穿河倒虹吸抗洪减震的设计理念及应用

□ 李恩义 许韧初

一、概述

目前在我国水利工程中，已经建成或正在建设的穿河倒虹吸数量众多。其穿河结构形式通常采用“埋管（无防护坝）式”、“桥管式”和“埋管（有防护坝）式”等三种。

那么，应该依据怎样的设计理念，去选择倒虹吸的穿河结构形式呢？本文将通过作者亲身参与建设的流沙河两河口倒虹吸工程实例，对这个问题做一番实质性的探讨。

汶川大地震之后，为解决整体搬迁的汉源新县城居民生活和沿途工农业生产供水的需求，国务院于2010年拨专款兴建永定桥输水工程。

流沙河属于大渡河的支流，位于四川省雅安市汉源县境内，其流经该县富庄镇两河口下游187m的位置，就是永定桥输水工程两河口倒虹吸的穿河轴线位置，其底部埋设的穿河倒虹吸钢管长度为82m（底部直线段长度，未计下河斜坡段长度）。

倒虹吸流水方向为：石岗山隧洞出口及其暗渠→流沙河两河口倒虹吸（含左岸山体及河滩段、河床段、右岸共计三大段）→寨子山隧洞进口。参见图1。

图1 流沙河两河口穿河倒虹吸相对位置示意图

流沙河两河口倒虹吸全长2 015m，采用900mm直径钢管进行全程双管布置。其中：左岸山体及河滩段长度为1 450m，右岸长度为483m，河床段长度为82m，本文所述“穿河倒虹吸”特指此段长度为82m的直线段。参见图1

二、设计理念的由来

流沙河两河口穿河倒虹吸原设计为“埋管（无防护坝）式”穿河结构形式。

2010年5月，中标单位葛洲坝集团五公司项目部（以下简称“项目部”）进场后，通过查看本工程多年暴雨资料，得知流沙河是一条流量暴涨暴落极为强烈的季节性河流。并在随后不久就见证了这个暴雨资料的准确性：

2010年7月17日，流沙河上游流域发生了百年一遇的特大暴雨，仅仅48小时后就产生了超过800m3/s的洪峰流量（枯水期流量一般在20～30m3/s）。距离穿河倒虹吸位置下游350m处的一座大桥，其围护左岸桥基上下游两侧约50m范围内的混凝土浆砌石河堤被彻底冲毁，洪水撕裂了左岸桥基与陆地的连接，出现了宽度达到10cm以上的贯穿性裂缝。

地方政府在洪水过后及时对损毁部位进行了加固处理，特别是在特大洪水过后的当年枯水期至次年汛期之间，在大桥下游主河道55m处修建了一座拦河钢筋混凝土防护坝：利用坝体阻挡洪水并溢流，使得该坝体至大桥附近范围形成相对静水区，从而大幅度削减了洪水对左岸桥基与河堤的冲击动能。经过2011、2012和2013年三个汛期的运行考验，该防护坝运行良好，被保护的左岸桥基、护岸河堤及其他修复部位运行良好。

由于该大桥与两河口倒虹吸位于同一条河流（流沙河）上，且距离仅为350m，完全处于同一个暴雨形成区域，任何时间段内几乎在承受同一个流量的冲击能量。因此，大桥下游的防护坝完全可以视为两河口倒虹吸工程一个成功的生产性防护试验坝。

于是，项目部借鉴大桥下游防护坝消能的成功经验与汶川大地震的损毁教训，引申到本工程为“防护坝抗冲”的抗洪设计理念与“外部柔性材料＋内部优质16Mn钢管＋钢筋石笼宣泄口”的组合式减震设计理念，撰写了《流沙河两河口“埋管（有防护坝）式”穿河倒虹吸设计及施工方案》，上报监理和业主单位。

三、设计理念的探讨

监理和业主单位对项目部上报的方案极为重视，邀请了多位水利专家进行联合审查；并组织本工程各个参建单位的技术负责人召开多次专题会议，对三种穿河倒虹吸在适应性、重要性、施工可行性和资金用量等设计理念范畴内的各项重要指标进行了充分的探讨和论证。论证的主要内容是：对“埋管（有防护坝）式”的穿河倒虹吸除了进行定性分析之外，还进行了模型试验的演算与理论分析；对“埋管（无防护坝）式”及其“桥管式”穿河倒虹吸只做定性分析。为清晰起见，将探讨和论证融入各自的“优点”和“缺点”进行叙述：

（一）“埋管（无防护坝）式”

1.优点

施工项目仅为开挖及埋管，简单易行，没有互相干扰问题；建设资金投入不多。

2.缺点

（1）洪水的毁灭性影响。随着流沙河水流、泥沙及其石块的不断侵蚀，特别是汛期洪水暴涨暴落形成强大的冲击动能与势能，将迫使倒虹吸钢管不可避免地产生裸露→位移→变形→损毁。并连带危及右岸寨子山底部、左岸河滩下河段倒虹吸钢管的安全。从而导致整个永定桥输水工程终止运行。因此，洪水对“埋管（无防护坝）式”结构将产生毁灭性影响，坚决不能采用。

