松涛灌区倒虹吸设计方案分析

王壮海

(海南省水利水电勘测设计研究院，海南 海口 570100)

1 工程概况

松涛灌区白莲东分干渠是海南省海口市西侧永庄水库水源地唯一的饮用水源输水干渠，输水方式为明渠无压流，水源水质保护情况难度大，一旦发生突发性污染，将严重威胁永庄水库供水安全。同时新城规划区内各个功能区地块、路网、给排水管网与原渠道反复交叉，其中新城规划区的23个工业区、研发区、生活区地块与现状供水明渠交叉，路网24条道路、路下管网给排水、污水管在不同高程上均与现状供水明渠交叉，对日后的渠道管理及维修影响因素多，不利于渠道的独立管理及维修，亦对规划区地块的综合利用有较大影响，增加水源水质保护的难度。

白莲东分干渠位于美安新城规划区内渠段，渠道断面分为梯形断面和矩形断面两种。梯形断面主要为混凝土硬化衬砌和浆砌石硬化衬砌，矩形断面主要为浆砌块石。梯形渠段多处衬砌老化、塌陷，水流直接淘刷堤身，严重处掏空约1 m；矩形渠段浆砌石砂浆老化剥落，几处原爆破开挖天然岩壁过流断面较窄，阻水严重。其中桩号11+500～13+800段为岩石段，大部分堤身填筑料为石料堆筑，加之衬砌老化，渠身、渠底渗漏严重，据了解沿线闸门、斗门关闭时，向永庄水库供水渠道末端流量仅为渠首流量的1/3。随着海口市的发展，用水的需水量与年俱增，但由于现有渠道崩塌、渗漏严重，渠道输水能力逐年下降，水利用系数低，供需矛盾日趋紧张，制约了工农业生产发展。因此，需要对渠道进行改造，本文以该改造工程中的倒虹吸设计方案计算过程为研究对象，从工程布置、水力计算及结构设计分析开展研究，计算并复核设计方案的合理性，为工程建设提供设计方面的依据[1]。

2 倒虹吸管设计

2.1 工程布置

2.1.1 布置原则

倒虹吸布置一般要求线路宜短而直，使水流平顺、水头损失小、工程量少、造价低，并且应充分考虑施工、运行管理与维修的方便和安全。具体布置原则如下：(1)具有较良好的地形地质条件时，倒虹吸管的轴线应尽可能与沟谷、道路及河道等正交，管轴线的平面布置常在一直线上，以获得最短的管道轴线。(2)倒虹吸管应根据地形地质条件和跨越河流、沟渠道路等情况，选用露天式、地埋式或桥式架空布置。(3)圆形管道的转弯半径不宜小于3倍管径，位置相近的平面转弯和立面转弯宜合并为空间转弯。(4)在倒虹吸纵断面上，当地形较缓时，管线宜随地面铺设，管线布置须避免局部凸起，不可避免时应在上凸顶点的管道顶部安装自动排气阀，地埋式管道应埋入地面以下≥0.5～0.8 m，穿越沟渠时要满足防冲要求，桥式架空段要满足行洪净空要求。(5)进口段尽可能布置在挖方(或半填挖)渠段上，以减少沉陷、渗漏及塌方现象。(6)出口段的布置应使出口断面逐渐扩大，以降低出口水流流速,减少水头损失，防止对下游渠道的冲刷。

2.1.2 布置形式

(1)平面布置。桩号0+777～6+754段为倒虹吸段，总长5977.0 m。其中桩号0+777～6+110段基本平行于西环铁路东侧约50.0 m处布置，沿线自然地面高程37.5～61.0 m，地形平缓，主要穿越坡地、洼地、水塘、河沟等，穿过5条远期规划道路、美玲小学、美造水库库尾；桩号6+110～6+470段平行于绕城高速南侧约30.0 m处，沿线自然地面高程49.0～53.0 m；桩号6+470～6+754段按原渠道位置穿过绕城高速，并在美安大道西侧绿化带区内穿过规划十六路。经过以上布置，平面转角共8处，每个转角半径均为选定管身内直径3倍，即9.0 m。

