢水系統(tǒng)設(shè)計(jì)取消,在倒虹吸進(jìn)口至水平段下坡頂部(管線經(jīng)過地形最高點(diǎn))設(shè)排氣孔排氣,避免了管道沖水時(shí)管道中部最高點(diǎn)形成氣囊,水輸送不到出水池而在進(jìn)水池溢水的情況。為避免加大流量進(jìn)水池溢水,出口底部高程在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上降低了3m。
管身布置:倒虹吸管身采用圓形。圓形管道與同樣過水面積的箱形、拱形管道相比,其濕周小,水流摩阻力小,水流條件好,過水能力強(qiáng)。由于倒虹吸管道線經(jīng)過的地方均是耕地及良田,為了復(fù)耕,管身采用埋管布置,為減少投資及方便以后的運(yùn)行管理,除拐彎及穿越昭魯河底采用鋼管外,其余全部采用預(yù)應(yīng)力管。為節(jié)省開挖及回填工程量,管道線沿地形變化布置,在0+065、0+150.0+242.0+292.8、0+387.8、0+419、0+6140.2,0+647.0地形坡度變化及跨河段管道高程降低處分別設(shè)置鎮(zhèn)墩;為利于行洪,將跨河段管道高程在水平段的基礎(chǔ)上再次降低3.2m,考慮到河段地處最低處,設(shè)計(jì)時(shí)該段采用了鋼管處包鋼筋混凝土防銹蝕設(shè)計(jì)。
從進(jìn)口至水平田地的斜坡段、水平段、跨河底段、水平田地至出水池斜坡段,根據(jù)管道線穿越的不同地質(zhì)情況做了有針對性的管道槽剖面設(shè)計(jì),管道槽剖面由原來的1種剖面型式改為現(xiàn)在的4種;水平段管座基礎(chǔ)置于淤泥、草煤上,對水平段、跨河底段基礎(chǔ)進(jìn)行了砂石墊層置換處理,跨河底段因高程很低,為避免運(yùn)行檢修,該段采用外包鋼筋混凝土設(shè)計(jì),提高了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
出水池底寬在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上加寬了1m,由原來的3m改為4m,并采用1∶0.5梯形斜墻設(shè)計(jì),滿足了消能需求,因出口流速較小不設(shè)消能設(shè)施。由于倒虹吸管身較長,為了能進(jìn)人檢修并保證管內(nèi)不淤,管身設(shè)置進(jìn)人孔1個,設(shè)于跨河段管道鎮(zhèn)墩處。沖砂則考慮利用進(jìn)出水池有壓水進(jìn)行沖砂,沖砂閘設(shè)于水田段與出口斜坡段交的7號鎮(zhèn)墩處,沖砂泄水利用永豐抽水站現(xiàn)有的抽、排兩用溝。
永豐倒虹吸位于 34+201~34+911處,長709.9m,管材為預(yù)應(yīng)力混凝土管及鋼管,預(yù)應(yīng)力管道管壁厚8cm,設(shè)計(jì)壓力0.4~0.6MPa,是漁洞水庫南干渠最后一個輸水建筑物。其最大工作水頭Hmax=33.6,Hsg=31.8,Hmin=28.112;倒虹吸設(shè)計(jì)流量Q設(shè)計(jì)=1.5m3/s,加大流量 Q加大=1.85m3/s,最小流量Qmin=0.52,管道長L=685.9m,預(yù)應(yīng)力管長640m,倒虹吸管直徑D=1.0m,管道總長690.9m,水平段L平=290m,鋼管L鋼=45.9m。
管中流速 vmax=2.3,vsg=1.9,vmin=0.7;進(jìn)出口水池水位高差 Zmax=6.0,Zsg=4.2,Zmin=0.5;管道糙率N=0.015。
出水池渠道底板高程1921.80m,設(shè)計(jì)水位1922.62m,校核水位1922.72m。
v——管中流速;
Q——流量;
W——過水?dāng)嗝婷娣e。
經(jīng)計(jì)算 v設(shè)計(jì)=1.91(m/s);v加大=2.29(m/s)
式中 R——水力半徑,R=0.25;
χ——濕周。
式中 C——謝才系數(shù),C=52.9;
n——糙率,n=0.015。
式中 λ——沿程損失系數(shù),λ=0.028。
h沿設(shè)計(jì)=3.61m;h沿加大=5.196m
彎道損失系數(shù)見表1。
表1 彎道損失系數(shù)
ζ彎= ζ90°∑a=0.36(0.18+0.19+0.41+0.33+1.4×2+0.171+0.44)=0.36×4.521=1.63
局部水頭損失系數(shù)見表2。
表2 局部水頭損失系數(shù)
