水磨沟倒虹吸管工程设计

1、水磨沟倒虹吸管工程设计             水磨沟倒虹吸管工程设计陈晓东曹蕾 （甘肃省水利水电勘测设计研究院，兰州730000）     关键词：水磨沟倒虹吸管；水头；管径；钢管；设计    摘要：介绍了位于引大入秦灌溉工程总干渠上的大型跨沟建筑物水磨沟倒虹吸管工程，该工程为双管桥式倒虹吸的型式；具有工作水头高、输水流量大、管线长、管径大的特点，其综合工程规模位居国内前列，通过运行实践证明，工程设计完善，运行可靠

2、。水磨沟为大通河一级支流，为总干渠沿线跨越的较大沟道之一，沟谷在工程轴线位置谷底开阔，宽约516m，两岸岸坡较缓，自然坡度为40°，呈宽浅式，地形高差达6938m。右岸岸坡覆盖厚17m的坡积碎石土夹块石或坡积碎石土层，其下为结晶灰岩，允许承载力为R015025MPa，内摩擦角50°60°，凝聚力C0305MPa，底部有厚约4m的亚砂土夹亚粘土层，内摩擦角17°，凝聚力C002004MPa。河床覆盖层大部为砂砾石夹砂土、含砾亚砂土并夹有砂土透镜体，河床中间部位则为砂砾卵石层夹有砂层透镜体，覆盖层的允许承载力为0304MPa，最大厚度40m，左岸较浅，为15

3、m，覆盖层下部为炭质板岩。左岸岸坡为黄土及坡积碎石土覆盖，表层为厚1145m的马兰黄土，中层为碎石土夹块石以及亚砂土、亚粘土，允许承载力为015025MPa，下部为炭质板岩夹炭质结晶灰岩，允许承载力为0406MPa。沟道下游为常流水，但在管桥处属季节性沟道特征，平时只有潜水而无地表水，地质勘查中实测地下水水位变幅为214775214862m。沟道自然纵坡140，糙率004，管桥处集水面积328km2，设计洪峰流量（P2）800m3s，相应洪水位215735m，河床最低点高程215490m，最大水深245m，平均水深117m，流速269ms。最大冻土深度146m。2设计标准水磨沟倒虹吸管输水流量

4、设计32m3s，加大36m3s，最大工作水头6738m，控制灌溉面积86万亩。依据规范规定，倒虹吸工程等别属二等，工程规模为大（2）型，其主要建筑物级别为3级，次要建筑物为4级，临时性建筑物为5级，地震设防烈度为7°，河床部位基础冲刷计算与主要建筑物防洪的洪水标准为50年一遇。3工程布置水磨沟倒虹吸管招标设计方案为4根预应力钢筋混凝土管埋式倒虹吸，管径2m。后因在工程的关键构件，内直径2m，工作压力08MPa的预应力钢筋混凝土管本地无法生产，以及外购来源无着落的情况下，经过论证，在技施设计阶段将设计方案修改为双管布置的钢管桥式倒虹吸。水磨沟倒虹吸管工程位于总干渠里程桩号4969021

5、（29隧洞出口）5025284（30A隧洞进口）之间，工程轴线水平投影长度56263m。整个倒虹吸管工程由进出水口及其节制闸和与闸室连接的渐变段、钢管以及支架式连续管梁桥、镇墩、支墩等部分组成，其工程总体布置见图1。倒虹吸管进口接29隧洞出口，该隧洞出口设有渐变段，其起点桩号为4969021（即为隧洞出口），渐变段终点4969721，长700m；49697214970221为倒虹吸管进口闸室段，长500m，闸底板设计高程同29隧洞出口底板高程2224280m，闸室为钢筋混凝土整体式箱型结构，分为两孔，每孔净宽3m，高470m，各设平板钢闸门一扇，闸门前设一道直立式拦污栅，以防渠道中污物、杂草以

6、及树枝等输水钢管而堵塞管道，拦污栅通过悬挂于启闭机工作平台下部梁上固定在钢轨上的电动葫芦启吊，人工清污。闸室上部为钢筋混凝土框架式闸房，总高度为1078m，其中框架高720m，房内安装两台固定式手电两用卷扬式启闭机。单根管道轴线总长567959m，采用2条内直径265m的钢管，并列布置，管道中心距420m。管道进水口（49703070，设计高程222530m）至1镇墩（4977965）段为进口斜坡段，管坡为40º0105.  97,单管长99.905m；自1#镇墩至2镇墩（50+119.65）段为支架式连续管梁桥即为水平段，单管长339.878m，管中心高程2161.00m