（2）地震的重大影响。一旦遭遇震级与烈度较大的地震，强烈的地震波能量将迫使在没有防护条件下的倒虹吸管道产生位移、扭曲等破坏现象，从而导致倒虹吸管道变形、漏水直至损毁。因此，地震对“埋管（无防护坝）式”结构将产生重大影响，也不能采用。

（3）使用寿命将会因为洪水与地震的不设防而大为缩短。

（二）“桥管式”

1.优点

不受洪水影响；对钢管材质要求不是太高；技术可行；施工不复杂。

2.缺点

“桥管式”中的“桥”不是公路桥，其宽高比决定了抗震性能差。而流沙河流域恰恰距离汶川地震带很近，可以基本认定流沙河流域属于地震带活跃区域（施工期间的雅安地震就是证明）。因此，如果采用“桥管式”结构的穿河倒虹吸，地震将是致命影响，应该否决。

（三）“埋管（有防护坝）式”

对于“抗洪”，采用水工模型试验与理论分析相结合的办法进行设计：

首先根据两河口倒虹吸河床实测地形资料和水文资料，结合理论分析作出此处属于水流阻力平方区、且满足重力相似和紊动阻力相似条件的判断，建立一个尽可能与两河口河床在洪峰流量状态下的水力学条件相似模型：

取当地水文站实测资料百年一遇洪峰流量为QP=826m3/s、流速为VP=8.78m/s；取长度比尺为λL=20,得出模型流速为VM=VP/λV=VP/√λL=8.78/√ 20=8.78/4.472=1.963m/s； 模 型 流 量 QM=QP/λq=QP/λL2.5=826/202.5=0.462m3/s.

然后根据模型流速和模型流量，可以得到防护坝坝体迎水面所受的最大冲击力FP：

FM=1/2×H2r+ma=1/2×H2r+r QM t×VM/t=r(1/2×H2+QM×VM)

由λF=λL3， λF =FP/FM，，代入上式得：

FP=λF×FM=λL3×r(1/2×H2+QM×VM)

式中：取水的容重r=1；2010年7月实测最大水深H=3.3m,代入得 FP=5.08×105kn.

最终根据这个FP数值、百年一遇洪水标准和面板溢流坝的其他相关技术参数（因涉及“抗洪”的份量不大，且限于本文篇幅，故从略）去进行防护坝的设计，做出“抗洪”的最终布置，参见图2.

对于“减震”，采用“内刚外柔”的思路进行设计：

由于地震的发生存在相当的复杂性和不确定性，工程界至今尚无成熟的力学模型和计算公式应用于各类工程。基于这种现实，采用力学平衡原理进行假设和推导，对两河口倒虹吸工程进行“内刚外柔”的减震设计，力求将地震对倒虹吸管的破坏程度降到最低。

“内刚外柔”减震设计的要点是：

1.“内刚”的原定钢管壁厚为20mm，在专题会议上一致决定改为25mm。

2.“外柔”结构力求简单、规则、对称，故采用正梯形结构；“外柔”所用材料尽可能柔和并且各向同性，故采用粒径为30mm的砾石材料。

3.具有明确的理论分析、计算简图（参见图3：具体假设、推导和计算过程从略）。其主要计算结果：

震后表象推测：就像什么也没有发生过（相当于承受5级以下地震）。

按“弹性地基”、“地下埋管”、“正常工作”状态，计算得出管壁应力值σ＝77.58MPa,查得相同状态下规范允许应力[σ]＝122.78MPa，二者之差[σ]－σ＝45.2MPa就是衰减之后“足够大”的容许地震应力，我们表征为：σ中≦[σ]－σ＝45.2MPa.

震后表象推测：钢筋石笼处有豁口、但防护坝和钢管安然无恙（相当于承受5～7级地震）。

（3）当σ中很大时：一旦σ中与σ叠加达到或超过规范允许应力[σ]＝122.78MPa，也无需太过担心，因为此时尚存最后一道“内钢”屏障：钢管16Mn钢材的[σ]允许高达214MPa，这之间还有214－122.78≈90MPa，应该可以抵挡大级别的地震。

震后表象推测：钢筋石笼处有大豁口、防护坝盖板与溢流面局部损毁、防护坝出现裂缝、砾石柔性层局部扰动、但钢管应该无恙（相当于承受8级及以上级别地震）。

4.具有明确的结论：钢管的埋设位置是：基坑1:1边坡正梯形砾石回填部位的几何中心位置（距离砾石顶部与底部均为1.21m、距离两侧边坡均为1.2m、两根钢管之间距离2.4m）；砾石回填密实之后的厚度为2.42m，其密实度＞90%；两根钢管～“宣泄口”钢筋石笼的距离分别为4.54m和6.46m。

