滇中引水工程九道河倒虹吸工程建筑物布置

陈进华，林 华

(云南省滇中引水工程建设管理局，云南 昆明 650051)

1 工程概况

滇中引水工程九道河倒虹吸位于禄丰县以北，上接九道河隧洞，下连鲁支河隧洞，倒虹吸起点桩号JDHS0+000.000m(CX113+358.139m)，终点桩号JDHS0+717.442m(CX114+075.581m)，水平长717.442m，实长782.226m。九道河倒虹吸设计流量100m3/s，采用3根直径4.2m压力钢管输水。倒虹吸进口设计水位1931.6m(水深6.9m)，底板高程1924.7m，钢管最大静水头约137.3m。

九道河倒虹吸位于西河峡谷，谷峰相对高差280～360m，河流总体流向由北向南。河谷呈“V”形，谷底较狭窄平缓，谷底高程1772～1775m，谷底宽40～60m。西岸坡总体地形坡度25°，东岸坡体地形坡度31°。倒虹吸轴线沿两岸山脊布置，山脊较宽缓，两侧冲沟切割较浅。

九道河倒虹吸布置于深切峡谷地段，沿线两岸自然边坡高陡、断层发育、岩体破碎、岩体风化强烈、卸荷发育强烈，边坡稳定条件差。结合水工布置，九道河倒虹吸部位存在的主要工程地质问题有以下4点。

(1)两岸岩体风化强烈、断层发育，全、强风化层较深厚，覆盖层及全强风化层厚度大于10m，部分镇墩、支墩和进出口水池挡墙基础置于全强风化岩体或断层带及影响带上，承载力较低，建议进行地基处理。

(2)两岸边坡高陡，岩质软弱、构造发育，同时受岩体风化、卸荷等影响，边坡稳定条件差，可能产生坍滑破坏。右岸为顺向坡，下伏基岩以泥质岩为主，发育多条规模较大的断层，岩体风化强烈，岸坡整体稳定条件差，应加强支护。

(3)跨河简支桥采用端承桩基础，持力层为河床下伏弱风化岩体。河床冲洪积层厚度6～11m，性状差、透水性强，开挖基坑存在基坑涌水及坑壁稳定问题。

(4)沿线地形变化较大，岩体风化不均，存在不均匀沉降变形问题，需加强地基处理。

2 倒虹吸进出口设计

2.1 倒虹吸进口结构布置

九道河倒虹吸进口衔接九道河隧洞，倒虹吸进口由渐变段、退水闸、工作闸及进水池组成。进口渐变段：桩号JDHS0+000.000m～JDHS0+036.000m布置倒虹吸进口渐变段及退水闸，总长36m(其中渐变段长25m)，进口底板高程1924.690m，顺流向由8.26m×8.96m(宽×高)马蹄形断面渐变至16.6m×8.5m(宽×高)矩形断面。渐变段底板厚1.5m，边墙厚1～1.5m。

退水闸：九道河退水渠设计退水流量100m3/s，退水闸与倒虹吸轴线夹角60°，轴线交叉桩号JDHS0+025.000m。退水去引渠段长12.448m，闸室段长8m。闸前正常水深6.904m，闸底板高程1924.690m，平台高程1933.190m。引渠段边墙厚1～1.5m，底板厚2.0m。闸室边墩厚2m，底板厚2.0m。闸门电动卷扬机启闭，启闭机室采用排架结构，总高14m，启闭设备布置平台高程为1942.690m，启闭机室屋顶高程1947.190m。

进口工作闸：为满足倒虹吸调度运行需要，在九道河倒虹吸进口桩号CX113+394.139m～CX113+403.139m布置工作闸，兼做倒虹吸事故闸。九道河倒虹吸为3管倒虹吸，因此工作闸布置为3孔3扇，闸门采用露顶式平面钢闸门。九道河倒虹吸进口工作闸闸室段总长9m，每孔闸室净宽4.2m，闸墩净高8.5m，闸室底板及边墙厚均为2m。九道河倒虹吸进口工作闸建基高程为1922.690m，闸底板高程为1924.690m，闸墩平台高程为1933.190m。闸门采用固定单吊点卷扬式启闭机操作，启闭机室为排架结构，启闭设备布置于1942.690m高程，启闭机室屋顶高程为1947.190m。启闭排架总高14m，启闭设备室以下排架柱尺寸为1m×1m，启闭设备室以上排架柱尺寸为0.5m×0.5m。

