輸水線路中建筑物方案比選分析

王 征

（山東省德州市水利局，山東 德州253000)

1 工程及地質(zhì)概況

倒虹吸做為輸水工程的主要建筑物之一，在線路選擇、布置形式、結(jié)構(gòu)以及管材等方面具有很大的可選性。某新建輸水工程擬建倒虹吸前后均與兩條輸水隧洞銜接，隧洞輸水流量為26.7 m3/s，擬建倒虹吸起始端設(shè)置分水口向縣城供水，分水流量6.7 m3/s，分水口以后倒虹吸設(shè)計流量為20 m3/s。擬建倒虹吸南北向橫跨盆地，中間穿越東西向的二級公路、河道及三個村莊，處于淺切割低山地形區(qū)，進(jìn)、出口為薄層粉砂巖、粉砂質(zhì)頁巖夾中厚層狀長石石英砂巖；中部盆地段巖性主要為湖積粘土、淤泥、淤泥質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉砂，其中局部含少量貝殼，堆積物質(zhì)組成成分復(fù)雜，巖性變化大，且無規(guī)律，中～高壓縮性土居多，地基土存在低承載力、抗滑穩(wěn)定性差、壓縮沉陷變形大及不均勻沉陷、深基坑側(cè)向擠壓塑變等不良工程地質(zhì)問題。輸水建筑物軸線平面布置圖見圖1。

2 建筑物比選

2.1 工程量及投資比較

擬建倒虹吸底板高程擬定為535.2 m，中間約1050 m 穿越地勢低平的湖相積帶，地面高程在512 m 左右，出口與另一輸水隧洞進(jìn)口相接。從地形上考慮，交叉建筑物可以考慮渡槽、倒虹吸兩種形式進(jìn)行比較[1]。

采用渡槽結(jié)構(gòu)型式時，槽身凈斷面寬×高為3 m×3.23 m，支承結(jié)構(gòu)為單排架，排架高度一般為21 m～24 m。排架基礎(chǔ)為C25 鋼筋混凝土承臺(7.5 m×3.6 m)，每個承臺下布置10 根長度為21 m，截面50 cm×50 cm 的預(yù)制混凝土端承摩擦樁。承臺基礎(chǔ)開挖深度3 m～4 m，基底主要位于湖相積表層的粉質(zhì)粘土層內(nèi)。渡槽前段樁身主要位于淤泥質(zhì)粘土內(nèi)，出口段樁身主要位于粉砂層內(nèi)。

圖1 輸水建筑物軸線平面布置圖

采用倒虹吸結(jié)構(gòu)型式時，管材主要采用PCCP 管，管徑3.0 m，管道起止端分別設(shè)進(jìn)水池、出水池。管道最大內(nèi)水壓力水頭26 m，一般內(nèi)水壓力水頭22 m。兩種輸水建筑物橫斷面圖見圖2，將渡槽和倒虹吸兩種方案主要工程量進(jìn)行對比，對比結(jié)果見表1。

圖2 兩種輸水建筑物橫斷面圖

表1 渡槽和倒虹吸兩種方案工程量對比表

從工程量上看，在土石方開挖量倒虹吸較渡槽多30193 m3，代入相同單價得到倒虹吸比渡槽開挖費用多322.41 萬元，漿砌石費用高出29.61 萬元左右，碎石墊層費用高出54.47 萬元，渡槽鋼筋砼主要用于槽身、排架和基礎(chǔ)承臺等，而倒虹吸僅用于倒虹吸支墩，渡槽混凝土用量比倒虹吸多9342 m3，渡槽比倒虹吸混凝土費用高1825.63 萬元，鋼筋高出2055 t，1634.86 萬元，倒虹吸管材選用PCCP 管(D=3.0 m)，每米8350 元，共計874.25萬元，倒虹吸Q345C 鋼板108 t，50 萬元。由此可以看出，渡槽主要工程量投資比倒虹吸高2138 萬元左右，所以從工程量及投資可以看出，采用倒虹吸方案可以為輸水工程節(jié)省投資。

2.2 工程設(shè)計比較分析

根據(jù)本段地質(zhì)特征，地基主要為湖相積軟土層，存在承載力低、抗滑穩(wěn)定性差、壓縮沉陷變形大及不均沉陷等問題，同時本段水平向設(shè)計地震加速度代表值為0.35 g，為高烈度區(qū)，覆蓋層深厚，最深達(dá)100 m 以上，對抗震也較為不利。采用渡槽結(jié)構(gòu)時，墩架普遍高于20 m，地震荷載較大，墩架需采用較大的結(jié)構(gòu)尺寸，同時為滿足軟基承載力及沉降限值的要求，大量采用樁基，采用長度為21 m 的預(yù)制混凝土端承摩擦樁。采用倒虹吸結(jié)構(gòu)時，主要為埋管形式，地震荷載較小，地基承載力較容易滿足，不需要采用樁基等深基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)形式較為有利。

從工程設(shè)計角度分析，輸水線路設(shè)計水頭較充裕，輸水建筑物水頭損失大小不是根本性制約因素，采用渡槽和倒虹吸方案在技術(shù)上都是可行的。在建筑物地基為大范圍的深厚湖積層軟基、地震烈度高、建筑物周邊人口密集等情況下，倒虹吸方案從對地基適應(yīng)性、工程占地、運行安全性及工程投資上均優(yōu)于渡槽方案，因此綜合比較后輸水建筑物推薦采用倒虹吸方案。主要比較結(jié)果見表2。

