西藏仁布县乌友灌区16号冲沟方案比选

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(重庆市渝西水利电力建筑勘测设计院， 重庆 永川 402160)

1 工程概况

乌友灌区地处仁布县西南部，距仁布县15km，位于切娃乡境内。切娃乡下辖8个行政村，共949户、6478人，2010年粮油总产量为91.96万kg，牲畜总头数为2.4138万头(只、匹)，国内生产总值为1233.7万元，人均年纯收入为2215元。本次工程范围为乌友灌区3个子灌区，均为半农半牧区，无工业。灌区涉及切娃乡4个村(切娃村、奴达村、加雄村、普纳村)的农田灌溉引水任务。

乌友灌区地处半干旱区，由于受雅江气流影响，降水量均高于仁布县其他乡镇，多年平均降水量451.2mm，但蒸发量1612.2mm，是降水量的3.57倍。灌区农业生产水平很低，干旱缺水是制约项目区农业发展的主要因素。在无灌溉系统的情况下，每年播种面积的多少和产量的高低，都与降水量密切相关。例如：多雨年份，青稞亩产250～457kg；而干旱年份亩产只有105～140kg，有时甚至绝收。项目区在丰水年(1991年)粮食产量达到100多万kg，而在枯水年(1983年)粮食产量仅有23万kg。当地有“一旱两年灾”的说法。目前该灌区虽有部分浆砌石渠道和灌区群众自发修建的临时土渠，但由于该灌区主要地貌类型为河流侵蚀堆积地貌、山麓斜坡堆积地貌、构造剥蚀地貌，冲沟发育且较多，导致沿途分布有25条冲沟，多数冲沟切割较深，已致使部分原有渠道中断，其中，尤以16号冲沟最为严重，如图1所示。该灌区工程性缺水，水量保证率无法满足，目前有效灌溉面积仅为271.6hm2，且灌溉保证率低，无法满足灌区农业生产发展的需要。配套和完善乌友灌区工程，需将灌溉水利用系数由0.3提高到0.57，农、经济(西瓜)作物灌溉设计保证率达到75%，林、草地灌溉保证率达到50%；同时，通过调整种植结构，使得灌区设计水平年总灌溉面积达到800hm2。

图1 16号冲沟现状

2 16号冲沟跨沟方案的选择

位于乌友灌区奴达沟东2号干渠桩号11+213上的16号冲沟发育于山体沟谷中，呈“U”形(见图1)。地形较陡，平均纵坡降约为167‰，汇水面积较大，沟切割较深，而且越到下部越深，最深约有25m，宽一般10～25m，冲沟呈211°方向展布，抵至雅鲁藏布江，总长约1200m。在原渠线断开处沟宽约为24m，深21～24m。考虑到该冲沟切割较深，宽度也较宽，本冲沟渠系布置方案选择渡槽、倒虹吸及索桥三种渠系建筑物来进行比较。

3 渡槽方案

渡槽由槽体、排架和边墩构成，如图2所示。槽体由五跨构成，跨度分别为12.0m、10.5m、11m、10.5m、12m;槽体高0.95m,宽1.2m,边壁厚0.15m,槽底厚0.2m，由C25钢筋混凝土构成。排架由4个排架柱单元构成，高度分别为13.7m、23.6m、23.6m、13.7m；每个排架柱单元由4根50cm×50cm的C25钢筋混凝土支撑柱通过50cm×50cm的C25钢筋混凝土连接杆构成。边墩采用M7.5浆砌料石砌筑,底宽4.0m,高3.0m。

图2 渡槽方案纵剖面

4 倒虹吸方案

倒虹吸管输水流量按最大流量Q=0.56m3/s考虑,倒虹吸由进口段、虹吸段和出口段组成，如图3所示。进口段由沉砂池、闸室、进水室和镇支墩构成。倒虹吸管材料除2号镇墩至3号镇墩之间部分采用钢管外，其余部分均采用钢筋混凝土管，其总长为94m,转弯半径分别为3.0m、3.0m、5.0m、3.0m。出口段由镇墩和消力池构成，消力池长5.0m、宽2.0m,池深1.3m。

4.1 倒虹吸管管径计算

考虑有压管携沙流速，设计流速v=1.5m/s，经计算虹吸管管径为700mm。

4.2 倒虹吸管水头损失计算

经过计算：虹吸段局部水头损失和沿程水头损失之和为0.337m。

水面降落差ΔZ2=0.337m。

综上所述，虹吸管进口段起始断面至虹吸管出口段末水面总落差为：

ΔZ=ΔZ1+ΔZ2-ΔZ3=0.371m

5 索桥方案

管道索桥由横担、稳绳、吊绳、缆绳、拉绳、索塔、缆绳锚墩及相关连接构件组成，索桥长度70m,跨度30m，如图4所示。横担采用[16a槽钢制作，上部放置∠50×5角钢并铺设5mm厚钢板网作为安装检修便道；所有绳索连接器具均按照相关规范要求连接，缆绳和稳绳均设置松紧装置；索塔高10m,单边索塔由两个立柱组成，单个立柱主截面1200mm×800mm，采用C25钢筋混凝土现场浇注；锚墩尺寸2m×2m×2m，缆绳锚于缆绳锚墩内，锚墩埋地深度大于2m，确保索桥稳定。过水钢管采用钢筋配合螺栓固定于横担上，绳索将横担拉起，通过松紧装置调整索桥下坠高度和受力情况。

