长距离大流量埋地压力箱涵输水新技术研究

张丹青 赵玉强

（安徽省水利水电勘测设计院 合肥 230088）

1 研究背景

1.1 概述

安徽省淮水北调工程这一跨区域的大型调水工程设计中，调水线路总长268.0km。工程输水线路和输水方式在前期设计工作中经充分的分析比较论证。为节省工程投资，全线基本利用现有河道、沟渠和湖泊输水，且仅需对局部输水沟渠进行扩挖疏浚。但为确保调水线路所经固镇县规划新城区的水质安全，必须在固镇翻水站后采取封闭的地下输水形式，线路长度约6km。

固镇站为淮水北调工程水源泵站五河站后的第二级翻水站，设计引水流量为36m3/s，设计净扬程5.5m，最大净扬程6.7m。

淮水北调工程由于输水流量大，要求的输水断面大，参照已建工程经验，设计首选大口径的DN3800预应力钢筒混凝土管（PCCP）较为合适，但因其管材价格高，带来的工程投资突破较大；且其运输及安装难度大，施工较为复杂，实施难度也较大，不甚可取。

1.2 新型输水型式方案的提出

为解决这一问题，鉴于淮水北调工程该段输水线路压力等级不高，地质条件较均一，作为造价较低的钢筋混凝土结构，其是否可予以替代，提出了思考。为此，设计对现浇钢筋混凝土箱涵及预制钢筋混凝土箱涵两种结构型式进行了研究取舍，以期达到与压力管道输水同样安全、可靠的目的；最终采用了施工相对便利、更为经济的现浇钢筋混凝土箱涵的创新技术方案。

2 研究内容

就淮水北调工程而言，长距离大流量压力箱涵输水需解决较为复杂的诸多技术难题。首先其作为引调水泵站的出水建筑物，与泵站设计相辅相成；需确定经济合理的压力箱涵输水断面及相适宜机组选型；通过压力箱涵水力过渡过程仿真计算分析，确定压力箱涵输水系统与机组的共同安全控制运行措施，使压力箱涵具备在泵站机组不同运用条件下的通气、防水击压力及检修等功能，并同时确保机组具备自身运行稳定安全功能；其次应解决好结构强度设计、抗渗抗冻耐久性及接缝处理等问题，适应各种基础地质条件，解决其与道路、河渠等交叉建筑物布置等问题；并宜兼顾施工要求，达到设计与施工的有利结合；从而实现该工程安全、可靠又经济的目标。

2.1 压力箱涵输水断面及相适宜的机组选型

压力箱涵输水断面与泵站设计相辅相成，断面的合理确定关乎泵站机组选型，涉及两者的相关投资及泵站的运行费用，存在着断面是否经济问题。根据长距离输调水工程经验总结，长距离输水管道断面的经济流速一般为1.5～2.5m/s左右；鉴于压力箱涵为钢筋混凝土结构，其耐压能力低于常规管道，宜尽量减小水头损失以降低箱涵内压力；同时在过渡过程工况下，过渡过程中的压力波动与水流速度有很大的关系，故不宜采用较大的流速；设计按箱涵断面流速不大于1.5m/s控制，结合钢筋混凝土结构受力特性、并利于改善外压条件、施工条件等方面考虑，确定箱涵输水断面为3.5m×3.5m（宽×高），设两孔。根据泵站规划参数、压力箱涵布置及水泵装置布置，计算水泵扬程为10.9～13.2m；据此选择了性能较好的TJ11-HL-06水力模型进行了水泵装置模型试验，泵站安装4台套1950HLQ13.2-12.8型立式全调节混流泵，配套电机功率为2200kW；在单机设计流量12.2m3/s时，效率85.5%。水泵采用刚度大、稳定性好的钢筋混凝土井筒式安装型式，采用水力条件较好的弯肘形钢筋混凝土进水流道，直管式出水方式。考虑固镇站为梯级引水泵站，为了有效调节水泵运行工况，保证水泵在高效区运行，便于其与各级泵站之间的流量调配，水泵叶片采用了全调节，设内置旋转式叶片角度机械全调节机构。

2.2 压力箱涵输水系统与泵站机组的共同安全控制运行措施

因水泵机组运行情况多变，长距离压力箱涵作为泵站的出水建筑物，设计除需考虑泵站机组正常开、关机和正常运行荷载变化等运行工况外，更须考虑机组事故断电工况下的运行安全；由此产生的水力过渡过程将引起箱涵系统压力和机组转速的变化，从而影响箱涵输水系统及机组运行的安全稳定性；因而必须进行各种工况下的水力过渡过程计算分析，为压力箱涵设计及水泵机组控制运行提供科学理论依据。主要分析应包括：（1）水泵在特征扬程范围内正常开启和关闭时，水泵出口断流装置的开关时间特征值，作为选择水泵出口断流装置的型式以及开、关程序设计的依据；（2）水泵机组在事故断电时，机组可能出现的最大反转速是否满足设计要求；（3）各种工况下的箱涵沿程压力线分布，以确定是否设置调压设施，以及进、排气阀的位置及口径、数量；（4）各种工况下的箱涵内最大水击压力，以进行其结构强度设计；以及箱涵沿线主要位置，如水泵出口、箱涵中心、箱涵隆起点的最大压降值，以便复核箱涵的稳定性。

