复杂地质条件对钢管倒虹吸结构安全的影响分析

复杂地质条件对钢管倒虹吸结构安全的影响分析

王华金 赵云

云南建投第一水利水电建设有限公司

摘要：倒虹吸工程是引调水工程中数量最多的一种河渠交叉建筑物。探索倒虹吸工程合理的布置型式、运行方式,使工程设计建立在可靠的技术基础上,具有重大的工程意义和理论价值。为了保证倒虹吸工程安全可靠的发挥效能,需要考虑复杂的地质条件对工程的影响。钟英倒虹吸横跨河谷，两岸地形陡峭，山高谷深，地质情况复杂。文章中就倒虹吸稳定、水头损失、应力分析、结构及基础处理等进行了深入研究。

关键词：地质；倒虹吸；管道设计

前言：在社会经济不断发展背景下，我国也加快了水利水电基础设施建设完善步伐，并且随着水利工程不断增多，对其施工质量也提出更高要求。引调水工程能有效缓解地方水资源严重短缺问题,倒虹吸结构作为一种立交水工建筑物广泛应用于引调水工程,其施工工程顺理成章地成为现时水利工程中的重要部分。倒虹吸具有输水流量大、倒虹吸管身段长、其进出口允许水头值较小、规模空前以及投资巨大等特点，但施工场地地形、地质状况复杂，给倒虹吸结构安全带来很大难度。

一、工程概况

工程全长28km，引水流量Q=0.72m³/s，设计年供水量728.7万m³，灌溉面积：2.63万亩。

工程区所属大地构造分区为扬子准地台(一级))11滇台背斜(二级)滇中中台陷(三级〉楚雄凹陷(四级)，位于川滇经向构造体系南西端与青、藏、滇、缅、印尼巨型"歹"字型构造体系复合部，处在程海-宾川断裂与牟定断裂之间裙断地块，区内断裂、榴皱发育，地质构造复杂。工程区西距程海一宾川断裂12～18km，主要受永胜-宾川地震带地震活动影响，历史地震频繁，区域构造稳定性较差。

工程工程山高谷深，倒虹吸是该引水工程中数量最多的一种建筑物。钟英倒虹吸位于工程前部，其最大工作水头为464.2m，设计引水流量0.72m³/s，是工程建筑物中难度较大的工程。该工程修建成败是关系到工程灌溉得到保证与否、以及整个工程投资效益具体实现的关键。

二、倒虹吸的总体布置

钟英倒虹吸位于工程总里程Y2+436～Y12+270段，横跨皮厂大沟，两岸地形陡峭。

1、输水线路选择

输水线路在总体布置的基础上力求线路最短，方案可行，并满足下列设计原则：

（1）安全可靠

规划区沿线多为高山峡谷，人口密集、人居活动频繁区大多为坝子和地形相对平坦区，因此须在安全可靠前提下布置线路，防止因人为活动造成线路建筑物损坏而影响乡镇沿线的安全。

（2）线路短

线路在布置上尽可能顺直，减少线路总长，降低工程造价，减少水损，缩短施工工期。

（3）结合规划区地理位置及当地地形高程

规划区大致为南北走向，几个乡镇地形为东高西低，东面高山相对连续，线路沿坝子东面布置相对合适，分水后通过自流能满足灌溉要求。

（4）少占地、不拆迁、少占林地

线路沿途尽量避让民房建筑，所经土地多为基本农田，占地补偿费用较高，协调工作困难，宜尽可能少占耕地，避开村庄，不拆迁房屋建筑；布线上尽量采用可复耕回填管，充分考虑不涉及国有林。

2、地形、地质条件

上覆残坡积（Qeld）碎石土、含碎石砂质粘土，厚度0.5～2m，结构松散；下伏基岩为T3s页岩、砂质页岩夹细至中粒砂岩；厚层状中至粗粒长石石英砂岩、石英砂岩夹砂质页岩及炭质页岩； Pβ玄武岩；及T3g泥质细砂岩、炭质页岩夹长石石英砂岩。

3、管身布置

根据地形、地质情况，管身布置以埋管为主，明管为辅布置，部分地方采用高支墩跨越冲沟。

3、辅助工程设置问题

对于倒虹吸来说，设置通气孔是一个重要措施。一般倒虹吸通气孔主要用于稳压水流，防止气蚀，这些问题对于钟英倒虹吸工程这种高水头、小流量的倒虹吸工程来说进口发生水跃尤其严重，所以倒虹吸更需设置通气孔。

倒虹吸管身较长，为了满足运行期间管理维护需要，沿管道设置管槽、人行梯和排水沟，并在管身设置进人孔，能进人检修并保证管内不淤，在跨河最低管段设置排泥阀井。

三、建筑物的选型

倒虹吸由进口段、管身段和出口段三部分组成。

1、进、出口建筑物

进口设长24m、宽7m、深6m的进水池，采用封闭箱形结构，池顶高程略高于地面高程，采用钢筋混凝土结构，边墙厚度为0.5m。出口设长10m、宽4m、高4.3m的出水池，采用钢筋混凝土结构，边墙厚度为0.5m，与下游隧洞连接。

