某长距离引水工程输水管道及无压隧洞结构设计.pdf

工程实践水利技术监督 年第 期:/某长距离引水工程输水管道及无压隧洞结构设计周明华(甘肃省水务投资有限责任公司 甘肃 兰州)摘要:供水工程因其建设地点与供水对象区域分布特点 其主要建筑物为引水管道与引水隧洞 文章介绍了某引水工程主要建筑物输水管道与输水隧洞的设计方案 通过对输水管道管材、特性等的比较选定管材 对管道水力特性计算、河道水深进行计算 介绍了隧洞洞身设计、支护衬砌结构设计、隧洞结构计算等方面设计 本工程设计方案可为其他项目提供借鉴关键词:输水管道 输水隧洞 结构计算中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:作者简介:周明华(年)男 工程师:工程概况某引水工程庄浪段应急供水工程是覆盖庄浪县所有城乡居民生活及工业、建筑业、第三产业和集中养殖业用水的供水工程 现状水平年为 年设计水平年为 年 庄浪县 年人口 万人 预测 年人口 万人 本工程取水点为洮供水二期工程七干渠 自七干渠小岔沟分水闸取水后经过长距离管道(含隧洞)引水至南洛河南坪调蓄水池 本工程主要由引水系统、调蓄水池等建筑物组成 七干渠年引水量 万/(水厂进口断面)引水流量为 /南坪调蓄水池总容积 万 工程等别为等 工程规模为中型 输水管道设计 输水管道管材比选引水管道是本工程的重要组成部分 投资占比很大 因而管材选择十分重要 结合本工程实际情况 该阶段选用几种工程常用管材 再根据其结构特性、适应性、材料供应等条件比较 按照上述基本原则 通过技术、经济、安全等方面综合比较选定 供水管道目前一般可供使用的管材有钢管、球墨铸铁管、预应力钢筒混凝土管()等本工程管线设计内水压力为 多段管线具有处于高水压段、穿越河谷或沿河(沟)滩地、阶地敷设的特点 并借鉴其他相近工程的成功经验 确定设计内水压力 的管段采用钢管 设计内水压力 的管段 结合调查后的管材经济性、适用性、技术性等方面进一步比选 预应力混凝土管的抗渗能力、水密性和耐久性较其它 种管材 特别是较 管较差 同时其使用寿命较短 施工安装重量大 适应地形能力相比其他管材较差 因此本工程不采用预应力混凝土管 对本工程来说 玻璃钢夹砂管所采用的树脂要求较高 必须是食品级无毒树脂 相应成本也会增高 因此本工程不推荐使用玻璃钢夹砂管对管道设计内水压力 的管段进行管材比较 各管材的工程特性比较见表 从经济性方面 总干管管径为 内水压力 以下的 种管材中球墨铸铁管价格最低 管价格次之 钢管价格最高 球墨铸铁管优于其他 种管材 南洛河干管管径为 种管材中 球磨铸铁管价格 管 钢管 球磨铸铁管优于钢管和 管从管材、施工特性方面 钢管具有可延性好不宜爆裂 抗变形能力好 强度高 施工速度快等优点 而球磨铸铁管和 管均采用柔性接头且数量极多 若地基不均匀沉降变形 接头处容易拉裂后漏水 对施工条件、地基条件的要求相对较高 因此从管材、施工特性方面 钢管优于球墨铸铁管和 管 年第 期水利技术监督工程实践表 管材工程特性比较表比较项目钢管球墨铸铁管 管管长每节定制长度 每节定制长度 每节定制长度 管道重量每节重量大约 每节重量约 每节重量大约 管道接口焊接接口 焊口多单胶圈柔性接口 管节短采用钢制承插口 承插口有滑动式胶圈抗腐蚀性能可采用内外涂塑防腐 防腐效果较好内表面衬水泥砂浆 外表面喷锌再涂沥青 防腐效果较好混凝土结构 防腐性能一般抗变形性能可延性好 不易爆裂 抗变形能力好可延性好 抗变形能力一般抗变形能力较好 不易爆裂抗震能力强度高 抗变形能力好柔性接口抗震能力好抗震能力强抗二次污染内防腐不易长久 易生锈易堵塞阀门水表 