进水池：相应进水池布置为3孔，进水池桩号JDHS0+045.000m～JDHS0+080.000m，总长35m，净长34m。进水池每孔净宽4.2m，中墩厚2m，边墩厚1～2m，底板厚2～3m。进水池底板高程为1924.690～1917.390m，顶高程为1933.190m，净高8.5～15.8m。九道河倒虹吸进口平面布置及纵剖面如图1所示，九道河倒虹吸进口工作闸布置如图2—3所示。

图1 九道河倒虹吸进口平面布置图

图2 九道河倒虹吸进口纵剖面布置图

图3 九道河倒虹吸进口工作闸布置图

2.2 倒虹吸出口结构布置

出水池：九道河倒虹吸采用3根直径4.2m压力钢管，相应出水池布置为3孔，出水池桩号JDHS0+659.442m～JDHS0+683.442m，总长24m，净长23m。出水池每孔净宽4.2m，中墩厚2m，边墩厚1～2m，底板厚2m。出水池底板高程为1918.111～1923.811m，顶高程为1932.311m，净高8.5～14.2m。

出口工作闸：为满足倒虹吸调度运行需要，在九道河倒虹吸出口桩号CX114+067.682m～CX114+073.682m布置有工作闸，兼做倒虹吸事故闸。九道河倒虹吸为3管倒虹吸，因此工作闸布置为3孔3扇。闸门采用固定单吊点卷扬式启闭机操作，启闭机室为排架结构，启闭设备布置于1941.811m高程，启闭机室屋顶高程为1946.311m。启闭排架总高14m，启闭设备室以下排架柱尺寸为1m×1m，启闭设备室以上排架柱尺寸为0.5m×0.5m。

出口渐变段：桩号JDHS0+689.442m～JDHS0+717.442m布置倒虹吸出口渐变段，总长28m，出口底板高程1923.811m。渐变段顺流向宽度由16.6m渐变至8.26m，净高由8.5m渐变至8.96m，采用矩形断面。底板厚1.5m，边墙厚1～1.5m。九道河倒虹吸出口平面布置及纵剖面如图4—5所示，九道河倒虹吸出口工作闸布置如图6所示。

图4 九道河倒虹吸出口平面布置图

图5 九道河倒虹吸出口纵剖面布置图

图6 九道河倒虹吸出口工作闸布置图

3 倒虹吸进出口结构计算

3.1 进出口、工作闸整体稳定及基础处理

九道河倒虹吸进出水池、进出口工作闸各工况下整体稳定及基底应力计算成果见表1—2。

表1 九道河倒虹吸进出水池整体稳定及基底应力计算成果表

表2 九道河倒虹吸进出口工作闸闸室稳定及基底应力计算成果表

由计算成果可以看出九道河倒虹吸进出水池、进出口工作闸各工况下整体稳定满足规范规定。出水池、出口工作闸均建基于弱风化粉砂质泥岩及泥质粉砂岩，容许承载力fa0值700～1000kPa，基础承载力满足要求。进水池基底最大最小应力分别为396.94kPa、216.14kPa，倒虹吸进口建基于断层影响带，容许承载力fa0值200～300kPa，基础承载力不满足要求，采用端承摩擦桩，桩端持力层为弱分化基岩，桩端进行如弱分化基岩0.5～1m，根据地质条件确定桩长6.5～10m(A排5.5m、B排7.0m、C排7.5m、D排8.0m、E排9.0m)。根据倒虹吸进水池结构尺寸及承载力需要确定顺水流布置5排桩(桩间距4.2m)，垂直水流向布置5排(桩间距4.6m)。倒虹吸进水池端承摩擦桩平面布置如图7所示。