图4 索桥方案纵剖面

5.1 缆绳计算复核

由于索桥为非标不过人索桥，在偏于安全的情况下，为简化计算，先假定主缆绳和吊绳稳定运行后的线形，再根据假定线形反算各缆绳受力情况，根据各缆绳受力情况，复核缆绳是否满足要求。

由于管索桥两侧及上下游结构对称,假定主缆绳和吊绳稳定运行时线形关系如图5所示：

图5 主缆绳和吊绳稳定运行线形关系

荷载取值：

供水管为DN400钢管，视跨冲沟段送水钢管及相关连接设施重量全部为钢缆绳,相关材料自重如下表所示：

索桥自重表

材料自重：2867.538kg，取30kN。

管内水重：

0.2145m×0.2145m×3.14×30m×1000kg/m3=4334.2kg, 取45kN。

两根主缆绳承受竖直方向总荷载为：(30kN+45kN)×1.2=90kN。

单根主缆绳承受竖直方向总荷载为：45kN。

为便于计算，取单边缆绳进行计算，视所有荷载均布于钢管上，采用清华大学土木系结构力学教研室研制的《结构力学求解器》进行求解，如下页图6所示：

主缆绳：φ34钢丝绳，截面积A=907.46mm2，EA= 1633428kN。

吊绳：φ11钢丝绳，截面积A=94.985mm2，EA=170973kN。

供水管：DN400mm钢管，外径429mm,内径413mm，截面积A=94.985mm2，惯性矩I=π(D4-d4)/64=2.34×10-4m4，EA=189970kN，EI=2.34×104kN/m2。

经计算：

主缆绳最大拉力：(1)、(12)单元，最大拉力Fmax=91.46kN

图6 建模图

吊绳最大拉力：(13)、(23)单元，最大拉力Fmax=10.38kN

钢管最大弯矩：(28)、(29)单元，最弯矩Mmax=68.221kN/M

结构最大位移：(24)～(23)单元，最大位移μmax=0.011m

缆绳复核结论：

主缆绳选用φ34钢芯钢丝绳(钢丝绳公称抗拉强度1870MPa)，最小破段拉力F=717kN，大于7倍主缆绳最大拉力。满足规范要求。

吊绳选用φ11钢芯钢丝绳(钢丝绳公称抗拉强度1870MPa)，最小破段拉力F=75.1kN，大于7倍吊绳最大拉力。满足规范要求。

钢管计算最大弯矩Mmax=68.221kN/M，实际采用[16a槽钢作为横担，可以满足要求。

结构最大位移μmax=0.011m，管索桥主缆绳计算线形为假定线形，实际使用中，主缆绳线形较计算线形稍有下坠，对缆绳受力情况计算结果影响不大。

5.2 索塔倾覆计算复核

在偏于安全的情况下，为简化计算，去单侧索塔进行抗倾覆计算。索塔采用C25钢筋混凝土浇筑，单侧索塔自重G=18.6m2×0.8m×25kN/m3=372kN。

索塔倾覆弯矩：W=27.1kN×10m=271kN·m。

索塔抗倾覆弯矩：

W抗=85.9kN×4.1m+372kN×3.5m=2604kN·m>W=271kN·m

索塔不会倾翻。

5.3 索塔抗滑计算复核

索塔水平拉力f水平=27.1kN，索塔基础埋深2m，索塔不会发生滑移。

5.4 索塔基础承载力复核计算

索塔基础面积为A=10.08m2,基础总荷载为：N=85.9kN+372kN=457.9kN。

索塔基础压应力为：N/A= 45.43kPa<[δ]地基承载力=100kPa。

索塔地基承载力满足要求。

6 方案比选

通过造价计算，渡槽造价为68.50万元，倒虹吸造价50.57万元，索桥方案投资为64.08万元。由于渡槽空间跨度大、排架高、施工难度大，故对地基承载力要求较高。倒虹吸上下游水头差不大，冲沟冲淤问题不容易解决。因此，最终确定索桥方案为16号冲沟渠线布置方案。

7 结 语

西藏自治区境内大部分山高谷深，山峦起伏，沟壑纵横，河流密布。地貌上属构造剥蚀地形和剥蚀堆积地形，山谷间冲沟发育，在此类冲沟上布置渠系建筑物，需慎重选择。本文通过仁布县乌友灌区16号冲沟的方案比选，希望能给其他类似工程提供一些经验。

1 重庆市渝西水利电力建筑勘测设计院.西藏仁布县乌友灌区工程可行性研究报告[R].2011.

2 JTJ xxx—2002公路悬索桥设计规范[S].

3 JTJ 023公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

4 GB/T 17101桥梁缆索用热镀锌钢丝[S].

5 GB 11352一般工程用铸造碳钢件[S].

6 GB 7659焊接结构用碳素钢铸件[S].

7 YB/T 3077合金铸造钢[S].

8 SL 191—2008水工混凝土结构设计规范[S].

9 JTJ 024公路桥涵地基与基础设计规范[S].