千岛湖配水工程渌渚江倒虹吸管布置优化设计

李进，房敦敏，陈永红

（1.杭州市千岛湖原水股份有限公司，浙江杭州，310016；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州，311122）

千岛湖配水工程渌渚江倒虹吸管布置优化设计

李进1，房敦敏2，陈永红2

（1.杭州市千岛湖原水股份有限公司，浙江杭州，310016；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州，311122）

杭州市千岛湖配水工程渌渚江倒虹吸段地质条件较差，周边影响因素较多。对倒虹吸管原设计布置方案进行了优化设计，将右岸台地段输水钢管抬高5 m，并从结构稳定性与施工条件对原方案与优化方案进行综合比较分析，认为优化方案可行且具备明显优势。优化方案较原设计方案土方开挖及回填量均减少13万m3，工期可减少3个月，且开挖料临时堆场规模减小，有利于环境保护。

倒虹吸；基坑；不均匀沉降；优化设计

1 工程概况

杭州千岛湖配水工程渌渚江倒虹吸管段明挖基坑长约833 m，原设计基坑最大深度约18 m，最大宽度约80 m。基坑开挖深度范围主要为含砾石粉质粘土、青灰色粉质粘土及含泥砂砾石层。含砾石粉质粘土与含泥砂砾石层多属中等透水性。

渌渚江倒虹吸管段按照明管设计，钢管及加劲环材质均采用16MnR钢，抗外压稳定安全系数要求均大于1.8。钢管内径5 m，钢衬壁厚22 mm，每间距3 m设置一道加劲环，加劲环厚度22 mm，高30 cm。

渌渚江倒虹吸管段钢管外包C25混凝土，并布置一圈防裂钢筋。基岩面以上主河槽段埋管外包混凝土厚1.0 m，其余段0.8 m。钢管基础坐落在强风化基岩上。

原深基坑设计、施工方案将占用大量农田，存在基坑边坡易失稳、基坑排水难度大、汛期易被江水淹没、需大量临时借地用于堆放开挖料，干扰当地的正常交通、生活等不利因素。为加快工程建设进度，减少施工对环境的不利影响，有必要对基坑设计、施工方案进行优化调整。

2 原设计布置方案

2.1 总体布置

渌渚江河道底高程为2.0～3.1 m（黄海高程系），江底管道水平段底高程-8.3 m，左右侧滩地段地面高程一般为10～11 m，埋管底高程-3.0 m，基坑最大深度约18 m，最大开挖宽度约80 m。

沿基坑两侧开口线5 m范围处各布置一排高喷防渗墙，高喷防渗墙两端向山体延伸至地下水位以上，墙体渗透系数要求≤5×10-5cm/s，抗压强度≥5.0 MPa，有效墙厚不小于0.8 m，孔距1.0 m，钻孔的孔底至基岩面以下0.5 m。此处基岩面主要是含泥砂砾卵石与全强风化粉细砂岩的交界面。

原设计倒虹吸管横剖面布置详见图1。

2.2 施工存在的问题

（1）基坑防汛难度大。渌渚江倒虹吸段重现期5年的洪水流量达1 124 m3/s，非汛期重现期5年的洪水流量达400 m3/s，水位达高程10.7 m。渌渚江倒虹吸段水位受富春江水位顶托，汛期水位较高，右岸地势低洼，施工期较长时，基坑存在被洪水淹没的可能。

（2）基坑排水难度大。由于右岸台地段地下水位埋深较浅，埋管基坑面积大，开挖深度15.5～18 m，基坑边坡主要为含砾石粉质粘土与含泥砂砾石层，多属中等透水性，基坑施工期风险（边坡稳定、截排水）较大。由于施工需分区开挖，高压旋喷注浆防渗墙形成的封闭圈难以完全避免江水内渗，深基坑下渗水较大，基坑排水难度大大增加。

（3）对土地、环境扰动大。基坑开挖土方量（含砂砾卵石）超过40万m3，土方填筑所需填筑料考虑从开挖料中选取，开挖料堆放在临时堆料场暂存，填筑需要时再从堆存点回采。由于土方开挖量大，且大量为含砾粉质粘土，开挖料临时堆放难度大、对环境影响大。

3 优化设计方案布置

渌渚江倒虹吸段右岸台地宽度约550 m，原设计方案将埋管布置在强风化下限地层，需进行深基坑、大面积开挖。根据前期钻孔勘探和施工期补充勘探成果，右岸台地基岩上方为厚度6～7 m含泥砂砾卵石层，呈稍密～中密状，变形模量约20 MPa，地基承载力较高，特征值fak=300 kPa。