滋生铁锈无目前应用情况广泛使用广泛使用长距离、高工压、输水工程中广泛应用经综合分析比较后 设计内水压力 沿长尾沟沟道阶地、水洛河、南洛河河滩地行进的管段 管基较为稳定的管段采用球磨铸铁管 以降低工程投资 而余湾乡山梁上下坡段、隧洞进出口上下坡段、隧洞进出口上下坡段管基为自重湿陷性黄土 其地基不均匀沉陷对管道影响较大 故以上段管材采用钢管综上所述 设计内水压力 的管段 除余湾乡山梁上下坡段、隧洞进出口上下坡段、隧洞进出口上下坡段管段采用钢管外 其余管段均采用球磨铸铁管 设计内水压力 的管段采用钢管 见表 管道水力计算 沿程水头损失()式中 水流沿供水管线流动的沿程水头损失 供水管道长度 供水管道单位管长的水头损失/系数 本工程取值 供水管道的流量/供水管道管道内径 本工程局部水头损失按其沿程水头损失的计算 沟道、河道水深计算()输水线路管道埋设涉及小岔沟、南河、葫芦河、水魏沟、长尾沟、水洛河、南洛河 条 河床冲刷洪水按输水建筑物校核洪水对应流量 本次取 条主要河(沟)道实测水文横断面 其中小岔沟 条、南河 条、葫芦河 条、水洛河 条、南洛河 条 沟道、河道河床组成物为细砂、粗砂、砂砾石等 确定河床综合糙率为 (/)/()式中 当前河道平均糙率 当前河道平均过水断面面积 河道平均水力半径 河道水面比降()沟道、河道水深及流速计算上 上 沿()式中 上、下、上、下上、下游河道过水断面的水 位、流速动能修正系数本工程取值为表 输水管道管材、管径及压力分段表点号设计管中心高程/设计流量/(/)管材选用管径/节点水压线(分段)高程/动水压差/静水压差/最大工作压力/设计内水压力/钢管 钢管 钢管 钢管 球墨铸铁管 球墨铸铁管 球墨铸铁管 球墨铸铁管 工程实践水利技术监督 年第 期 沿水流沿供水管道的沿程水头损失 沿 水流沿供水管道的局部水头损失(本工程没有阻水建筑物 不计局部水头损失)沿程摩阻坡度:()式中 谢才系数()式中 曼宁公式采用/依据上述基本资料和计算公式 推算管道埋设沟道、河道设计洪水对应水深、流速 沟道、河道河床冲刷计算公式如下()式中 当前河道的局部冲刷深度 计算处河道冲刷处的平均水深 河道的近岸垂线水流平均流速/河道泥沙的平均启动流速/与岸坡形状有关 本次取/计算结果见表 无压隧洞设计 无压隧洞洞身设计本工程输水线路无压隧洞总共为 条 分别为、隧洞 总长度为 隧洞在卧龙镇双河村处进洞 至朱店镇山庄王家村出洞(桩号 隧洞长 )隧洞在水洛镇阳屲山村附近进洞 至水洛镇王家山村附近出洞(桩号 隧洞长)、隧洞为 类、类、类围岩 隧洞的横断面采用三心圆拱型断面 净断面尺寸 (宽 高)、无压隧洞设计技术参数特性见表 隧洞结构计算()计算依据及计算方法依据相关规定 无压隧洞可采用结构力学方法进行计算 本次计算采用引水工程常规水工隧洞设计软件 该软件为同济大学隧道及地下工程研究所针对引水一期隧洞设计共同开发的一套隧洞计算分析软件 为常规水工隧洞设计分析程序 用于计算水工隧洞在设计荷载作用下的结构内力 并在引水一期工程中结合工程实际应用进行了修正 使用该软件进行隧洞衬砌和支护设计 其计算工况、荷载计算和组合、结构计算分析方法、参数取值等能够满足相关规范要求根据工程地质勘察及试验研究 选取的围岩物理力学参数见表()计算工况及荷载组合结合实际情况 按照运行期及施工期工况 选用以下荷载组合计算:表 河流冲刷深度计算沟道名称水文纵断编号冲刷处的水深/平均流速/(/)泥沙启动流速/(/)系数 床沙的中值粒径/河道冲刷处的水深/局部冲刷深度/近岸垂线平均流速/(/)小岔沟 南河 葫芦河 表 、无压隧洞工程特性表名称长度/纵坡糙率流量/(/)水深/流速/(/)净空高度/净空面积比/隧洞型式断面尺寸 /隧洞/三心圆 