滇中引水工程九道河倒虹吸工程建筑物布置

陳進華，林 華

(云南省滇中引水工程建設管理局，云南 昆明 650051)

1 工程概況

滇中引水工程九道河倒虹吸位于祿豐縣以北，上接九道河隧洞，下連魯支河隧洞，倒虹吸起點樁號JDHS0+000.000m(CX113+358.139m)，終點樁號JDHS0+717.442m(CX114+075.581m)，水平長717.442m，實長782.226m。九道河倒虹吸設計流量100m3/s，采用3根直徑4.2m壓力鋼管輸水。倒虹吸進口設計水位1931.6m(水深6.9m)，底板高程1924.7m，鋼管最大靜水頭約137.3m。

九道河倒虹吸位于西河峽谷，谷峰相對高差280～360m，河流總體流向由北向南。河谷呈“V”形，谷底較狹窄平緩，谷底高程1772～1775m，谷底寬40～60m。西岸坡總體地形坡度25°，東岸坡體地形坡度31°。倒虹吸軸線沿兩岸山脊布置，山脊較寬緩，兩側沖溝切割較淺。

九道河倒虹吸布置于深切峽谷地段，沿線兩岸自然邊坡高陡、斷層發育、巖體破碎、巖體風化強烈、卸荷發育強烈，邊坡穩定條件差。結合水工布置，九道河倒虹吸部位存在的主要工程地質問題有以下4點。

(1)兩岸巖體風化強烈、斷層發育，全、強風化層較深厚，覆蓋層及全強風化層厚度大于10m，部分鎮墩、支墩和進出口水池擋墻基礎置于全強風化巖體或斷層帶及影響帶上，承載力較低，建議進行地基處理。

(2)兩岸邊坡高陡，巖質軟弱、構造發育，同時受巖體風化、卸荷等影響，邊坡穩定條件差，可能產生坍滑破壞。右岸為順向坡，下伏基巖以泥質巖為主，發育多條規模較大的斷層，巖體風化強烈，岸坡整體穩定條件差，應加強支護。

(3)跨河簡支橋采用端承樁基礎，持力層為河床下伏弱風化巖體。河床沖洪積層厚度6～11m，性狀差、透水性強，開挖基坑存在基坑涌水及坑壁穩定問題。

(4)沿線地形變化較大，巖體風化不均，存在不均勻沉降變形問題，需加強地基處理。

2 倒虹吸進出口設計

2.1 倒虹吸進口結構布置

九道河倒虹吸進口銜接九道河隧洞，倒虹吸進口由漸變段、退水閘、工作閘及進水池組成。進口漸變段：樁號JDHS0+000.000m～JDHS0+036.000m布置倒虹吸進口漸變段及退水閘，總長36m(其中漸變段長25m)，進口底板高程1924.690m，順流向由8.26m×8.96m(寬×高)馬蹄形斷面漸變至16.6m×8.5m(寬×高)矩形斷面。漸變段底板厚1.5m，邊墻厚1～1.5m。

退水閘：九道河退水渠設計退水流量100m3/s，退水閘與倒虹吸軸線夾角60°，軸線交叉樁號JDHS0+025.000m。退水去引渠段長12.448m，閘室段長8m。閘前正常水深6.904m，閘底板高程1924.690m，平臺高程1933.190m。引渠段邊墻厚1～1.5m，底板厚2.0m。閘室邊墩厚2m，底板厚2.0m。閘門電動卷揚機啟閉，啟閉機室采用排架結構，總高14m，啟閉設備布置平臺高程為1942.690m，啟閉機室屋頂高程1947.190m。

進口工作閘：為滿足倒虹吸調度運行需要，在九道河倒虹吸進口樁號CX113+394.139m～CX113+403.139m布置工作閘，兼做倒虹吸事故閘。九道河倒虹吸為3管倒虹吸，因此工作閘布置為3孔3扇，閘門采用露頂式平面鋼閘門。九道河倒虹吸進口工作閘閘室段總長9m，每孔閘室凈寬4.2m，閘墩凈高8.5m，閘室底板及邊墻厚均為2m。九道河倒虹吸進口工作閘建基高程為1922.690m，閘底板高程為1924.690m，閘墩平臺高程為1933.190m。閘門采用固定單吊點卷揚式啟閉機操作，啟閉機室為排架結構，啟閉設備布置于1942.690m高程，啟閉機室屋頂高程為1947.190m。啟閉排架總高14m，啟閉設備室以下排架柱尺寸為1m×1m，啟閉設備室以上排架柱尺寸為0.5m×0.5m。