在机组事故断电工况下，要求其出口断流装置瞬时关闭，以避免机组出现飞逸转速；但该工程因压力箱涵距离长，承受高压的能力较差，同时又需要防止箱涵内压降到大气压以下发生液体汽化，或者液柱分离现象，以及液体重新聚合产生弥合性水锤，从而导致箱涵结构发生破坏；说明在机组事故断电的水力瞬变过程中，机组及压力箱涵对断流装置瞬时关闭时间的要求存在一定矛盾。泵站的常规出水控制方式一般设水力自控拍门结合事故备用钢闸门；为保护机组，拍门瞬时关闭时间一般不大于5s，但对长距离箱涵将造成负压过大，很难满足设计要求。

分析研究中提出了长距离输水工程布设空气阀群的水力过渡过程仿真计算的新方法，解决了空气阀模型中气体质量流量的导数不连续，导致计算稳定性差的难题。通过压力箱涵水力过渡过程仿真计算分析，对泵站的出水控制方式进行了改进，将水力自控拍门改为快速工作钢闸门，利用安全系数高、启闭时间可控的液压设备进行控制，适当延长瞬时关闭时间至10～60s；经过渡过程计算，机组最大飞逸转速为0.81倍额定转速，确保了机组自身运行稳定安全；在压力箱涵起点设置一座7.0m×7.6m（长×宽）的调压井，两孔共用；沿线根据6km长箱涵布置的纵向起伏变化，设置7处DN300组合式空气阀，每处每孔箱涵设2只，使压力箱涵最小水压降为-2.5～0.0m，最大水击压力为17.3m；满足了压力箱涵在泵站机组各种工况下的运行安全。根据运行管理需要，另设置必要的检修井、分水阀等设施。

根据仿真计算分析，机组启闭及事故断电时，水泵出口液控闸门线性开启及关闭瞬时时间大于10s，且事故断电时小于60s的情况下，能够保证压力箱涵输水系统与泵站机组的共同运行安全；箱涵内压最大值及调压井高度受机组瞬时启动工况控制，内压最小值受机组事故断电工况控制。

2.3 压力箱涵特有的强度及抗渗耐久性控制要求

根据水力过渡过程仿真计算分析，箱涵内压设计为0.2～0.1MPa；将混凝土强度等级提高为C35，并提出混凝土抗渗等级为W8，以确保输水安全可靠性、结构耐久性。

根据相关设计规范，按承载能力极限状态及正常使用极限状态进行箱涵结构设计。计算荷载包括结构自重、水重、内水压力、土压力、扬压力、汽车荷载等；选取各种工况下对应不利荷载组合处的箱涵断面，采用弹性地基上的平面框架进行结构内力计算，最终以最大内力值进行设计控制。箱涵壁厚采用0.8～0.7m，结构配筋率为0.41%～0.34%，在经济配筋率范围内；裂缝计算宽度不大于0.2mm，均满足设计要求。

2.4 适应基础地质条件及安全可靠的接缝处理方式

钢筋混凝土箱涵的接缝处理至为关键，也是此输水型式中的薄弱环节，处理不好，不仅会引起渗漏，而且直接影响输水安全。根据相关设计规范的规定，利用该工程较为有利的地质条件，最大限度地设置钢筋混凝土的分缝长度，以期尽量减少接缝数量，并同时适应结构及地基沉降变形。设计中沿输水长度一般每20m左右设置一道变形缝，缝宽30mm；为确保分缝部位的止水效果，防止内水外渗，影响结构安全，在伸缩缝中埋设两道止水，洞壁表面设钢板压橡皮止水，中间埋设一道止水铜片；缝内嵌闭孔泡沫板，外套钢筋混凝土包箍，效果良好。

2.5 压力箱涵遇特殊地形交叉处理方式

压力箱涵经过河渠处，采用倒虹吸的布置型式穿越，以满足现状河渠的过水要求；考虑避免河渠水流冲刷影响破坏结构，穿越河渠处箱涵顶最小覆土厚度控制不小于2.0m，并对箱涵穿越纵向轴线两侧各一定范围内的河渠底面及两侧边坡进行护砌。对穿越公路处，为减小公路荷载，对回填土利用水泥土改良、采取分层铺设土工格栅、提高压实度等措施；确保箱涵的结构稳定安全。除遇特殊地形外，压力箱涵沿线布置尽量采用直线布置，以减少水头损失；作为标准化断面，可实现实施中的现场机械化施工，既确保了工程质量，又加快了施工进度。

3 研究成果

长距离大流量引调水工程中，采用现浇钢筋混凝土箱型结构的输水形式，目前国内尚无先例。在设计和施工方面均具有一定的创新和挑战，大大降低了工程造价。

该技术很好地解决了与管道输水同样需解决的耐压、抗渗、稳定、防渗接缝处理、基础适应性、遇特殊地形交叉处理等一系列技术难题，亦避免了管道易存在的防腐问题，提高了结构耐久性；通过压力箱涵水力过渡过程仿真计算分析，对涉及压力箱涵输水安全的调压井、空气阀等关键设施进行了系统布局；沿程需设置必要的检修、分水等管理设施；压力箱涵作为泵站的出水建筑物，结合机组的安全运行要求，进一步对泵站出水口的断流设施及控制方式进行优化改进，在泵站各台机组出水口除设置快速事故备用钢闸门保护外，首次尝试采用液控可调的快速工作钢闸门替代水力自控拍门，通过对工作及事故闸门液压启闭设备的精准控制，以同时满足压力箱涵防水锤和泵站机组防飞逸转速的安全运行要求，项目技术具有不可替代性。这一创新成果已成功通过了淮水北调工程初期的运行检验，运行良好，具有对未来类似工程设计的引领作用■