隧洞/三心圆 年第 期水利技术监督工程实践表 围岩物理力学参数围岩天然密度/(/)抗剪强度内摩擦角/()凝聚力/变形模量/压缩模量/泊松比 围岩坚固系数 类 类 类 类 基本组合(土洞段):垂直围岩压力 侧向水平围岩压力 衬砌自重 内 水 压 力 外 水压力基本组合(岩石洞段):垂直围岩压力 围岩弹性抗力 围岩弹性抗力产生的摩擦力 衬砌自重 内水压力 外水压力特殊组合:基本荷载 灌浆压力()荷载计算山岩压力计算:()()式中、侧向围岩压力/围岩重度/坍落拱高度 围岩坚固系数 围岩内摩擦角()开挖隧洞的宽度 开挖隧洞的高度 根据地质资料显示 本工程、隧洞进口及洞身段 围岩中基本无地下水 因此不计外水压力、隧洞出口段围岩处于地下水位以下 呈饱和状态 内水压力由洞内水面线确定 根据文克尔假定法则 地层弹性抗力 和衬砌的变位 成正比 即:在岩石洞段考虑适当的考虑弹性抗力 土洞段不考虑弹性抗力 本次设计按照顶拱 范围灌浆压力 进行结构复核 衬砌容重取/对钢筋混凝土结构按照其所处环境类别进行限裂计算 按照规范本工程为二类工作环境 钢筋混凝土结构的允许裂缝宽度为 隧洞内力计算成果见表 选取 洞段计算结果做内力图如图 所示图 土洞断面轴力图图 土洞断面弯矩图图 岩石断面轴力图图 岩石断面弯矩图工程实践水利技术监督 年第 期表 隧洞内力计算成果表隧洞名称岩性围岩类别荷载工况底板跨中侧墙底顶拱跨中轴力/弯矩/()轴力/剪力/弯矩/()轴力/弯矩/()隧洞 黄土状土类运行期 施工期 饱和黄土状土类运行期 施工期 粘土岩、泥岩类运行期 施工期 隧洞 黄土状土类运行期 施工期 饱和黄土状土类运行期 施工期 粘土岩、泥岩类运行期 施工期 洞内排水、防水设计当隧洞通过中、强湿陷性土层时 加强防渗处理 除隧洞段间设“”橡胶止水带外 背水面加设 厚全封闭防水板 其它设计当隧洞含有腐蚀性地下水时 支护衬砌混凝土均采用 抗 酸 水 泥 并 在 隧 洞 支 护 衬 砌 间 加 设 厚全封闭防水板对富含地下水的软岩洞段和所有土洞段 为防止出碴机械行走导致钢拱架下沉在洞底紧跟掌子面铺设 厚干硬性 混凝土垫层 无压隧洞洞脸设计 洞脸永久边坡内容及边坡级别本工程、隧洞为 级建筑物 边坡失事后对供水任务可造成较严重危害 根据规范 划分隧洞进出口洞脸边坡为 级边坡 洞脸永久边坡稳定性评价、隧洞进、出口山坡表面为上更新统风积()马兰黄土 属自重湿陷性黄土 自然边坡约 现状边坡稳定 在本次隧洞开挖过程中 马兰黄土永久边坡按 进行开挖 根据工程类比分析结果 对隧洞进出口边坡综合评价为边坡稳定 调蓄水池设计南坪调蓄水池位于南洛河右岸级阶地上 场地地层岩性自上向下依次为:第四系 冲洪积黄土状土、冲洪积砂卵砾石、新近系中新统 粘土岩 黄土状土层厚 结构疏松 厚度变化大 且具弱 中等湿陷性 不推荐做蓄水池主要建筑物持力层 砂卵砾石层厚度 层位稳定 结构稍密 中密 为良好的建筑物持力层 下伏基岩为新近系中新统()粘土岩 亦为良好的持力层 地下水一般埋深 南侧埋深较大 约 最大 北侧靠河道埋深较浅 约 水质较好对普通硅酸盐水泥无腐蚀性 水池需做防渗处理同时基坑需做排水调蓄水池池底置于场地粘土岩层中 该地基层分布连续 层位较稳定 调蓄水池迎水面边坡为 背水面边坡为 池堤填方段清除表层黄土状土和松散砂卵砾石层后采用振动碾分层碾压 填筑料为砂砾石 相对密度不小于 池顶设有钢筋混凝土防浪墙和环绕池顶的 混凝土路面交通道 池顶宽度取 穿越调蓄水池池堤的取水管采用钢管 放空管采用 钢丝网骨架 管管道在清除表层覆盖层后的砂砾石地基内开挖管槽 基础采用原基平面夯实 之后进行管道铺设 管槽及池堤土方填筑 结语本文通过管材比较、经济性(下转第 页)年第 