7、；2镇墩直至出水口（50232045，设计高程2222682m）为出口斜坡段，管坡为28°45282，单管长128176m。管道出水口挡水墙末端50232685023668段为出口闸室段，长400m，闸底板设计高程222151m，闸室除高度为440m外，其结构和宽度以及闸房结构均与进口闸室相同；自50236685025284段为出口渐变段，长1616m，其末端接30A隧洞进口（5025284），其底板设计高程同倒虹吸管出口闸室底板设计高程。在1、2镇墩旁设置进、出人孔，以便于管道的维护检修；在2镇墩旁设置管道放空阀。钢管于进出水口在通过挡水墙处设置单向伸缩节，以适应温度变形；由于水平

8、段的钢管长度较大，达到33340m，若在1镇墩、2镇墩旁设置单向伸缩节，将无法适应水平段钢管热涨冷缩的要求，为此，分别在11桥墩（4988965）、23桥墩（5000965）处设置双向伸缩节，各控制其上下游16680m和16660m的钢管温度伸缩。4水力计算41基本参数倒虹吸管工程进口设计水位222746m，加大水位222838m，管道糙率0012。42计算准则按设计流量连接水面线高程，加大流量校核进出口高水位，并确定进出口闸底板与闸墩顶高程，以最小流量15m3s核算进出水口淹没深度。倒虹吸管的管径选择和水面线连接计算均是在流量确定的条件下进行，若加大管径，则管内流速减小，水头损失也减小，下游

9、渠道水位增高，对增大自流灌溉面积有利，但管径加大后，管材用量与附属工程量随之加大，工程造价增加。因此，管径的选择，应根据自然条件和用水高程的要求，从技术上的可靠性和经济上的合理性进行分析比较，以选定较为合理的管道直径。水磨沟倒虹吸管位于山岭重丘区，因渠线布置高，水头较为充裕，宜充分利用落差，选择较大的管内流速和较小的管径，以节省造价。总干渠沿线各主要建筑物和主要控制点的设计高程在倒虹吸管工程招标设计时均已确定，且倒虹吸管进出口所连接的隧洞早已开挖施工，其隧洞进出口的设计高程再无法改变。倒虹吸管出口所连接的隧洞进口设计高程是按招标设计方案确定的，因此，在技施设计阶段，倒虹吸管的管径选择与水面线连

10、接是在出口闸底板设计高程已确定的情况下进行，并对水头损失进行复核。43管径选择与管内流速确定倒虹吸管的管径与水头损失以及管内流速直接相关，由于在设计期间，我国还没有倒虹吸管工程设计规范和标准，因此，在参考其它相关标准和规范，以及有关技术资料的基础上，根据以上计算准则，并结合本工程的具体特性，参照已建同类工程的实践和其它水电站等的压力钢管直径与流速，运用工程类比法，输水钢管的管内流速控制在2535ms之间为宜，并在最小输水流量情况下的流速能满足管内不淤要求。通常的水电站压力钢管经济直径确定公式：    式中：D为钢管直径（m）；K为系数，为515；Qmax为单根管道

11、的最大设计流量（m3s），为18m3s；Hmax为最大工作水头（m），为6738m。经计算D238278m，综合考虑管道的水头损失，钢材用量和价格，以及钢管加工和运输条件等因素，钢管直径宜取较大值为宜，取为D260m。管内流速在加大流量情况下为326ms；在设计流量情况下为290ms，符合上述管内一般流速要求。而大通河水质洁净，泥砂含量较少，年平均含砂量约为07kgm3，大部为悬移质，且沙峰与洪峰同步，汛期79月集中年来砂量的80，而在此期间约有50d工程停水维护检修。因此，在全年灌溉期通过输水钢管的泥沙数量较少。参照有关不淤流速的计算方法，可求得管内不淤流速为040090ms，倒虹吸管在最小