国内修建在覆盖层上的水工建筑物工程实例众多，如南水北调配套工程南干渠工程区所在北京地区属华北地层分区，场区内均被第四系全新统冲洪积层覆盖，其沉积物主要为永定河冲洪积物，采用地下暗涵型式，地下暗涵坐落在卵石层上。又如四川康定小天都水电站，装机容量24万kW，坝基覆盖层为漂卵石夹砂，最大深度达101 m，最大闸（坝）高39 m，闸（坝）修建在覆盖层上，至今已安全运行10多年。

因此，修建在覆盖层上的水工建筑物只要统筹解决好基础承载力和不均匀沉降问题，就能将建筑物基础上抬，减少开挖、加快工期。优化方案主要考虑将右岸台地段钢管整体上抬5 m，埋管基础坐落于含泥卵砾石层上，具体如下。

右岸台地段钢管69+904.5～70+372.5 m段整体抬高5 m（上方已建天然气管道影响段仍维持原设计），基础坐落在含泥砂砾卵石层上。倒虹吸段借鉴河床式水电站压力钢管穿越厂坝结构缝时，跨缝段钢管外包弹性垫层，以适应厂坝之间不均匀变形，在跨渌渚江倒虹吸右岸输水钢管沿线，每隔100 m外包混凝土设一道横缝（伸缩缝），以适应不均匀沉陷，横缝内充填高压聚乙烯闭孔泡沫塑料。横缝两侧各5 m，紧贴钢管设置全包弹性垫层，垫层材料采用高压聚乙烯闭孔泡沫塑料，厚3 cm，单个全包弹性垫层段长度10 m。

倒虹吸管右岸台地段纵剖面布置及钢管外包垫层设计详见图2～3。

图1 倒虹吸管横剖面布置图（原设计方案）Fig.1 Layout of cross section of inverted siphon(original scheme)

图2 优化方案纵剖面布置图Fig.2 Layout of cross section of inverted siphon(optimized scheme)

图3 钢管外包垫层设计Fig.3 Design of steel pipe cushion

4 优化设计方案设计复核分析

4.1 埋管抗浮稳定分析

抗浮计算参照SL 285-2003《水利水电进水口设计规范》进水口抗浮稳定公式进行计算：

式中：

经计算，抗浮稳定安全系数Kf=2.19，外包混凝土的自重作用可保证钢管不会上浮，输水钢管的抗浮稳定与输水钢管的埋深没有关系，结构安全。

4.2 基坑边坡稳定分析

采用Rocscience系列Slide二维分析软件，对原方案与优化方案在基坑开挖过程中的渗流场与边坡稳定性进行分析。计算模型包括：原设计基坑开挖但无高喷防渗墙、原设计基坑开挖且有高喷防渗墙、埋管上抬且有高喷防渗墙。

选择基坑深度较大的倒虹管段为典型断面，经计算，各方案的基坑渗流场及上下游边坡滑弧面分布分别如图4～6所示。各方案基坑渗漏量及边坡稳定安全系数见表1。浮力之和（设计值），单位kN

图4 基坑压力水头等值线及边坡滑弧面分布（原设计基坑开挖、无高喷防渗墙方案）Fig.4 Pressure head contour of foundation pit and distribution of sliding surface(original scheme without high pressure grout⁃ing cutoff wall)

图5 基坑压力水头等值线及边坡滑弧面分布（原设计基坑开挖、有高喷防渗墙方案）Fig.5 Pressure head contour of foundation pit and distribution of sliding surface(original scheme with high pressure grouting cutoff wall)

图6 埋管上抬且有高喷防渗墙方案压力水头等值线及边坡滑弧面分布Fig.6 Pressure head contour of foundation pit and distribution of sliding surface(optimized scheme)

渗流及边坡稳定计算分析表明：

（1）原设计基坑开挖且无高喷防渗墙方案，基坑渗流量大，约96.80 m3/d（基坑沿管道方向每延米）。

（2）原设计基坑开挖且有高喷防渗墙方案，基坑渗漏量可降低至约14.59 m3/d（基坑沿管道方向每延米），渗漏量约减小85%，渗漏控制效果显著。由于防渗墙的渗控作用明显，边坡整体稳定安全系数略有提高。

（3）基坑开挖后施工期排水降压，基坑两侧开挖边坡大部分处于干区，且边坡为1∶1.8的缓坡，正常状况施工期开挖边坡整体稳定性较好，边坡稳定安全系数较高，满足设计要求。暴雨工况下，边坡安全系数有一定幅度降低，但仍然满足设计要求。由于渌渚江上游侧边坡马道宽度较下游侧宽，因此上游侧边坡比下游侧整体稳定性略高。

粗灰分是鱼粉的一种自然属性，其含量与骨骼组织含量有直接关系。如果将679个鱼粉样本的粗蛋白质和粗灰分含量一并作图，得到图2。

表1 各方案基坑渗漏量及边坡稳定安全系数Table 1 Comparison of leakage and stability safety factor of slope in each scheme

