某長距離引水工程輸水管道及無壓隧洞結構設計

周明華

(甘肅省水務投資有限責任公司，甘肅 蘭州 743100)

1 工程概況

某引水工程莊浪段應急供水工程是覆蓋莊浪縣所有城鄉居民生活及工業、建筑業、第三產業和集中養殖業用水的供水工程，現狀水平年為2019年，設計水平年為2030年。莊浪縣2019年人口38.57萬人，預測2030年人口39.86萬人。本工程取水點為洮供水二期工程七干渠，自七干渠小岔溝分水閘取水后經過長距離管道(含隧洞)引水至南洛河南坪調蓄水池。本工程主要由引水系統、調蓄水池等建筑物組成，七干渠年引水量1459萬m3/a(水廠進口斷面)，引水流量為0.55m3/s，南坪調蓄水池總容積15萬m3。工程等別為Ⅲ等，工程規模為中型。

2 輸水管道設計

2.1 輸水管道管材比選

引水管道是本工程的重要組成部分，投資占比很大，因而管材選擇十分重要。結合本工程實際情況，該階段選用幾種工程常用管材，再根據其結構特性、適應性、材料供應等條件比較。按照上述基本原則，通過技術、經濟、安全等方面綜合比較選定。供水管道目前一般可供使用的管材有鋼管、球墨鑄鐵管、預應力鋼筒混凝土管(PCCP)等。

本工程管線設計內水壓力為0.9～4.63MPa。多段管線具有處于高水壓段、穿越河谷或沿河(溝)灘地、階地敷設的特點，并借鑒其他相近工程的成功經驗，確定設計內水壓力2.0～4.63MPa的管段采用鋼管；設計內水壓力0.9～2.0MPa的管段，結合調查后的管材經濟性、適用性、技術性等方面進一步比選。預應力混凝土管的抗滲能力、水密性和耐久性較其它2種管材，特別是較PCCP管較差，同時其使用壽命較短，施工安裝重量大，適應地形能力相比其他管材較差，因此本工程不采用預應力混凝土管。對本工程來說，玻璃鋼夾砂管所采用的樹脂要求較高，必須是食品級無毒樹脂，相應成本也會增高，因此本工程不推薦使用玻璃鋼夾砂管。

對管道設計內水壓力0.9～2.0MPa的管段進行管材比較，各管材的工程特性比較見表1。

表1 管材工程特性比較表

從經濟性方面，總干管管徑為800mm，內水壓力2.0MPa以下的3種管材中球墨鑄鐵管價格最低，PCCP管價格次之，鋼管價格最高，球墨鑄鐵管優于其他2種管材；南洛河干管管徑為600mm，3種管材中，球磨鑄鐵管價格

從管材、施工特性方面，鋼管具有可延性好，不宜爆裂，抗變形能力好，強度高，施工速度快等優點；而球磨鑄鐵管和PCCP管均采用柔性接頭，且數量極多，若地基不均勻沉降變形，接頭處容易拉裂后漏水，對施工條件、地基條件的要求相對較高，因此從管材、施工特性方面，鋼管優于球墨鑄鐵管和PCCP管。

經綜合分析比較后，設計內水壓力0.9～2.0MPa，沿長尾溝溝道階地、水洛河、南洛河河灘地行進的管段，管基較為穩定的管段采用球磨鑄鐵管，以降低工程投資；而余灣鄉山梁上下坡段、1#隧洞進出口上下坡段、2#隧洞進出口上下坡段管基為自重濕陷性黃土，其地基不均勻沉陷對管道影響較大，故以上段管材采用鋼管。

綜上所述，設計內水壓力0.9～2.0MPa的管段，除余灣鄉山梁上下坡段、1#隧洞進出口上下坡段、2#隧洞進出口上下坡段管段采用鋼管外，其余管段均采用球磨鑄鐵管；設計內水壓力2.0～4.63MPa的管段采用鋼管，見表2。

表2 輸水管道管材、管徑及壓力分段表

2.2 管道水力計算

2.2.1沿程水頭損失

hl=iL

(1)

i=10.67C-1.852Q1.852d-4.87

式中，hl—水流沿供水管線流動的沿程水頭損失，m；L—供水管道長度，m；i—供水管道單位管長的水頭損失，m/m；C—系數，本工程取值120；Q—供水管道的流量，m3/s；d—供水管道管道內徑，m。