總局部損失系數(shù)∑ζ局=0.5+1.63+0.3+1.0+0.15=3.58
總局部水頭損失h局=∑
h局設(shè)計(jì)=0.67m;h局加大=0.96m
設(shè)計(jì)流量水頭損失:H設(shè)計(jì)=4.28(m)
加大流量水頭損失:H加大=6.15(m)
設(shè)計(jì)流量、加大流量理論計(jì)算值與實(shí)際情況對比見表3。
表3 設(shè)計(jì)流量、加大流量理論計(jì)算值與實(shí)際情況對比
計(jì)算值與工程實(shí)際的水頭富余量為:
設(shè)計(jì)流量時(shí)為2.31m,加大流量時(shí)為0.44m。
工程設(shè)計(jì)一定要從實(shí)際出發(fā),根據(jù)實(shí)際的地形、地質(zhì)及外部環(huán)境、社會因素等綜合考慮設(shè)計(jì)方案,工程措施必須與工程實(shí)際相結(jié)合,使設(shè)計(jì)符合實(shí)際,盡可能避免工程一開工便修改設(shè)計(jì)的事情。應(yīng)加強(qiáng)測量、地質(zhì)基礎(chǔ)工作,這對提高設(shè)計(jì)質(zhì)量有很大幫助。
永豐倒虹吸新軸線設(shè)計(jì)與原設(shè)計(jì)相比,從進(jìn)水池到出水池、管身段、沖砂孔等所有各部設(shè)計(jì)均根據(jù)工程實(shí)際采取了相應(yīng)的切實(shí)可行的工程措施,進(jìn)出水池高程也作了調(diào)整。
工程規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)將與工程相關(guān)的因素均考慮進(jìn)去,如1999年的《防洪規(guī)劃通知》,以避免設(shè)計(jì)工作重復(fù)。重新設(shè)計(jì)的管道做了幾個關(guān)鍵的技術(shù)處理措施。主要有:
a.管道軸線在原技施設(shè)計(jì)時(shí)軸線向昭通市方向平移30m,以確保公路橋不被破壞,交通暢通及抽水、排水溝暢通。
對穿越昭魯河底段的管道高程進(jìn)行了調(diào)整,跨河段為利于防洪,在水平段單獨(dú)將河底段長45.9m的管道中心線高程降低3.2m,大大減少了320m的水平段開挖工程量。增設(shè)了管道鎮(zhèn)墩,由原來的4個鎮(zhèn)墩增加到現(xiàn)在的8個,大大減少了管道沿線開挖及回填工程量。
b.從永豐倒虹吸工程設(shè)計(jì)中,我們看到本工程巧妙地利用進(jìn)水池進(jìn)水口前面40余米處的一凹地,作為渠道的沉砂池;管道沖砂孔由原來的公路以上改為現(xiàn)在的公路以下,避免了公路開挖所帶來的影響。沖砂閘設(shè)于水平段與出口斜坡段交叉的7號鎮(zhèn)墩處,沖砂泄水利用永豐抽水站現(xiàn)有的抽、排兩用溝,充分利用工程現(xiàn)有地形、設(shè)施,節(jié)約了工程投資。根據(jù)管道線穿越的不同地質(zhì)情況做了有針對性的管道槽剖面設(shè)計(jì),管道槽剖面由原來的1種剖面型式改為現(xiàn)在的4種;水平段管座基礎(chǔ)置換了砂石墊層。
c.溢水系統(tǒng)設(shè)計(jì)取消。本工程采用設(shè)排氣孔排氣,為避免加大流量進(jìn)水池溢水,出水池渠底高程比原設(shè)計(jì)降低了3m,確保了在任何時(shí)候進(jìn)水池的水不溢出,淹沒農(nóng)田,造成不必要的賠償和糾紛。真正做到優(yōu)化設(shè)計(jì)又節(jié)約投資,既不過度設(shè)計(jì),又無不足設(shè)計(jì)的情況,提高了設(shè)計(jì)水平。此方法在后來昭通市區(qū)煙水項(xiàng)目抽水站、管網(wǎng)工程中得到了廣泛應(yīng)用。
d.水力計(jì)算要準(zhǔn)確,并留有一定安全富余量。計(jì)算值與工程實(shí)際的水頭為:設(shè)計(jì)流量時(shí)為2.31m,加大流量時(shí)為0.44m。
永豐倒虹吸工程從2001年完工至今已正常運(yùn)行10余年,并不像露天鋼管那樣需要花費(fèi)大量的人力物力刷漆防銹,這說明本工程設(shè)計(jì)、構(gòu)思是比較到位的。
1 余際可,羅尚生,田文鐸,等.倒虹吸管(灌區(qū)水工建筑物叢書)[M].北京:中國水利電力出版社,1983.
2 華東水利學(xué)院.水電站建筑物(水工設(shè)計(jì)手冊7)[M].北京:中國水利電力出版社,1989.