浅谈倒虹吸工程安全监测设施

浅谈倒虹吸工程安全监测设施

杨明珠

（临沧市水利水电勘测设计研究院有限公司 云南 临沧 677000）

摘要：倒虹吸工程在供水、输水、灌溉等水利工程中运用非常广泛，也是解决现代水利工程穿过河流、山谷、洼地等障碍物的主要建筑物。但是，在倒虹吸工程运用中存在地形条件、施工方案、运行管理等各种难题，本文以芒回水库工程新牙河倒虹吸工程为例，论述倒虹吸工程设计中主要计算内容，重点分析地势陡峭、施工受限、高水头等复杂问题下的设计方案及运行安全管理。

关键词：倒虹吸；高水头；运行管理；安全监测设施

0前言

新牙河倒虹吸位于芒回水库总干渠里程K0+000～K1+595m段，进口与勐卡山输水隧洞出口相连，出口与班半山隧洞相连，横跨新牙河河谷，里程长度1582m。新牙河倒虹吸由进口段、管身段、出口段三部分组成，倒虹吸进口底板高程为1272.50m，出口底板高程1263.70 m，设计输水流量2.52m³/s，最大水头508.5m。新牙河倒虹吸管身采用Q355钢管，管径Φ=1300mm，糙率采用0.013，壁厚8~26mm，进出口水头差8.4m，水头损失6.208m，设计C25钢筋混凝土镇墩26个，管身总长为1913.8m。设置有DN600mm的2个进人检修孔、9个泄水阀（DN=300mm，PN=6.4Mpa），5个DN150的复合排（补）气阀（PN=1.6Mpa~2.5Mpa）。

该倒虹吸工程的特点：项目区位于南滚河国家级自然保护区、地震烈度为Ⅷ度，且倒虹吸左右两岸地势极为陡峭，高水头，大流量，施工难度大、后期运行管理难等。

1新牙河倒虹吸工程地质条件

新牙河倒虹吸横跨新牙河河谷，轴线走向344°，呈直线布置，基底地层岩性以寒武系王雅组上段（є?w2）绢云石英片岩夹千枚岩、硅质板岩为主，左岸局部为侏罗系中统花开左组下段（J2h1）紫红色、灰黄色砂砾岩、砂岩夹粉砂岩，岩层产状以新牙河为界，两岸产状相反，岩层均倾向山内，山坡均为反向坡，属于背斜构造，河床为核部，两岸为左右翼，故新牙河为背斜谷；根据不同的地质条件分为左岸段，右岸段和河床段。

左岸段位于平距K0+000～K0+614m之间，长614m，轴线走向344°，呈直线布置，进口底板高程1274.00m，出口底板高程788m，高差486m，坡降0.8，地形坡度：上、下30°～35°、中部45°～54°，上、下段平缓，中段陡。

右岸段位于平距K0+673～K1+595m之间，长922m，轴线走向344°，呈直线布置，进口底板高程788m，出口底板高程1264m，高差476m，坡降1/2，地形坡度25°～35°，局部10°和20°。河床段位于平距K0+614～K0+673m之间，长59m，轴线走向344°，呈直线布置，高程788m，河底高程在776～780m之间。

左岸地形坡度陡，右岸及河床段地形坡度平缓，地层岩性都较为简单，第四系覆盖层厚度小，基础持力层埋深浅，开挖工程量小，下伏强风化基岩基本承载力较高，能满足承载要求，岩层产状倾向山内，山坡为反向坡，稳定性较好；地下水位低，施工在干燥区，构造和物理地质现象不发育，工程地质条件较好。

设计上建议清除表层第四系覆盖层和部分强风化基岩，将倒虹吸镇墩基础置于强风化基岩上，开挖深度4～5m，侧向开挖边坡1：0.5～1：0.75，支墩部位清除第四系覆盖层，将支墩基础置于强风化基岩上，开挖深度1.5～2m，局部2.5m，侧向开挖边坡1：0.25，同时河床段配备适当的抽水设备进行施工抽水。

2设计方案

新牙河倒虹吸输水管道通过对管道材料的对比，综合考虑管材性能、运输、施工、水头、地形地貌及地基承载力、投资等几个方面，确定新牙河倒虹吸采用可承受内压高，结构安全且适应不良地基变形能力较好的钢管。

通过水利计算、结构计算及稳定计算确保倒虹吸过水能力和结构安全；其中结构计算包括：管道的壁厚、镇墩的抗滑稳定；钢管的稳定计算包括：钢管的抗外压稳定、钢管最小结构厚度、钢管加劲环确定等。

倒虹吸工程安全根据阶段分为：设计安全、施工安全、运行安全，后两者的安全在设计阶段就应进行充分考虑。

3施工方案

新牙河倒虹吸根据初步设计地形图设计方案及控制点坐标，施工单位对工程区范围内的地形进行复测，地形图复测一是为了校核地形；二是测量要求比初设要精准，尽量反应真实的地形地貌。地形图复测出图后，倒虹吸轴线重新剖图及管线布设。