本工程局部水頭損失按其沿程水頭損失的10%計算。

2.2.2溝道、河道水深計算

(1)輸水線路管道埋設涉及小岔溝、南河、葫蘆河、水魏溝、長尾溝、水洛河、南洛河7條；河床沖刷洪水按輸水建筑物校核洪水對應流量；本次取5條主要河(溝)道實測水文橫斷面，其中小岔溝25條、南河23條、葫蘆河5條、水洛河30條、南洛河12條；溝道、河道河床組成物為細砂、粗砂、砂礫石等，確定河床綜合糙率為0.035。

Q=(AR2/3J1/2)/n

(2)

式中，n—當前河道平均糙率；A—當前河道平均過水斷面面積，m2；R—河道平均水力半徑，m；J—河道水面比降。

(2)溝道、河道水深及流速計算

(3)

式中，Z上、Z下、V上、V下—上、下游河道過水斷面的水位、流速；a—動能修正系數，本工程取值為1；h沿—水流沿供水管道的沿程水頭損失，h沿=JL；hj—水流沿供水管道的局部水頭損失(本工程沒有阻水建筑物，不計局部水頭損失)；

沿程摩阻坡度：

(4)

式中，C—謝才系數。

(5)

式中，Y—曼寧公式采用，1/6。

依據上述基本資料和計算公式，推算管道埋設溝道、河道設計洪水對應水深、流速。溝道、河道河床沖刷計算公式如下。

(6)

式中，hS—當前河道的局部沖刷深度，m；H0—計算處河道沖刷處的平均水深，m；Ucp—河道的近岸垂線水流平均流速m/s；UC—河道泥沙的平均啟動流速，m/s；n—與岸坡形狀有關，本次取1/5。

計算結果見表3。

表3 河流沖刷深度計算

3 無壓隧洞設計

3.1 無壓隧洞洞身設計

本工程輸水線路無壓隧洞總共為2條，分別為1#、2#隧洞，總長度為8.53km，1#隧洞在臥龍鎮雙河村處進洞，至朱店鎮山莊王家村出洞(樁號49+660.62～56+634.32，隧洞長6.97km)；2#隧洞在水洛鎮陽屲山村附近進洞，至水洛鎮王家山村附近出洞(樁號59+456.54～61+008.81，隧洞長1.55km)。1#、2#隧洞為Ⅴ1類、Ⅴ2類、Ⅴ類圍巖。隧洞的橫斷面采用三心圓拱型斷面，凈斷面尺寸B×H(寬×高)=1.600m×1.923m，1#、2#無壓隧洞設計技術參數特性見表4。

表4 1#、2#無壓隧洞工程特性表

3.1.1隧洞結構計算

(1)計算依據及計算方法

依據相關規定，無壓隧洞可采用結構力學方法進行計算。本次計算采用引水工程常規水工隧洞設計軟件，該軟件為同濟大學隧道及地下工程研究所針對引水一期隧洞設計共同開發的一套隧洞計算分析軟件，為常規水工隧洞設計分析程序，用于計算水工隧洞在設計荷載作用下的結構內力，并在引水一期工程中結合工程實際應用進行了修正。使用該軟件進行隧洞襯砌和支護設計，其計算工況、荷載計算和組合、結構計算分析方法、參數取值等能夠滿足相關規范要求。

根據工程地質勘察及試驗研究，選取的圍巖物理力學參數見表5。

表5 圍巖物理力學參數

(2)計算工況及荷載組合

結合實際情況，按照運行期及施工期工況，選用以下荷載組合計算：

基本組合1(土洞段)：垂直圍巖壓力+側向水平圍巖壓力+襯砌自重+內水壓力+外水壓力。

基本組合2(巖石洞段)：垂直圍巖壓力+圍巖彈性抗力+圍巖彈性抗力產生的摩擦力+襯砌自重+內水壓力+外水壓力。

特殊組合：基本荷載+灌漿壓力。

(3)荷載計算

山巖壓力計算：

(7)

q=0.7γh

式中，e1、e2—側向圍巖壓力，kN/m；γ—圍巖重度，kN/m3；h—坍落拱高度，m；f—圍巖堅固系數；φ—圍巖內摩擦角，(°)；B—開挖隧洞的寬度，m；H—開挖隧洞的高度，m。