(2)纵向布置。本倒虹吸纵向布置除了受地形影响外，另外主要受以下几个方面因素影响，见表1。

表1 纵向布置影响因素及控制性高程

根据地形及以上控制性高程影响因素布置倒虹吸纵向设计，其中在桩号3+500处由于规划美安一纵路路面高程为42.0 m，而荣昆沟规划河底为37.5 m，两者之间高差较小，采用架空段穿过荣昆沟难以满足河道行洪要求，故该段需要穿过沟底；美造水库库尾段需要采用桥式架空穿过库区上方，且需要满足行洪净空要求；规划十六路段需要从路底下穿过，且管顶距离路面≥1.0 m。其他管段纵向设置在避免局部凸起的情况下，结合地形及以上控制性高程布置。经布置，竖向转角共10处，其中1处与平面转角结合，每个转角半径均为选定管身内直径3倍，即9.0 m。

2.2 水力计算

2.2.1 水头损失计算

水头损失与上、下游流速及渐变段的局部水头损失系数有关，根据《灌溉与排水渠系建筑物设计规范》(SL 482—2011)附录C.1倒虹吸水力计算如式(1)、式(2)所示[2]：

(1)

(2)

式中：hj1、hj2为进、出口渐变段的局部水头损失，m；ξ1、ξ2为进、出口渐变段的局部损失系数，取ξ1=0.30，ξ2=0.75；v1、v2分别为管道进口渐变段的始、末断面平均流速，m/s;v、v3分别为管道出口和出口渐变段的末断面的平均流速，m/s；g为重力加速度，m/s2。

倒虹吸管的水头损失包括局部水头损失和沿程水头损失两类。总水头损失计算如式(3)所示：

hw=hf+hj

(3)

式中：hw为总水头损失，m；hj为倒虹吸管局部水头损失,按式(4)计算，m；hf为沿程阻力总水头损失，按式(5)计算，m。

(4)

式中：ξi为局部水头损失系数；φ、φi分别为管道出口断面面积和局部阻力损失外的相应断面面积，m。

(5)

式中：λ为能量损失系数；L为倒虹吸总长度，m；D为倒虹吸管径,m；v为倒虹吸断面平均流速。

根据计算结果得出：通过设计流量时水头损失满足要求，通过加大流量时上、下游断面能满足安全运行。但加大流量以下时，进口水面下降较多，则需要3#节制闸调节水位，以满足进口最小淹没水深的要求、避免管道进气引起管道压力波动等危害。

2.2.2 流能力复核

根据通过设计流量Q=7.83 m3/s，加大流量为9.8 m3/s，管径选用3.0 m，管材为PCCPE管，按式(6)～式(8)对倒虹吸管过流能力进行复核计算：

(6)

(7)

(8)

式中：Q为倒虹吸设计流量，m3/s；m为流量系数；A为倒虹吸过水断面面积，m2；Z为上、下游水位差，m；C为谢才系数，m1/2/s。

本工程倒虹吸管道长5.89 km，沿程水头损失起主要作用，其输水能力取决于管道糙率。倒虹吸架空段采用压力钢管，地埋式采用预应力钢筒混凝土管(PCCPE)。根据规范(SL 482—2011)条文说明6.3.3：对于焊接钢管：糙率系数n=0.0110～0.0125，正常值为0.0120,本工程压力钢管段糙率系数选用n=0.0120。对于PCCPE管：山东省水利科学院的野外试验平均糙率值n=0.0107，天津市丽湖新地河扬水泵站的试验平均糙率值n=0.0102，而对于国内外已建类似工程的调查，PCCPE管道糙率系数选用n=0.0100～0.0135，因此，本工程PCCPE管道糙率系数选用n=0.0120。

另外，由于线路长，全线设置的进人孔、排气阀、放水孔等T型盲孔数目较多，单个T型盲孔的局部水头损失系数不同、资料差异较大，等径T型盲孔的局部水头损失系数在0～0.1之间。为保证管道的输水能力，T型盲孔的局部水头损失系数采用取值范围的最大值，即取0.1。

压力管道的弯道水头损失系数ξw与拐角θ、拐弯半径R及管道内径D有关。根据规范SL 482—2011附录C.1倒虹吸管水力计算，得出ξw=γξ90°，该结果满足设计需求。

2.3 结构设计分析

2.3.1 倒虹吸钢管结构计算分析

根据《水利水电工程压力钢管设计规范》(SL/T 281—2020)[3]、《水工建筑物荷载设计规范》(DL 5077—1997)[4]，进行结构尺寸设计及计算分析如下。

