永豐倒虹吸水利工程規(guī)劃設計要點

李懷蓉

(云南省昭通市水利水電工程質(zhì)量監(jiān)督站 657000)

1 基本情況

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。管材為預應力混凝土管及鋼管，位于南干渠原技施設計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計時沿用初設階段管軸線，施工單位中標進場施工放線時，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行設計，在設計過程中，又因為接到工程管理局“關于永豐倒虹吸跨河段管道設計高程不符合防洪規(guī)劃的通知”，對穿越昭魯河底段管道高程進行了調(diào)整及相應的設計變更。

2 工程地形地質(zhì)情況

工程地質(zhì)分進水池、進口段、水平段及跨河底段、出口段、出水池幾部分。

進水渠為人工采煤堆土、粉細砂。進水池處地形平緩，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，下部為粉細砂層;水田至出水池段上部為第四系黏土，下部為強風化砂頁巖，出水池為黏土。

3 工程布置設計要點

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，但因為倒虹吸是南干渠最后的輸水建筑物，沿途明渠帶了很多泥沙，為盡量減輕泥沙淤積，根據(jù)本工程情況，利用進水口前面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。進水池寬10.8m、長20m、寬1.8m，因所處地基很差，對進水池基礎作了砂石墊層置換處理:取消原進水池沉砂池及沖砂建筑物，僅保留進水池，基礎采用砂石墊層置換，進水池擋墻由原來的75號漿砌塊石重力式改為鋼筋硅懸壁式。管道進水池漸變段前設攔污柵。進水池漸變段前渠道底板高程1928.11m;進水池設計水位1929.21m，校核水位1929.31m。進水池由于布置泄水道線路很長，溢水系統(tǒng)設計取消，在倒虹吸進口至水平段下坡頂部(管線經(jīng)過地形最高點)設排氣孔排氣，避免了管道沖水時管道中部最高點形成氣囊，水輸送不到出水池而在進水池溢水的情況。為避免加大流量進水池溢水，出口底部高程在原設計基礎上降低了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。由于倒虹吸管道線經(jīng)過的地方均是耕地及良田，為了復耕，管身采用埋管布置，為減少投資及方便以后的運行管理，除拐彎及穿越昭魯河底采用鋼管外，其余全部采用預應力管。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置鎮(zhèn)墩;為利于行洪，將跨河段管道高程在水平段的基礎上再次降低3.2m，考慮到河段地處最低處，設計時該段采用了鋼管處包鋼筋混凝土防銹蝕設計。

從進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計，管道槽剖面由原來的1種剖面型式改為現(xiàn)在的4種;水平段管座基礎置于淤泥、草煤上，對水平段、跨河底段基礎進行了砂石墊層置換處理，跨河底段因高程很低，為避免運行檢修，該段采用外包鋼筋混凝土設計，提高了設計標準。

出水池底寬在原設計基礎上加寬了1m，由原來的3m改為4m，并采用1∶0.5梯形斜墻設計，滿足了消能需求，因出口流速較小不設消能設施。由于倒虹吸管身較長，為了能進人檢修并保證管內(nèi)不淤，管身設置進人孔1個，設于跨河段管道鎮(zhèn)墩處。沖砂則考慮利用進出水池有壓水進行沖砂，沖砂閘設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。

4 設計參數(shù)

永豐倒虹吸位于 34+201～34+911處，長709.9m，管材為預應力混凝土管及鋼管，預應力管道管壁厚8cm，設計壓力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;倒虹吸設計流量Q設計=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，預應力管長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，設計水位1922.62m，校核水位1922.72m。

5 水頭損失計算

5.1 沿程水頭損失

v——管中流速;

Q——流量;

W——過水斷面面積。

經(jīng)計算 v設計=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沿設計=3.61m;h沿加大=5.196m

5.2 局部水頭損失

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局設計=0.67m;h局加大=0.96m

5.3 總水頭損失

設計流量水頭損失:H設計=4.28(m)

加大流量水頭損失:H加大=6.15(m)

設計流量、加大流量理論計算值與實際情況對比見表3。

表3 設計流量、加大流量理論計算值與實際情況對比

計算值與工程實際的水頭富余量為:

設計流量時為2.31m，加大流量時為0.44m。

6 體會

工程設計一定要從實際出發(fā)，根據(jù)實際的地形、地質(zhì)及外部環(huán)境、社會因素等綜合考慮設計方案，工程措施必須與工程實際相結合，使設計符合實際，盡可能避免工程一開工便修改設計的事情。應加強測量、地質(zhì)基礎工作，這對提高設計質(zhì)量有很大幫助。

永豐倒虹吸新軸線設計與原設計相比，從進水池到出水池、管身段、沖砂孔等所有各部設計均根據(jù)工程實際采取了相應的切實可行的工程措施，進出水池高程也作了調(diào)整。

工程規(guī)劃設計時，應將與工程相關的因素均考慮進去，如1999年的《防洪規(guī)劃通知》，以避免設計工作重復。重新設計的管道做了幾個關鍵的技術處理措施。主要有:

a.管道軸線在原技施設計時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行了調(diào)整，跨河段為利于防洪，在水平段單獨將河底段長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計中，我們看到本工程巧妙地利用進水池進水口前面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計，管道槽剖面由原來的1種剖面型式改為現(xiàn)在的4種;水平段管座基礎置換了砂石墊層。

c.溢水系統(tǒng)設計取消。本工程采用設排氣孔排氣，為避免加大流量進水池溢水，出水池渠底高程比原設計降低了3m，確保了在任何時候進水池的水不溢出，淹沒農(nóng)田，造成不必要的賠償和糾紛。真正做到優(yōu)化設計又節(jié)約投資，既不過度設計，又無不足設計的情況，提高了設計水平。此方法在后來昭通市區(qū)煙水項目抽水站、管網(wǎng)工程中得到了廣泛應用。

d.水力計算要準確，并留有一定安全富余量。計算值與工程實際的水頭為:設計流量時為2.31m，加大流量時為0.44m。

7 結語

永豐倒虹吸工程從2001年完工至今已正常運行10余年，并不像露天鋼管那樣需要花費大量的人力物力刷漆防銹，這說明本工程設計、構思是比較到位的。

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 華東水利學院.水電站建筑物(水工設計手冊7)［M］.北京:中國水利電力出版社，1989.