2、流量调节阀室

流量调节阀室设在出水池前，其作用是为了调节流量。

3、管身

倒虹吸管身常用的断面型式有：圆形、箱形和直墙正反拱形等。圆形管道与同样过水面积的箱形、拱形管道相比，其湿周小，水流摩阻力小，水流条件好，过水能力大，施工及焊接较为容易；本工程线路所经地形为山间盆地、河沟、道路，部分为土壤肥沃的农田，人机活动频繁；为便于保护耕地及减少人机活动对管道的影响，主要采用沟埋管形式。根据地形地质条件，引水流量及承压水头情况，倒虹吸管材选用钢管。

在与进出口建筑物及管身角度变化处采用3倍管径的转弯半径弯管与之相连。倒虹吸钢管总长10261m。管身共设32个伸缩节。由于管线长、高差大，压力管道沿途设置了2个进人孔。并在每段搞起处设置补排气阀，低洼处设置放空排泥阀井。

4、镇、支墩设计

受地形影响，管轴线在纵断面上呈折线状，并在转折处设置钢筋混凝土镇墩，直管段每间隔60～80m设一镇墩。倒虹吸管沿线共布置216个镇墩。明管段在两镇墩之间每隔4～6m设一刚性鞍型支墩，支墩包角120°；管身与支座间铺设8mm厚钢垫。

四、水力设计

水力设计是倒虹吸设计的基础，也是倒虹吸设计是否经济合理的关键。合理选择水力设计的计算公式、各种设计参数及各项水头损失系数，是水力设计准确的关键。

1、倒虹吸钢管水力设计

1.1、沿程水头损失

沿程损失采用谢才公式计算：

式中： C ― 谢才系数

       V ― 断面平均流速，m/s

       n ― 糙率

       R ― 断面的水力半径， R＝D/4

       L ― 输水道长度

       D ― 过水断面内径

1.2、局部水头损失

式中：V2/2g ― 流速水头

ζ―水头损失系数

1.3、过流能力

式中：ω ― 管道出口断面面积；

H ―进水池水位与出水池水位的高差；

     μc―管道流量系数；

式中：λi、li、di、ωi、ζi分别为任一管道的沿程阻力系数、管长、管径、断面面积和局部阻力系数。

根据设计规范现浇混凝土隧洞衬砌糙率采用值为：钢管糙率为0.011～0.013；球墨铸铁管糙率为0.012。因此确定本工程糙率基本参数为：

钢管： n=0.012

表2倒虹吸水头损失计算表

扣除沿程及局部水头损失后，倒虹吸相应进出口水位见表3：

表3倒虹吸进出口水位特性表

五、结构设计

1、管壁厚度

倒虹吸最大工作水头464.2m，压力钢管中上部选用Q235钢制做。采用以下公式计算管壁厚度：

式中—设计水头；

—设计管径；

—结构材料的容许应力，为0.55，其中：屈服强度=235N/mm2；

—焊接系数，取0.9。

经分段计算，管壁厚度结果为：Q235钢压力管计算壁厚

=8～18mm。考虑到管壁受泥沙磨损、钢管锈蚀、制造不精确等因素，在计算壁厚的基础上再加附加值，即压力钢管结构壁厚为10～20mm。最小管壁厚度=5.5mm，也大于规范要求。

2、应力分析

钢管的应力状态是三元的，采用以下结构力学方法公式按空间结构对管壁进行应力分析。

式中:、、—轴向、环向、径向正应力，N/mm2，以拉为正；

、、—各方向剪应力，N/mm2。

经应力分析、各计算点在基本荷载组合和特殊荷载组合情况下，其应力均＜。

3、抗外压稳定校核：

除按强度和构造确定管壁厚度外，还需进行外压稳定校核。倒虹吸为露天明管布置，在计算时选择管身只是承受均匀径向力作用下的抗外压稳定问题。

管身无钢性环，沿轴向可以自由伸缩，则管壁的临界外压采用公式：

分段计算临界外压力。当外部大气压为1kg/cm2，安全系数=2，弹性模量=2.1×106 kg/cm2，泊松比=0.25，则压力管道无钢性环的管壁能保持稳定的最小厚度为：

通过校核计算，管壁能保持稳定的最小厚度为9.2(mm)。设计管壁厚度大于抗外压最小厚度，倒虹吸钢管不需设置钢性加劲环，在结构方面是稳定的。

四、结束语

在我国农田水利建设当中,在施工环境、地质条件复杂的情况下，对于如何确保施工质量，如何减小或杜绝钢管倒虹吸结构不安全情况的发生，有着极为重要影响。因此必须进行科学合理的施工组织和施工优化设计，施工过程中要提高施工技术，加强施工监督与控制，确保水利工程的质量。

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