两岸坡度在10°~50°之间，管身采用明管铺设，两岸不涉及交通，跨新牙河平缓段满足泄洪要求情况下采用排架支墩，并设检修栈道。

新牙河倒虹吸地处南滚河国家级自然保护区地势陡峭，为了最大程度的减少开挖，保护植被，芒回水库管理局及施工单位在开工前多次组织参建各方参会商讨。主要商讨材料进场、开挖的土石方运输的问题。经常多次商讨，初步拟定为材料进场采用施工便道运输到自然保护区范围外，自然保护区内采用扔运输，倒虹吸两岸采用索道运输，为了减少开挖土方，管道尽量沿着地面铺设。

4运行管理

随着水利行业的发展，遇到像新牙河倒虹一样高水头、大跨度、大管径、坡度陡的倒虹吸工程越来越多，但新牙河倒虹吸相较于其他类似工程除上述难度之外还有一个较大难点，项目区位于国家级自然保护区施工条件受限。设计阶段不仅要统筹兼顾施工、运行安全与生态环境保护；还要在管道设计满足水力要求的情况下尽量减少投资和施工难度等。

后期的运行管理得当，工程才能充分发挥效益。管理运行主要依靠安全监测设施，在设计过程中如何简便又全面的布设安全监测设施？运行过程中又该如何准确采集数据科学分析数据等都值得我们深思。

4.1主要安全监测设施

1、测缝计

测缝计使用场合很广，仪器经加装一些附件可以组成裂缝计、基岩变位计、锚杆计等测量变形的仪器。倒虹吸工程中，按一定比例在镇墩上安装裂缝计，根据具体地质情况倒虹吸两岸各设一个基岩变位计，上下游竖向转角较大位置装设锚杆计。除此之外还应在必要位置装置测量变形的仪器。

2、渗压计

渗压计在水利工程上主要用于大坝等水工建筑物、测压管、堤坝管道、钻孔和压力容器内，也可以根据需要通过加装配套附件用于测压管道、地基进行使用。

倒虹吸工程主要用于检测地基及管道，参考设计高差每150m布设一个渗压计。

3、钢筋计

钢筋计用来测量混凝土内部的钢筋应力，锚杆的锚固力，拉拔力等；加装配套附件可组成锚杆测力计。较常用的钢筋计为振弦式钢筋计，安装于钢筋上，钢筋受力产生的变形将引起焊接于钢筋上的仪器内钢弦变形，使钢弦发生应力变化，从而改变钢弦的振动频率。

每200~300m布设一个钢筋计用于监测镇墩钢筋。

4、位移计

位移计用于长期测量水工结构物或其它混凝土结构物伸缩缝的开合度(变形)，亦可用于测量土坝、土堤、边坡等结构物的位移、沉陷、应变、滑移。加装配套附件可组成基岩位移计、多点位移计、土应变计等测量变形的仪器。

布设于每200~300m的镇墩周围。

4.2其他安全监测设施

倒虹吸安全监测仪器包括：外部监测仪器、内部监测仪器。常用的外部监测仪器主要为沉降标点，内部监测仪器处4.1节主要安全监测设施外还有：应变计、无应力计、土压力计等。

所有安全监测设施在安装与埋设前都应先进行检查设备是否完好，需要通过通讯方式传输数据的安全监测设应提前根据需要布设电缆线，电缆线布设应以安全、简便为主。

4.3结论

测缝针、渗压计、位移计都具有同时同步测量埋设点温度值的功能，对有温度监测要求的工程也可不单独布设温度监测设施；钢筋计、测缝计通过加装配套附件可组成锚杆测力计；位移计、渗压计、测缝针通过加装配套附件可组成基岩位移计。由此可见主要的安全监测均可通过加装配套组成工程所需要的监测仪器，当然像新牙河倒虹吸有高标准的监测需求时则应采用对应的安全监测设施，保证工程运行安全。

5结束语

大多数水利工作者对于大坝枢纽区的安全监测设施都是比较熟悉，布设起来如同探囊取物。对倒虹吸工程的常规安全监测设施布设也是轻车熟路，但新牙河大跨度、高水头的大型倒虹吸工程常规的安全监测设施已经无法满足后期运行管理要求，设计通过后期运行管理需要监测的项目，来寻找监测该项目的测量仪，经过充分了解测量仪功能及埋设要求，最大化的利用测量仪并在设计过程中精准布设。

参考文献

【1】取水输水建筑物丛书-倒虹吸管.中国水利水电出版社；

【2】禄兴.浅谈深沟大跨度倒虹吸压力管道设计.云南建筑2009年第6期；

【3】柏学强.蒲阳河渠道倒虹吸工程安全监测仪器埋设安装及成果分析；

【4】孙炳华.浅谈倒虹吸工程的运行与管理.工程管理第5卷第8期。

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