12、输水流量情况下的管内流速为136ms，远远大于管内不淤流速要求。由此，所取管径符合设计要求，并按此进行工程设计。44水头损失计算管道水头损失为沿程与局部水头损失之和，总局部水头损失包括进口至出口所有局部水头损失。沿程水头损失按下式计算：式中：hf为沿程水头损失（m）；为沿程阻力损失系数，8gc2；g为重力加速度；c为谢才系数，cR16n；R为水力半径（m），为025D0；n为钢管糙率；D0为管道计算内径，为265m；L为单根管长；V为管内平均流速（ms）。局部水头损失按以下公式计算：式中：hi为各计算位置局部水头损失（m）；Vi为各计算位置断面平均流速（ms）；fci为各计算位置断面局部阻力损

13、失系数，其值详见表1。表1中对于弯管、进人孔、伸缩节等均为合并计算。水头损失计算中考虑了水流通过进口节制闸的水面降落和通过出口节制闸的水面回升，水头损失计算成果见表2。 45水面连接及管道出口高程确定倒虹吸管招标设计时在加大流量情况下总水头损失为3140m，在设计流量情况下为2372m（采用值为250m）。而根据以上计算成果可知，总水头损失小于招标设计计算值，在加大流量时小224，在设计流量时小200，满足上述要求。在进出口所连接隧洞设计高程已确定的情况下，为了留有余地并考虑不可预见因素，从工程安全运行角度出发，总水头损失仍然采用招标设计计算值，并据此进行上下游水面衔接计算，成果见表3。经核算

14、在最小流量时能保证管道进出水口的规范要求淹没深度。而当管内通过小于总干渠最小流量的情况下，通过利用管道出口节制闸控制调节出水口水位，也可保证进水口的淹没度。5进出水口设计为了方便管道进出口清淤、维护检修和临时停水，以及调节水位，在进出口处均设置节制闸。闸室分为双孔，现浇200钢筋混凝土箱型结构，进出水口对两根输水管道分别设闸，单独进行控制，以便根据不同的输水流量需要开启或关闭闸门，并方便管道的维护检修。进出水口根据水头损失以及水面连接计算结果，在最小输水流量情况下均有足够的淹没深度，因此，设计为平底板式，即钢管内壁下缘与闸底板齐平，闸底板为水平，而内壁上缘在整个闸室宽度范围内用钢板修成圆弧状，

15、以利水流平顺，并减少局部水头损失。为近似的喇叭口形。由于渠水泥砂含量甚微，且大部为悬移质，故在进水口前未设置专用沉砂池。6管道压力分级为节省钢材，降低工程投资，依据钢管自上而下各段承受内水压力的不同，将钢管管线分为不同的压力级别，并据此计算相应的不同分段管壁厚度。水磨沟倒虹吸管最大工作压力水头为6738m，考虑安全余幅和不可预见因素，其最大设计计算压力水头取80m，为高水头倒虹吸管工程。设计计算内水压力分级考虑加工、以及安全储备和管体均匀度等因素，级差不宜过小，分为2级：P04MPa；04MPaP08MPa。7钢管设计71钢管工作状态与设计依据倒虹吸管工程冬季不运行，管内积水由放空管排空，故钢

16、管不存在冰冻及管体材料的冷脆问题。同时运行时，空气会从管道进出口进人管内，因此，管内不会产生真空状态，而且钢管不承受外水压力与土压力。另外，倒虹吸管在运行期的使用状态为当下游渠道工程或倒虹吸出现事故时，进口可能会出现紧急关闸的情况，但出口不会出现紧急关闸，因此管内不会产生水击（水锤）压力。由此，可仅计算管壁应力强度，而不必核算外压稳定。钢管钢材型号为A3，由钢板热扎卷制而成，强度计算时需考虑焊缝对强度降低的影响。管体应力强度的计算理论、计算方法主要依据水电站压力钢管设计规范的有关规定和其它相关标准。倒虹吸管管体的弯管与镇墩混凝土浇筑成整体，在镇墩处为焊接钢弯管，其弯曲半径为600m，弯头中心角

17、为40°01059728°45282。由于钢管不存在外压失稳问题，管体仅沿纵向每水平长10m设一道加劲环，与支墩位置相对应，加劲环也即为支承环，其余地段不设加劲环。72管壁厚度初步确定考虑到钢板厚度不均匀及运行中的锈蚀和磨损，实际采用的管壁厚度应在计算厚度的基础上再加2mm的裕度附加值。通常的水电站压力钢管管壁厚度初步确定公式，即“锅炉”公式为：  式中：为钢管管壁厚度（cm）；为水容重（kgcm3）；Hm ax为钢管各压力分段最大设计计算水头（cm）；为钢管钢材设计允许应力（MPa），为120MPa。由上式可初步计算出钢管管壁厚度。当在最大设计计算水头80m的情