表2 擬建渡槽、倒虹吸方案比較表

3 管材選擇

3.1 管材比選

倒虹吸管分預(yù)制和現(xiàn)澆兩種形式，管道橫斷面通常為箱形或圓形，圓形斷面受力條件及水力條件均優(yōu)于箱形斷面，應(yīng)用最為普遍[2]，箱形斷面因立模方便，也應(yīng)用于大流量、低水頭倒虹吸管中。

在管道敷設(shè)形式上，常采用明管和埋管，地形較陡的坡面以明管敷設(shè)較為方便，地形平緩地帶，多為土壤肥沃的農(nóng)田，人機活動頻繁，為便于保護耕地及減少人機活動對管道的影響，宜采用埋管形式。與公路、河流、溝谷等交叉處，根據(jù)跨越地物的特征、跨度及墩架布置條件，采用高支墩架空管、鋼筋混凝土或鋼結(jié)構(gòu)管橋上敷設(shè)管道等形式從上部跨越，或者采用鋼筋混凝土包管、交叉涵洞內(nèi)敷設(shè)管道等形式從下部穿越。

擬建倒虹吸按現(xiàn)澆混凝土管設(shè)計時，設(shè)計內(nèi)水壓力一般為0.28 MPa，初擬圓管管徑在3 m 左右。如采用鋼筋混凝土箱形管，初步計算管道斷面2.7 m×2.7 m，管壁厚度0.85 m，而同等情況預(yù)應(yīng)力管道壁厚為0.25 m 左右，相比之下現(xiàn)澆鋼筋混凝土管壁厚較大，自重大，用鋼量大，抗裂性能差，如采用圓形斷面現(xiàn)澆，則立模較為困難。此外，中部湖相積帶地勢低洼，地下水位高，地基軟弱，在現(xiàn)場綁扎鋼筋、立模澆筑至養(yǎng)護成型，施工工序多，工期長，施工質(zhì)量難以保證，因此不推薦采用現(xiàn)澆混凝土管形式。倒虹吸管材可在鋼管及球墨鑄鐵管、預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土管、玻璃鋼夾砂管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管等預(yù)制管材之間進(jìn)行比選。擬建溢洪道考慮管道選材的整體統(tǒng)一性，結(jié)合本工程的實際情況，初選管徑為2.4 m，壓力為0.8 MPa 的管材進(jìn)行綜合，見表3。

從上述分析可以看出，球墨鑄鐵管造價高；預(yù)應(yīng)力混凝土管管段重量過大，運輸費用高，但承壓較低，適應(yīng)不良地基變形的能力差；玻璃鋼夾砂管糙率小，同等條件下管徑小，造價較低，但其適應(yīng)不良地基變形的能力差，抗外壓能力較差；因此本階段均不推薦采用以上三種管型。PCCP管近年已在多個引水工程中成功應(yīng)用，具備較優(yōu)良的特性。結(jié)合倒虹吸布置情況，擬建倒虹吸選用PCCP 管，布置為埋管形式。

3.2 管徑比選

根據(jù)國內(nèi)相關(guān)資料[3～4]，倒虹吸管采用較高流速時基本為3 m/s～4 m/s，部分已超過4 m/s，由于本段水頭較為充裕，考慮管道流速盡量選擇上限并適當(dāng)提高，以減小管徑。同時，為整體上控制單個倒虹吸水損，便于小流量工況的運行、消能，對長度較長或使用管材糙率較大的倒虹吸適當(dāng)增大管徑。

表3 倒虹吸管材綜合比較表

根據(jù)上述原則，結(jié)合流量與管徑因素，擬建倒虹吸采用了PCCP 管材，管道長度較長，擬定流速為2.8 m/s～2.9 m/s，略高于規(guī)范推薦的流速范圍。根據(jù)初步擬定的設(shè)計流速，考慮單管、雙管布置方案進(jìn)行比選，按設(shè)計流速相同的條件[5～6]，比較情況見表4。

表4 擬建倒虹吸管徑比選表

3.3 結(jié)構(gòu)布置

擬建倒虹吸自首端起依次布置為進(jìn)口箱涵連接段、分(退)水閘前池、節(jié)制檢修閘、進(jìn)口池(含漸變段)、管身段、出水池(含漸變段)、出口箱涵連接段，末端接入2#隧洞處設(shè)隧洞檢修閘。倒虹吸總長1180.25 m，其中管道長1140 m，管徑3 m。管道在進(jìn)出口斜坡段采用明鋼管，中部管段采用PCCP 管埋管，管段長1047 m。倒虹吸管在最低處、過河段一側(cè)設(shè)放空閥井，每隔400 m 左右設(shè)置進(jìn)人檢修井，放空管及進(jìn)人孔均設(shè)置于鎮(zhèn)墩上。倒虹吸斷面布置圖見圖3，倒虹吸跨河斷面布置圖見圖4。

圖3 倒虹吸斷面布置圖

圖4 倒虹吸跨河斷面布置圖

4 結(jié)論及建議

倒虹吸在輸水線路中地形地勢相對較低，跨河、箐溝和公路等建筑物交叉布置時具有明顯的優(yōu)越性，其結(jié)構(gòu)布置對地形適應(yīng)性較強，工程占地較少，沿地面明管(或暗管)鋪設(shè)結(jié)構(gòu)受力較好，在施工中因結(jié)構(gòu)較其他建筑物簡單，施工方便，在水利工程中應(yīng)用廣泛。但當(dāng)?shù)匦胃卟钶^大時，在設(shè)計時要進(jìn)行水力計算和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算，并做好鎮(zhèn)支墩、伸縮節(jié)、加筋環(huán)和支撐環(huán)等重要設(shè)計，保證倒虹吸結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和安全運行。