(1)几何参数。钢管内径为3000 mm，钢管轴线倾角为0°,支座个数为8个，支墩间距为10 000 mm，加劲环间距为3300 mm，钢管壁厚为12 mm，加劲环厚度为20 mm，加劲环高度为200 mm，支承环厚度为20 mm，支承环高度为200 mm，伸缩节至支承环距离为83 750 mm，伸缩节止水盘根沿轴向长度为300 mm，伸缩节内套管外径为3024 mm，伸缩节内套管内径为3000 mm。

(2)材料及荷载参数。支承环处截面中心计算水头为11 335 mm，钢材的牌号为Q235C级，钢材的屈服点为235.0 N/mm2，钢材弹性模量为2.06×105N/mm2，泊松比为0.3，钢材线膨胀系数为1.20×10-5/℃，重度为7.85×10-5N/mm3，焊缝系数为0.95，支座对管壁摩擦系数为0.10，伸缩节止水填料与管壁摩擦系数为0.30。

(3)复核管壁厚度(t)是否满足刚度要求。判断公式为t≥钢管内径/800+4，则t应满足t≥7.8 mm，实际选用管壁厚度t=12.0 mm，满足要求。

(4)荷载计算。

①径向内水压力，计算公式(9)为：

P=γw×H1

(9)

式中：P为径向内水压力，N/mm2；γw为水容重，N/mm3；H1为水深，mm。经计算得出，P=0.111 N/mm2。

②钢管自重作用下垂直管轴方向的法向力，计算公式(10)为：

Qs=qs×L×cosα

(10)

式中：Qs为每跨钢管自重，N；qs为单位长钢管自重，N/m；L为钢管长度，m;α为管道转角(°)。经计算得出，Qs=110 977 N。

③钢管中水重作用下垂直管轴方向的法向力，计算公式(11)为：

Qw=qw×L×cosα

(11)

式中：Qw为每跨管内水重，N；qw为单位长钢管自重,N/m；α为管道转角。经计算得出，Qw=692 721 N。

通过以上分析，倒虹吸钢管结构满足结构安全要求。

2.3.2 倒虹吸止推结构计算分析

现采用桩号6+114.494，拐弯角为82°13′32″的31#镇墩进行止推设计验算。根据《水工设计手册——第8卷水电站建筑物》(第二版)公式(4.7-8)。水平弯管处的推力与管道接头处的内水压力和截面面积有关;弯管处的推力大小还受转角α的影响,其数值由式(12)确定：

(12)

式中：T为静水推力，kN；A管道为管道横截面面积，m2。经计算得出,T=174.67 kN。

水平方向的抗滑抵抗力Rh=管底面摩阻力Rh1+管背面被动土压力Rh2。其计算分别为式(13)、式(14)：

Rh1=fW

(13)

(14)

式中：f为混凝土与地基间的摩擦系数，对应地质ZK16钻孔，取0.35；W为施加在管底面上的荷载和止推镇墩的重量，kN；γ为土的重度，kN/m3；Bb为管背面的宽度，m；H2为管底面的深度，m；H1为管顶面的深度，m；tan2(45°+φ/2)为被动土压力系数；φ为土间内摩擦角,(°)。

止推镇墩底面的承载力计算公式(15)为：

(15)

式中：σv为止推镇墩底面的承载力,kPa;G为施加在止推镇墩底面的全部荷载，kN；A为止推镇墩的底面积，m2。经计算，σv×安全系数=101.8 kPa <容许承载力σrv=150 kPa，满足结构安全要求。

3 结 语

(1)对于松涛灌区白莲东分干渠改造工程倒虹吸管设计方案，面临着工程布置、水利计算和结构设计分析问题，因此，开展好工程规划与设计计算工作对工程设计方案适宜性评价有现实意义。

(2)由于倒虹吸设计计算过程复杂，涉及水力公式较多，需要参考和应用行业规范的公式，理论结合实际，重点关注实际设计工作需要解决的关键难点。

(3)倒虹吸设计方案的核心在于结构的设计计算与分析，在应用有关规范的基础上，扎实计算，才能切实有效地为设计方案的顺利实施保驾护航。