進水池：相應進水池布置為3孔，進水池樁號JDHS0+045.000m～JDHS0+080.000m，總長35m，凈長34m。進水池每孔凈寬4.2m，中墩厚2m，邊墩厚1～2m，底板厚2～3m。進水池底板高程為1924.690～1917.390m，頂高程為1933.190m，凈高8.5～15.8m。九道河倒虹吸進口平面布置及縱剖面如圖1所示，九道河倒虹吸進口工作閘布置如圖2—3所示。

圖1 九道河倒虹吸進口平面布置圖

圖2 九道河倒虹吸進口縱剖面布置圖

圖3 九道河倒虹吸進口工作閘布置圖

2.2 倒虹吸出口結構布置

出水池：九道河倒虹吸采用3根直徑4.2m壓力鋼管，相應出水池布置為3孔，出水池樁號JDHS0+659.442m～JDHS0+683.442m，總長24m，凈長23m。出水池每孔凈寬4.2m，中墩厚2m，邊墩厚1～2m，底板厚2m。出水池底板高程為1918.111～1923.811m，頂高程為1932.311m，凈高8.5～14.2m。

出口工作閘：為滿足倒虹吸調度運行需要，在九道河倒虹吸出口樁號CX114+067.682m～CX114+073.682m布置有工作閘，兼做倒虹吸事故閘。九道河倒虹吸為3管倒虹吸，因此工作閘布置為3孔3扇。閘門采用固定單吊點卷揚式啟閉機操作，啟閉機室為排架結構，啟閉設備布置于1941.811m高程，啟閉機室屋頂高程為1946.311m。啟閉排架總高14m，啟閉設備室以下排架柱尺寸為1m×1m，啟閉設備室以上排架柱尺寸為0.5m×0.5m。

出口漸變段：樁號JDHS0+689.442m～JDHS0+717.442m布置倒虹吸出口漸變段，總長28m，出口底板高程1923.811m。漸變段順流向寬度由16.6m漸變至8.26m，凈高由8.5m漸變至8.96m，采用矩形斷面。底板厚1.5m，邊墻厚1～1.5m。九道河倒虹吸出口平面布置及縱剖面如圖4—5所示，九道河倒虹吸出口工作閘布置如圖6所示。

圖4 九道河倒虹吸出口平面布置圖

圖5 九道河倒虹吸出口縱剖面布置圖

圖6 九道河倒虹吸出口工作閘布置圖

3 倒虹吸進出口結構計算

3.1 進出口、工作閘整體穩定及基礎處理

九道河倒虹吸進出水池、進出口工作閘各工況下整體穩定及基底應力計算成果見表1—2。

表1 九道河倒虹吸進出水池整體穩定及基底應力計算成果表

表2 九道河倒虹吸進出口工作閘閘室穩定及基底應力計算成果表

由計算成果可以看出九道河倒虹吸進出水池、進出口工作閘各工況下整體穩定滿足規范規定。出水池、出口工作閘均建基于弱風化粉砂質泥巖及泥質粉砂巖，容許承載力fa0值700～1000kPa，基礎承載力滿足要求。進水池基底最大最小應力分別為396.94kPa、216.14kPa，倒虹吸進口建基于斷層影響帶，容許承載力fa0值200～300kPa，基礎承載力不滿足要求，采用端承摩擦樁，樁端持力層為弱分化基巖，樁端進行如弱分化基巖0.5～1m，根據地質條件確定樁長6.5～10m(A排5.5m、B排7.0m、C排7.5m、D排8.0m、E排9.0m)。根據倒虹吸進水池結構尺寸及承載力需要確定順水流布置5排樁(樁間距4.2m)，垂直水流向布置5排(樁間距4.6m)。倒虹吸進水池端承摩擦樁平面布置如圖7所示。

