西藏仁布縣烏友灌區16號沖溝方案比選

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(重慶市渝西水利電力建筑勘測設計院， 重慶 永川 402160)

1 工程概況

烏友灌區地處仁布縣西南部，距仁布縣15km，位于切娃鄉境內。切娃鄉下轄8個行政村，共949戶、6478人，2010年糧油總產量為91.96萬kg，牲畜總頭數為2.4138萬頭(只、匹)，國內生產總值為1233.7萬元，人均年純收入為2215元。本次工程范圍為烏友灌區3個子灌區，均為半農半牧區，無工業。灌區涉及切娃鄉4個村(切娃村、奴達村、加雄村、普納村)的農田灌溉引水任務。

烏友灌區地處半干旱區，由于受雅江氣流影響，降水量均高于仁布縣其他鄉鎮，多年平均降水量451.2mm，但蒸發量1612.2mm，是降水量的3.57倍。灌區農業生產水平很低，干旱缺水是制約項目區農業發展的主要因素。在無灌溉系統的情況下，每年播種面積的多少和產量的高低，都與降水量密切相關。例如：多雨年份，青稞畝產250～457kg；而干旱年份畝產只有105～140kg，有時甚至絕收。項目區在豐水年(1991年)糧食產量達到100多萬kg，而在枯水年(1983年)糧食產量僅有23萬kg。當地有“一旱兩年災”的說法。目前該灌區雖有部分漿砌石渠道和灌區群眾自發修建的臨時土渠，但由于該灌區主要地貌類型為河流侵蝕堆積地貌、山麓斜坡堆積地貌、構造剝蝕地貌，沖溝發育且較多，導致沿途分布有25條沖溝，多數沖溝切割較深，已致使部分原有渠道中斷，其中，尤以16號沖溝最為嚴重，如圖1所示。該灌區工程性缺水，水量保證率無法滿足，目前有效灌溉面積僅為271.6hm2，且灌溉保證率低，無法滿足灌區農業生產發展的需要。配套和完善烏友灌區工程，需將灌溉水利用系數由0.3提高到0.57，農、經濟(西瓜)作物灌溉設計保證率達到75%，林、草地灌溉保證率達到50%；同時，通過調整種植結構，使得灌區設計水平年總灌溉面積達到800hm2。

圖1 16號沖溝現狀

2 16號沖溝跨溝方案的選擇

位于烏友灌區奴達溝東2號干渠樁號11+213上的16號沖溝發育于山體溝谷中，呈“U”形(見圖1)。地形較陡，平均縱坡降約為167‰，匯水面積較大，溝切割較深，而且越到下部越深，最深約有25m，寬一般10～25m，沖溝呈211°方向展布，抵至雅魯藏布江，總長約1200m。在原渠線斷開處溝寬約為24m，深21～24m。考慮到該沖溝切割較深，寬度也較寬，本沖溝渠系布置方案選擇渡槽、倒虹吸及索橋三種渠系建筑物來進行比較。

3 渡槽方案

渡槽由槽體、排架和邊墩構成，如圖2所示。槽體由五跨構成，跨度分別為12.0m、10.5m、11m、10.5m、12m;槽體高0.95m,寬1.2m,邊壁厚0.15m,槽底厚0.2m，由C25鋼筋混凝土構成。排架由4個排架柱單元構成，高度分別為13.7m、23.6m、23.6m、13.7m；每個排架柱單元由4根50cm×50cm的C25鋼筋混凝土支撐柱通過50cm×50cm的C25鋼筋混凝土連接桿構成。邊墩采用M7.5漿砌料石砌筑,底寬4.0m,高3.0m。

圖2 渡槽方案縱剖面

4 倒虹吸方案

倒虹吸管輸水流量按最大流量Q=0.56m3/s考慮,倒虹吸由進口段、虹吸段和出口段組成，如圖3所示。進口段由沉砂池、閘室、進水室和鎮支墩構成。倒虹吸管材料除2號鎮墩至3號鎮墩之間部分采用鋼管外，其余部分均采用鋼筋混凝土管，其總長為94m,轉彎半徑分別為3.0m、3.0m、5.0m、3.0m。出口段由鎮墩和消力池構成，消力池長5.0m、寬2.0m,池深1.3m。

4.1 倒虹吸管管徑計算

考慮有壓管攜沙流速，設計流速v=1.5m/s，經計算虹吸管管徑為700mm。

4.2 倒虹吸管水頭損失計算

經過計算：虹吸段局部水頭損失和沿程水頭損失之和為0.337m。

水面降落差ΔZ2=0.337m。

綜上所述，虹吸管進口段起始斷面至虹吸管出口段末水面總落差為：

ΔZ=ΔZ1+ΔZ2-ΔZ3=0.371m

5 索橋方案

管道索橋由橫擔、穩繩、吊繩、纜繩、拉繩、索塔、纜繩錨墩及相關連接構件組成，索橋長度70m,跨度30m，如圖4所示。橫擔采用[16a槽鋼制作，上部放置∠50×5角鋼并鋪設5mm厚鋼板網作為安裝檢修便道；所有繩索連接器具均按照相關規范要求連接，纜繩和穩繩均設置松緊裝置；索塔高10m,單邊索塔由兩個立柱組成，單個立柱主截面1200mm×800mm，采用C25鋼筋混凝土現場澆注；錨墩尺寸2m×2m×2m，纜繩錨于纜繩錨墩內，錨墩埋地深度大于2m，確保索橋穩定。過水鋼管采用鋼筋配合螺栓固定于橫擔上，繩索將橫擔拉起，通過松緊裝置調整索橋下墜高度和受力情況。