18、况下，118cm，考虑2mm的防磨损与锈蚀层，则14mm。在考虑不可预见因素及安全余幅，以及缺乏高水头倒虹吸管设计和运行经验、设计规范与相关标准，倒虹吸管在总干渠输水中的重要性等等因素的情况下，对以上钢管管壁初步计算结构厚度再增加2mm，达到16mm。对压力水头小于40m的管段，为不致使上下管段壁厚差值过大，管壁厚度适当加大，并根据规范的规定，钢管壁厚级差取2mm为宜。由上述确定管壁厚度及其对应的设计计算内水压力详见表4。按照规范有关在钢管壁厚变化处，对于明管宜使外径不变，变内径的原则，为了统一招标加工的方便，以总干渠上另一座压力水头达10712m的先明峡倒虹吸钢管最大壁厚22mm控制，外径取

19、为2 694mm，其内径为2 6622 666mm。73管壁应力计算与强度校核钢管所承受荷载、管壁应力与强度校核等计算均参照上述规范的计算理论与计算方法进行。通过详细的分析计算复核，输水钢管初步确定的管壁厚度具有足够的强度，可满足规范要求。因此，输水钢管均按照表4所列厚度进行管体设计与加工制造。各管壁厚度所对应的管线长度详见表4。 为调整钢管因加工、安装等造成的长度误差，安装时在镇墩旁靠近伸缩节处预留凑合节，最后进行凑合节的安装，其长度大体为1040m。74钢管防腐输水钢管外壁防腐材料底层采用环氧富锌底漆与环氧云铁防锈漆各一道，厚50100m，面层采用醇酸面漆一道，厚40m；内壁防腐材料底层采

20、用黑色焦油环氧沥青漆与褐色焦油环氧沥青漆，面层采用黑色焦油环氧沥青漆，均为一道，厚135m。8横断面布置倒虹吸管工程斜坡段管槽设计底宽1160m，底部平铺混凝土厚10cm，以利排水，并防止水流冲刷，管轴线距管槽底板20m。管道中心距420m；钢管由支承环支承于下部支墩上，单根管道两侧支座中心距284m；管槽两侧边坡坡脚布置排水沟，沟宽40cm，沟深2535cm，排水沟为混凝土结构；排水沟与支墩之间为浆砌块石人行踏步，两侧布置，宽1m。并在两侧边坡外设置截水沟，使山体水流外排，减少对管槽的冲刷，且在30A隧洞进口洞脸上部设排水沟，使洞脸以上坡面水不再流入坡面内，造成积水和对坡面的冲刷。9镇、支墩

21、设计91镇墩设计输水钢管因承受的内水压力和管径均较大，而采用封闭式镇墩。两座镇墩所承受的内水压力均为068MPa。镇墩的结构及稳定按常规方法计算，采用现浇150混凝土结构，两根输水钢管采用一个整体镇墩固定，横向宽度为880m，高5055m，纵向长680m。各镇墩在管道通过处环向布置20mm钢筋，在表层设置12mm温度钢筋。进出水口挡水墙为重力式结构，设计与镇墩相同。92支墩设计倒虹吸管工程共布置支墩53个，大部坐落于基岩上，部分坐落于土基上，横断面尺寸10×10m，斜坡段总高度15m，水平段高14m。间距除在镇墩附近稍小外，其它地段一律为10m，采用现浇150混凝土结构，顶部预埋钢板，输水钢管通过支承环支承于支墩上，支承环支座采用四氟滑板橡胶式。支墩下部埋于岩土地基内，外露高度在垂直管道轴线方向为04m，管道轴线距支墩顶面16m。10管桥设计101基础冲刷计算经计算基础一般冲刷深度100m，局部冲刷深度172m，总冲刷深度272m。按照规范要求，基础底部应埋置在设计冲刷线以下不小于20m，确定桥墩基础底面最低高程为214900m，而沟道最低点高程为215490m，基础最大埋深为59m。由设计洪水位确定桥墩顶高程为215900m，水面以上净空230m，可以满足