根據地質資料顯示，本工程1#、2#隧洞進口及洞身段，圍巖中基本無地下水，因此不計外水壓力，1#、2#隧洞出口段圍巖處于地下水位以下，呈飽和狀態。內水壓力由洞內水面線確定。根據文克爾假定法則，地層彈性抗力P和襯砌的變位σ成正比，即：P=K×σ，在巖石洞段考慮適當的考慮彈性抗力，土洞段不考慮彈性抗力。本次設計按照頂拱120°范圍灌漿壓力0.2MPa進行結構復核。襯砌容重取25kN/m3。

對鋼筋混凝土結構按照其所處環境類別進行限裂計算，按照規范本工程為二類工作環境，鋼筋混凝土結構的允許裂縫寬度為0.30mm。隧洞內力計算成果見表6。選取1#洞段計算結果做內力圖如圖1—4所示。

圖1 土洞斷面軸力圖

圖2 土洞斷面彎矩圖

圖3 巖石斷面軸力圖

圖4 巖石斷面彎矩圖

表6 隧洞內力計算成果表

3.1.2洞內排水、防水設計

當隧洞通過中、強濕陷性土層時，加強防滲處理，除隧洞段間設“652”橡膠止水帶外，背水面加設0.75mm厚全封閉防水板。

3.1.3其它設計

當隧洞含有腐蝕性地下水時，支護襯砌混凝土均采用抗酸水泥，并在隧洞支護襯砌間加設0.75mm厚全封閉防水板。

對富含地下水的軟巖洞段和所有土洞段，為防止出碴機械行走導致鋼拱架下沉，

在洞底緊跟掌子面鋪設20cm厚干硬性C15混凝土墊層。

3.2 無壓隧洞洞臉設計

3.2.1洞臉永久邊坡內容及邊坡級別

本工程1#、2#隧洞為3級建筑物，邊坡失事后對供水任務可造成較嚴重危害，根據規范，劃分隧洞進出口洞臉邊坡為4級邊坡。

3.2.2洞臉永久邊坡穩定性評價

1#、2#隧洞進、出口山坡表面為上更新統風積(Q32)馬蘭黃土，屬自重濕陷性黃土，自然邊坡約14°～38°，現狀邊坡穩定。在本次隧洞開挖過程中，馬蘭黃土永久邊坡按1∶1進行開挖。根據工程類比分析結果，對隧洞進出口邊坡綜合評價為邊坡穩定。

4 調蓄水池設計

南坪調蓄水池位于南洛河右岸Ⅰ級階地上，場地地層巖性自上向下依次為：第四系Q42alp沖洪積黃土狀土、Q42alp沖洪積砂卵礫石、新近系中新統N1粘土巖。黃土狀土層厚0.5～2.5m，結構疏松，厚度變化大，且具弱-中等濕陷性，不推薦做蓄水池主要建筑物持力層；砂卵礫石層厚度2.9～4.3m，層位穩定，結構稍密-中密，為良好的建筑物持力層；下伏基巖為新近系中新統(N1)粘土巖，亦為良好的持力層。地下水一般埋深1.5～4.0m，南側埋深較大，約2.5～4.0m，最大4.5m；北側靠河道埋深較淺，約1.0～2.0m，水質較好，對普通硅酸鹽水泥無腐蝕性。水池需做防滲處理，同時基坑需做排水。

調蓄水池池底置于場地粘土巖層中，該地基層分布連續，層位較穩定，調蓄水池迎水面邊坡為1∶2.5，背水面邊坡為1∶2.0。池堤填方段清除表層黃土狀土和松散砂卵礫石層后采用振動碾分層碾壓，填筑料為砂礫石，相對密度不小于0.75。池頂設有鋼筋混凝土防浪墻和環繞池頂的C20混凝土路面交通道，池頂寬度取5.0m。穿越調蓄水池池堤的取水管采用鋼管，放空管采用φ600鋼絲網骨架PE管。

管道在清除表層覆蓋層后的砂礫石地基內開挖管槽，基礎采用原基平面夯實，之后進行管道鋪設，管槽及池堤土方填筑。

5 結語

本文通過管材比較、經濟性比較等選定輸水管道材質；通過管道水力計算與河道水深計算等得到管道水力損失大小及河道沖刷深度；通過隧洞洞型選擇及結構計算、防水、排水等設計得到隧洞設計方案。該引水工程的建設對于盡快解決當地生活及生產用水緊張狀況，有效緩解區域社會經濟快速發展的用水矛盾，以及對當地鄉村振興發展具有重大意義。