根据以上设计要点及计算结果，并统筹考虑与防护坝的协调性，做出“减震”的最终布置。我们来看图2“埋管（有防护坝）式”的结构组成：

5.优点

（1）对特大洪水的消能

在原河床线与防护面板交接处，特意留出顶宽为3.5m的缺口，布置钢筋石笼压住边坡与原土回填的起始顶部。

从图2中可以看出：当特大洪水来临时，首先由钢筋石笼进行初步消能，同时由于钢筋石笼的透水性能好，对底部的回填原土及砾石层起到了反滤作用，有效地保护了回填砾石体内的穿河倒虹吸不受冲击。

图2 流沙河两河口穿河倒虹吸与防护坝结构布置剖面图

当洪水越过钢筋石笼，下掏的势能则被穿河倒虹吸顶部设置的厚度为50cm的C40钢筋混凝土防护面板牢牢锁住；前冲的动能则被下游设置的C30钢筋混凝土重力防护坝死死抵住，这样，在防护面板和防护坝体的共同作用下，大幅度消减了洪水的能量。

（2）对地震波的衰减

从图2和图3中可以看出：倒虹吸钢管和砾石层组成了一个“内刚外柔”的联合体（钢管采用攀钢生产的特级优质16Mn钢材，壁厚25mm），当地震波来临在还没来得及进入钢管之前，就被外层的回填砾石层尽量“照单全收”，剩余进入倒虹吸钢管的地震波则属于被严重衰减之后的地震波。

即使遭遇8级及其以上的特大地震，“内刚外柔”联合体一旦接受不了过多的地震波能量，图2设计的钢筋石笼位置就是一个地震波多余能量的宣泄口，这个宣泄口既可以使得“内刚外柔”联合体只做弹性脉动，而不是刚性破坏；又可以使得顶部C40钢筋混凝土防护面板避开大部分的地震波能量，从而可以大概率得以不致被破坏，局部小的破坏可以在震后修复加固（参见图2、图3）。

当然，地震效应是复杂的，不能说按图2布置就一定能够保证穿河倒虹吸万无一失。重要的是：合理的设计与高质量的施工可以有效地衰减地震效应，这一点是毫无疑问的。

（3）延长使用寿命

按照图2进行穿河倒虹吸布置，既彻底抵抗了洪水的冲击能量，又高效衰减了地震波能量，这就自然而然地连带产生了另外一个优点，那就是：可以延长穿河倒虹吸的使用寿命（设计使用寿命50年）。

6.缺点

图3 两河口穿河倒虹吸钢管地震受力分析图

造价比较高：流沙河两河口“埋管（有防护坝）式”穿河倒虹吸的造价达到了1 245万元，是“埋管（无防护坝）式”的5.76倍，或者是“桥管式”的2.42倍。

表面上看造价的确较高，但由于本工程的重要性与特殊性（政府要求在百年一遇洪水或者8级以内地震的情况下确保供水），在大概率发生洪水和地震危机的流沙河建造这样高级别的穿河倒虹吸，是物有所值的。

四、设计理念的应用

由于业主和专家组的高度重视和评价，业主决定取消原设计，同时要求设计单位以项目部上报的《流沙河两河口“埋管（有防护坝）式”穿河倒虹吸设计及施工方案》为蓝本进行重新设计和完善，本文的图2就是经过完善之后最终的设计图纸（部分）。

流沙河两河口穿河倒虹吸于2013年2月15日开始施工，至2013年6月28日顺利施工结束，期间于2013年4月20日上午8时02分在进行基坑防护坝钢筋架设时遭遇雅安7级地震，现场工人反映震感强烈，所幸没有造成大的损毁。

在施工结束后的不久（2013年7月25日）就接受了一次汛期洪峰流量达到580m3/s的洪水考验，根据现场勘查和检测，穿河倒虹吸顶部面板、防护坝坝体以及钢筋石笼等建筑物运行良好，消能效果良好，证明了设计理念的正确性。

当然，建成后的两河口倒虹吸对地震波的衰减效应还有待于今后的实践检验，但我们认为会有一个好的效果。

五、结束语

对于类似于流沙河这样暴涨暴落极为强烈、同时还处于地震频繁活动带流域的季节性河流，其穿河倒虹吸必须采用“埋管（有防护坝）式”；尽量不采用“桥管式”；杜绝采用“埋管（无防护坝）式”。

对于暴涨暴落不强烈、所处流域没有明显地震活动带的河流，其穿河倒虹吸建议采用“桥管式”；慎重采用“埋管（无防护坝）式”。

对于没有暴涨暴落、所处流域没有地震活动带的非季节性河流，其穿河倒虹吸建议采用“埋管（无防护坝）式”。