期水利技术监督工程实践一部分庭院综合治理 打造宜居环境改善群众生活质量 乡村环境治理措施播州区实施“乡村环境整治 ”治理 以水源保护为中心 构筑 道防线 突出小流域内治污治水与生态环境整治间的结合 在乡村振兴和高质量发展的要求下 生态清洁小流域才能与时俱进 建设生态系统良性循环 实现人口、资源、环境协调发展的清洁小流域 生态清洁小流域项目区不能随意选择 而且不能仅依靠国家投资 否则达不到预期效果 也无法起到以点带面的作用 应根据项目资金实施微型小流域治理或整合其他生态治理类项目进行联合实施 切实保障治理效果改善乡村人居环境 结论()“坡面水系连通 ”治理模式中 坡耕地水土流失综合治理在改善坡耕地水土流失问题、农业生产条件、产业结构调整等方面有不可替代的作用 根据历年实施坡改梯项目效益分析 建设后第二年开始发挥效益 土壤肥力明显持续 配套的水系发挥显著作用 可提高农作物亩产值 对下游的水源地和饮用水也能起到间接保护作用 同时 坡改梯项目的实施 可解决城镇化范围拓展引起的国土空间占补平衡问题()“乡村环境整治 ”治理模式是新时代发展的必然选择 以水源地保护为主线的生态清洁小流域在推动巩固脱贫攻坚成果同乡村振兴有效衔接基础上 融合河湖水系治理及农村水环境综合整治因地制宜 建设基础设施和庭院整治 改善农村人居生态环境 实施农村生活污水收集处理设施建设 宣传引导群众减少农药使用 减少农村面源污染 实施河湖生态治理 保护饮用水安全 同时结合当地特色文化和优势农产品 以文化引领 推广种植培养优势农产品 助力乡村旅游发展建设美丽中国()生态清洁小流域实施以微型小流域为主系统规划清单式治理 构建“治理一片、见效一片、受益一片”的模式 通过打造水土保持主题公园或示范园为载体 可有效解决投资小但治理面积大等难题 同时 引入社会资本参与建设 以旅游促增收 让绿水青山真正变成金山银山参考文献 林敬兰 汪小钦 岳辉 等.基于关键表征指标的长汀县水土流失治理成效分析.亚热带水土保持 ():.孙晓燕.海城市坡耕地水土流失治理中水土保持监测研究.陕西水利 ():.李永生.建平县嘎岔沟小流域水土流失综合治理措施与成效.水土保持应用技术 ():.刘瑞龙 陈芳 夏妍 等.新时期湖北省水土保持形势与任务对策研究.水利技术监督():.田甜 杨宪杰 陈知送 等.垦造水田设计中的水土保持理念及应用实践.广东水利水电 ():.禹敦臣.引导民间资本参与水土流失治理的对策建议.中国水土保持 ():.刘富平 胡治军.板桥河生态清洁小流域综合治理思路探讨.水土保持应用技术 ():.王春明 王文冬 高晓薇 等.某生态清洁小流域治理与综合效益分析.水利技术监督():.(上接第 页)比较等选定输水管道材质 通过管道水力计算与河道水深计算等得到管道水力损失大小及河道冲刷深度 通过隧洞洞型选择及结构计算、防水、排水等设计得到隧洞设计方案 该引水工程的建设对于尽快解决当地生活及生产用水紧张状况 有效缓解区域社会经济快速发展的用水矛盾 以及对当地乡村振兴发展具有重大意义参考文献 林诗然.鉴江供水枢纽供水管道运维分析.水利技术监督():.卢娟华.输水隧洞设计分析和计算.湖南水利水电():.刘世刚.高洪水库输水隧洞设计.山西水利科技():.杨春宝 胡国志 李凌志 等.深埋输水隧洞硬岩岩爆防控技术研究.水利规划与设计():.武松 韩健 袁葳 等.引江补汉工程超长深埋有压输水隧洞设计.中国水利():.水工混凝土结构设计规范.水利水电工程边坡设计规范.张丰良.隧洞洞线与洞型的选择要点.石河子科技():.吴惠生 易立 庄严.兰河引水工程隧洞设计.东北水利水电():.高章荣.内水压力作用下 层衬砌输水隧洞结构受力分析.水利技术监督():.