（4）相比原基坑开挖设计方案，埋管上抬方案两侧边坡高度降低，基坑渗漏量明显降低，约为6.28 m3/d（基坑沿管道方向每延米），仅为原设计方案的43%。边坡整体稳定安全性也有一定提高。优化方案对基坑涌水量控制和边坡稳定有利。

4.3 埋管应力与沉降变形分析

采用ANSYS软件对优化方案进行三维有限元计算。计算未考虑钢管和外包混凝土之间的缝隙，各材料间按绑定接触考虑，未考虑加劲环。计算工况分正常运行和完建（放空）两个工况，正常运行工况内水压力取124 m。

4.3.1 正常运行工况

正常运行工况下优化方案的计算结果如图7～8所示。从图中可以看出，钢管段全长外包混凝土整体变形较协调，不均匀沉降变形较小，垫层段两侧变形最大仅相差约0.3 mm。

钢衬外包混凝土结构第一主应力极值为3.37 MPa，发生在靠近垫层段内侧和钢衬接触部位；设置垫层段衬砌拉应力较小，小于0.976 MPa；混凝土压应力极值为-1.70 MPa，发生在垫层段和普通段分界点。

图7 整体、混凝土变形示意图（结构引起的变形，单位：m）Fig.7 Deformation of whole structure and concrete(structural deformation,unit:m)

图8 混凝土（右为靠近垫层段）第一、第三主应力分布示意图（单位：Pa）Fig.8 Distribution of first and third principal stress on concrete(the right is close to cushion section,unit:Pa)

4.3.2 完建（放空）工况

完建（放空）工况计算结果见图9。从图中可以看出整体应力水平较低，衬砌最大拉应力约0.707 MPa，发生在衬砌内侧设置垫层顶部和底部位置，最大压应力约-1.29 MPa，发生在衬砌内侧设置垫层中间部位。

4.3.3 敏感性分析

将含泥砂卵砾石层变形模量减少50%后（10 MPa），计算结果如表2所示。从表中可以看出，优化方案结构单一，衬砌应力对变形模量减小不敏感。

图9 混凝土第一、第三主应力分布示意图（单位：Pa）Fig.9 Distribution of first and third principal stress on concrete(unit:Pa)

表2 含泥砂卵砾石层变形模量敏感性分析成果Table 2 Sensitivity analysis on deformation modulus of mudbearing sand gravel layer

综上所述，优化方案的不均匀沉降较小，结构安全。

4.4 施工条件分析

优化设计方案较原设计方案土方明挖量减少34%，开挖料回填减少36%，施工强度明显下降，土料堆存难度也相应下降。此外，优化设计方案基坑深度浅，可降低基坑施工期的风险。从施工角度分析，优化设计方案较原方案具有较明显的优势。

5 结语

通过对优化方案结构稳定安全、施工难度、施工进度等方面的综合比较分析，有如下结论：

（1）从结构受力角度分析，埋管上抬后，渗漏量预计仅为原设计方案的43%，渗漏量改善显著；钢管应力及整体沉降计算成果表明，优化方案不均匀沉降相对较小，结构安全。

（2）从施工角度分析，优化方案基坑开挖最大深度由18m减小为13m，可降低基坑施工难度和风险；优化方案覆盖层土方开挖量、施工强度及土料堆存难度均减小，有利于环境保护；同时，优化方案能最大程度创造绿色和谐的建设环境，有利于降低施工引起的社会稳定和环保风险，顺应国家和浙江省大力倡导的生态文明建设理念和民生发展理念。

综上所述，从结构、施工角度综合考虑，埋管上抬5 m、钢管外包混凝土间隔100 m设置伸缩缝（变形缝）、缝两侧各5 m钢管外侧全包弹性垫层的优化方案是可行的。目前，优化方案已征得建设单位及原设计单位同意，在现场有条件的管段实施上述优化方案。

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Optimization design of Luzhu River inverted siphon in Qiandao Lake water distribution project

LI Jin,FANG Dun-min and CHEN Yong-hong

Hangzhou Municipal Qiandao Lake Raw water Co.,Ltd.

Luzhu River inverted siphon in Qiandao Lake water distribution project has some construc⁃tion difficulties,such as adverse geological condition and many influence factors of surrounding environ⁃ment.In this paper,the original design and layout of inverted siphon are optimized.The optimization scheme raises the water supply steel pipe on the right bank by 5 m.Based on the structural stability and construction conditions,a comprehensive comparison and analysis of the original scheme and the opti⁃mized scheme are made.The results show that the optimization scheme is feasible and has obvious ad⁃vantages,such as reducing the amount of excavation and backfill of 1.3×105m3,shortening the construc⁃tion time by three months and better protection of environment.

inverted siphon;foundation pit;uneven settlement;optimization design

TV672

：B

：1671-1092（2017）04-0024-06

2017-01-19；

2017-03-14

李进（1979-），男，浙江兰溪人，高级工程师，现从事土木工程施工管理工作。

作者邮箱：28939234@qq.com