圖7 九道河倒虹吸進水池基礎樁基平面布置圖

九道河倒虹吸進口工作閘基礎中部處發育一斷層，基礎承載力0.15～0.17MPa，斷層處閘室基底最大應力135kPa，基礎承載力滿足要求。為減少進口工作閘基礎變形，對進口工作閘底部斷層采用塊級配碎石換填處理，換填方法厚度2～3m。

3.2 進出口結構計算

倒虹吸進出口均采用C30鋼筋砼結構，鋼筋采用HRB400，按限裂結構設計，最大裂縫寬度限制0.3mm。倒虹吸進出口結構計算成果見表3。

表3 九道河倒虹吸進出口結構計算成果表

3.3 進出口工作閘結構計算

工作閘閘室均采用C30鋼筋混凝土結構，鋼筋采用HRB400，按限裂結構設計，最大裂縫寬度限制0.3mm。依據SL191《水工混凝土結構設計規范》、SL744《水工建筑物荷載設計規范》等相關規范進行結構計算。九道河倒虹吸進出口工作閘結構計算成果見表4。

表4 楚雄段工作閘結構計算成果表

4 倒虹吸壓力鋼管設計

4.1 倒虹吸管結構設計

九道河倒虹吸輸水管采用3根直徑4.2m壓力鋼管，實長656.432m，管內流速2.406m/s。壓力鋼管段由上游斜坡段、橋架段和下游斜坡段組成。上游斜坡段管道長290.358m，坡度為21.3°～27.7°。采用梁橋跨越西河，跨河段長118.534m，鋼管中心高程1794.294m，最大靜水頭137.3m。下游斜坡段長247.54m，坡度為29.8°～31.8°。根據九道河倒虹吸鎮支墩布置確定管節長度為2.5m，每個管節設一個加勁環(即加勁環間距2500mm)，加勁環高厚18mm，高200mm。鋼管、加勁環及支承環鋼材均采用Q345C。九道河倒虹吸壓力鋼管結構設計SL 281—2003《水電站壓力鋼管設計規范》等進行，根據倒虹吸鋼管強度計算成果確定倒虹吸鋼管分段壁厚見表5。

表5 九道河倒虹吸鋼管分段壁厚表

4.2 鎮支墩結構設計

4.2.1鎮墩基礎處理

九道河倒虹吸4#鎮墩建基于斷層帶，根據地質條件及承載能力要求確定樁長10m，在樁頂與鎮墩基礎之間設置一層300mm厚碎石褥墊層作為過渡層。4#鎮墩基礎樁基平面布置如圖8所示。

圖8 九道河倒虹吸4#鎮墩基礎樁基平面布置圖

4.2.2支墩基礎處理

九道河倒虹吸進口～1#鎮墩間共有1個支墩、3#～4#鎮墩間共有4個支墩、6#鎮墩～出口間共有3個支墩建基于斷層破碎帶，其基礎容許承載力fa0值為150～170kPa，雖滿足要求，但從工程長期運行安全角度考慮，對上述支墩基礎處理采用塊、級配碎石換填方法，置換厚度1.5～2m。

4.3 壓力鋼管防腐設計

壓力鋼管外壁與大氣接觸的外壁涂料配套設計年限大于10年，采用環氧富鋅底漆、環氧云鐵中間漆及丙烯酸脂肪族聚氨酯面漆應性能指標應滿足要求見表6。

表6 環氧富鋅底漆主要技術指標

壓力鋼管內防腐設計使用年限不小于為50年，無溶劑聚氨酯內防腐涂層厚度不小于500μm。使用的無溶劑聚氨酯涂料及無溶劑聚氨酯防腐涂層的性能指標應符合表7的規定。

表7 無溶劑聚氨酯涂料主要技術指標

5 結語

滇中引水改造工程倒虹吸管設計方案在工程布置、水力計算和結構設計分析等方面存在問題。由于倒虹吸管設計計算過程比較復雜，需理論聯系實際，重點解決實際設計工作中需要解決的關鍵難點。倒虹吸管設計方案的核心在于結構的設計計算和分析，在應用相關規范的基礎上，實際計算可以有效地保障設計方案的順利實施。綜上所述，倒虹吸管是一種穿越河道的建筑物，具有造價低、工程量少、施工方便、不影響河流給排水等優點。可以在引水工程中有效利用，優化水資源配置，改善生態環境，真正提高人民生活水平和國力。