圖4 索橋方案縱剖面

5.1 纜繩計算復核

由于索橋為非標不過人索橋，在偏于安全的情況下，為簡化計算，先假定主纜繩和吊繩穩定運行后的線形，再根據假定線形反算各纜繩受力情況，根據各纜繩受力情況，復核纜繩是否滿足要求。

由于管索橋兩側及上下游結構對稱,假定主纜繩和吊繩穩定運行時線形關系如圖5所示：

圖5 主纜繩和吊繩穩定運行線形關系

荷載取值：

供水管為DN400鋼管，視跨沖溝段送水鋼管及相關連接設施重量全部為鋼纜繩,相關材料自重如下表所示：

索橋自重表

材料自重：2867.538kg，取30kN。

管內水重：

0.2145m×0.2145m×3.14×30m×1000kg/m3=4334.2kg, 取45kN。

兩根主纜繩承受豎直方向總荷載為：(30kN+45kN)×1.2=90kN。

單根主纜繩承受豎直方向總荷載為：45kN。

為便于計算，取單邊纜繩進行計算，視所有荷載均布于鋼管上，采用清華大學土木系結構力學教研室研制的《結構力學求解器》進行求解，如下頁圖6所示：

主纜繩：φ34鋼絲繩，截面積A=907.46mm2，EA= 1633428kN。

吊繩：φ11鋼絲繩，截面積A=94.985mm2，EA=170973kN。

供水管：DN400mm鋼管，外徑429mm,內徑413mm，截面積A=94.985mm2，慣性矩I=π(D4-d4)/64=2.34×10-4m4，EA=189970kN，EI=2.34×104kN/m2。

經計算：

主纜繩最大拉力：(1)、(12)單元，最大拉力Fmax=91.46kN

圖6 建模圖

吊繩最大拉力：(13)、(23)單元，最大拉力Fmax=10.38kN

鋼管最大彎矩：(28)、(29)單元，最彎矩Mmax=68.221kN/M

結構最大位移：(24)～(23)單元，最大位移μmax=0.011m

纜繩復核結論：

主纜繩選用φ34鋼芯鋼絲繩(鋼絲繩公稱抗拉強度1870MPa)，最小破段拉力F=717kN，大于7倍主纜繩最大拉力。滿足規范要求。

吊繩選用φ11鋼芯鋼絲繩(鋼絲繩公稱抗拉強度1870MPa)，最小破段拉力F=75.1kN，大于7倍吊繩最大拉力。滿足規范要求。

鋼管計算最大彎矩Mmax=68.221kN/M，實際采用[16a槽鋼作為橫擔，可以滿足要求。

結構最大位移μmax=0.011m，管索橋主纜繩計算線形為假定線形，實際使用中，主纜繩線形較計算線形稍有下墜，對纜繩受力情況計算結果影響不大。

5.2 索塔傾覆計算復核

在偏于安全的情況下，為簡化計算，去單側索塔進行抗傾覆計算。索塔采用C25鋼筋混凝土澆筑，單側索塔自重G=18.6m2×0.8m×25kN/m3=372kN。

索塔傾覆彎矩：W=27.1kN×10m=271kN·m。

索塔抗傾覆彎矩：

W抗=85.9kN×4.1m+372kN×3.5m=2604kN·m>W=271kN·m

索塔不會傾翻。

5.3 索塔抗滑計算復核

索塔水平拉力f水平=27.1kN，索塔基礎埋深2m，索塔不會發生滑移。

5.4 索塔基礎承載力復核計算

索塔基礎面積為A=10.08m2,基礎總荷載為：N=85.9kN+372kN=457.9kN。

索塔基礎壓應力為：N/A= 45.43kPa<[δ]地基承載力=100kPa。

索塔地基承載力滿足要求。

6 方案比選

通過造價計算，渡槽造價為68.50萬元，倒虹吸造價50.57萬元，索橋方案投資為64.08萬元。由于渡槽空間跨度大、排架高、施工難度大，故對地基承載力要求較高。倒虹吸上下游水頭差不大，沖溝沖淤問題不容易解決。因此，最終確定索橋方案為16號沖溝渠線布置方案。

7 結 語

西藏自治區境內大部分山高谷深，山巒起伏，溝壑縱橫，河流密布。地貌上屬構造剝蝕地形和剝蝕堆積地形，山谷間沖溝發育，在此類沖溝上布置渠系建筑物，需慎重選擇。本文通過仁布縣烏友灌區16號沖溝的方案比選，希望能給其他類似工程提供一些經驗。

1 重慶市渝西水利電力建筑勘測設計院.西藏仁布縣烏友灌區工程可行性研究報告[R].2011.

2 JTJ xxx—2002公路懸索橋設計規范[S].

3 JTJ 023公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

4 GB/T 17101橋梁纜索用熱鍍鋅鋼絲[S].

5 GB 11352一般工程用鑄造碳鋼件[S].

6 GB 7659焊接結構用碳素鋼鑄件[S].

7 YB/T 3077合金鑄造鋼[S].

8 SL 191—2008水工混凝土結構設計規范[S].

9 JTJ 024公路橋涵地基與基礎設計規范[S].