图7 九道河倒虹吸进水池基础桩基平面布置图

九道河倒虹吸进口工作闸基础中部处发育一断层，基础承载力0.15～0.17MPa，断层处闸室基底最大应力135kPa，基础承载力满足要求。为减少进口工作闸基础变形，对进口工作闸底部断层采用块级配碎石换填处理，换填方法厚度2～3m。

3.2 进出口结构计算

倒虹吸进出口均采用C30钢筋砼结构，钢筋采用HRB400，按限裂结构设计，最大裂缝宽度限制0.3mm。倒虹吸进出口结构计算成果见表3。

表3 九道河倒虹吸进出口结构计算成果表

3.3 进出口工作闸结构计算

工作闸闸室均采用C30钢筋混凝土结构，钢筋采用HRB400，按限裂结构设计，最大裂缝宽度限制0.3mm。依据SL191《水工混凝土结构设计规范》、SL744《水工建筑物荷载设计规范》等相关规范进行结构计算。九道河倒虹吸进出口工作闸结构计算成果见表4。

表4 楚雄段工作闸结构计算成果表

4 倒虹吸压力钢管设计

4.1 倒虹吸管结构设计

九道河倒虹吸输水管采用3根直径4.2m压力钢管，实长656.432m，管内流速2.406m/s。压力钢管段由上游斜坡段、桥架段和下游斜坡段组成。上游斜坡段管道长290.358m，坡度为21.3°～27.7°。采用梁桥跨越西河，跨河段长118.534m，钢管中心高程1794.294m，最大静水头137.3m。下游斜坡段长247.54m，坡度为29.8°～31.8°。根据九道河倒虹吸镇支墩布置确定管节长度为2.5m，每个管节设一个加劲环(即加劲环间距2500mm)，加劲环高厚18mm，高200mm。钢管、加劲环及支承环钢材均采用Q345C。九道河倒虹吸压力钢管结构设计SL 281—2003《水电站压力钢管设计规范》等进行，根据倒虹吸钢管强度计算成果确定倒虹吸钢管分段壁厚见表5。

表5 九道河倒虹吸钢管分段壁厚表

4.2 镇支墩结构设计

4.2.1镇墩基础处理

九道河倒虹吸4#镇墩建基于断层带，根据地质条件及承载能力要求确定桩长10m，在桩顶与镇墩基础之间设置一层300mm厚碎石褥垫层作为过渡层。4#镇墩基础桩基平面布置如图8所示。

图8 九道河倒虹吸4#镇墩基础桩基平面布置图

4.2.2支墩基础处理

九道河倒虹吸进口～1#镇墩间共有1个支墩、3#～4#镇墩间共有4个支墩、6#镇墩～出口间共有3个支墩建基于断层破碎带，其基础容许承载力fa0值为150～170kPa，虽满足要求，但从工程长期运行安全角度考虑，对上述支墩基础处理采用块、级配碎石换填方法，置换厚度1.5～2m。

4.3 压力钢管防腐设计

压力钢管外壁与大气接触的外壁涂料配套设计年限大于10年，采用环氧富锌底漆、环氧云铁中间漆及丙烯酸脂肪族聚氨酯面漆应性能指标应满足要求见表6。

表6 环氧富锌底漆主要技术指标

压力钢管内防腐设计使用年限不小于为50年，无溶剂聚氨酯内防腐涂层厚度不小于500μm。使用的无溶剂聚氨酯涂料及无溶剂聚氨酯防腐涂层的性能指标应符合表7的规定。

表7 无溶剂聚氨酯涂料主要技术指标

5 结语

滇中引水改造工程倒虹吸管设计方案在工程布置、水力计算和结构设计分析等方面存在问题。由于倒虹吸管设计计算过程比较复杂，需理论联系实际，重点解决实际设计工作中需要解决的关键难点。倒虹吸管设计方案的核心在于结构的设计计算和分析，在应用相关规范的基础上，实际计算可以有效地保障设计方案的顺利实施。综上所述，倒虹吸管是一种穿越河道的建筑物，具有造价低、工程量少、施工方便、不影响河流给排水等优点。可以在引水工程中有效利用，优化水资源配置，改善生态环境，真正提高人民生活水平和国力。