输水线路中建筑物方案比选分析

王 征

（山东省德州市水利局，山东 德州253000)

1 工程及地质概况

倒虹吸做为输水工程的主要建筑物之一，在线路选择、布置形式、结构以及管材等方面具有很大的可选性。某新建输水工程拟建倒虹吸前后均与两条输水隧洞衔接，隧洞输水流量为26.7 m3/s，拟建倒虹吸起始端设置分水口向县城供水，分水流量6.7 m3/s，分水口以后倒虹吸设计流量为20 m3/s。拟建倒虹吸南北向横跨盆地，中间穿越东西向的二级公路、河道及三个村庄，处于浅切割低山地形区，进、出口为薄层粉砂岩、粉砂质页岩夹中厚层状长石石英砂岩；中部盆地段岩性主要为湖积粘土、淤泥、淤泥质粘土、粘质粉砂，其中局部含少量贝壳，堆积物质组成成分复杂，岩性变化大，且无规律，中～高压缩性土居多，地基土存在低承载力、抗滑稳定性差、压缩沉陷变形大及不均匀沉陷、深基坑侧向挤压塑变等不良工程地质问题。输水建筑物轴线平面布置图见图1。

2 建筑物比选

2.1 工程量及投资比较

拟建倒虹吸底板高程拟定为535.2 m，中间约1050 m 穿越地势低平的湖相积带，地面高程在512 m 左右，出口与另一输水隧洞进口相接。从地形上考虑，交叉建筑物可以考虑渡槽、倒虹吸两种形式进行比较[1]。

采用渡槽结构型式时，槽身净断面宽×高为3 m×3.23 m，支承结构为单排架，排架高度一般为21 m～24 m。排架基础为C25 钢筋混凝土承台(7.5 m×3.6 m)，每个承台下布置10 根长度为21 m，截面50 cm×50 cm 的预制混凝土端承摩擦桩。承台基础开挖深度3 m～4 m，基底主要位于湖相积表层的粉质粘土层内。渡槽前段桩身主要位于淤泥质粘土内，出口段桩身主要位于粉砂层内。

图1 输水建筑物轴线平面布置图

采用倒虹吸结构型式时，管材主要采用PCCP 管，管径3.0 m，管道起止端分别设进水池、出水池。管道最大内水压力水头26 m，一般内水压力水头22 m。两种输水建筑物横断面图见图2，将渡槽和倒虹吸两种方案主要工程量进行对比，对比结果见表1。

图2 两种输水建筑物横断面图

表1 渡槽和倒虹吸两种方案工程量对比表

从工程量上看，在土石方开挖量倒虹吸较渡槽多30193 m3，代入相同单价得到倒虹吸比渡槽开挖费用多322.41 万元，浆砌石费用高出29.61 万元左右，碎石垫层费用高出54.47 万元，渡槽钢筋砼主要用于槽身、排架和基础承台等，而倒虹吸仅用于倒虹吸支墩，渡槽混凝土用量比倒虹吸多9342 m3，渡槽比倒虹吸混凝土费用高1825.63 万元，钢筋高出2055 t，1634.86 万元，倒虹吸管材选用PCCP 管(D=3.0 m)，每米8350 元，共计874.25万元，倒虹吸Q345C 钢板108 t，50 万元。由此可以看出，渡槽主要工程量投资比倒虹吸高2138 万元左右，所以从工程量及投资可以看出，采用倒虹吸方案可以为输水工程节省投资。

2.2 工程设计比较分析

根据本段地质特征，地基主要为湖相积软土层，存在承载力低、抗滑稳定性差、压缩沉陷变形大及不均沉陷等问题，同时本段水平向设计地震加速度代表值为0.35 g，为高烈度区，覆盖层深厚，最深达100 m 以上，对抗震也较为不利。采用渡槽结构时，墩架普遍高于20 m，地震荷载较大，墩架需采用较大的结构尺寸，同时为满足软基承载力及沉降限值的要求，大量采用桩基，采用长度为21 m 的预制混凝土端承摩擦桩。采用倒虹吸结构时，主要为埋管形式，地震荷载较小，地基承载力较容易满足，不需要采用桩基等深基础，结构形式较为有利。

从工程设计角度分析，输水线路设计水头较充裕，输水建筑物水头损失大小不是根本性制约因素，采用渡槽和倒虹吸方案在技术上都是可行的。在建筑物地基为大范围的深厚湖积层软基、地震烈度高、建筑物周边人口密集等情况下，倒虹吸方案从对地基适应性、工程占地、运行安全性及工程投资上均优于渡槽方案，因此综合比较后输水建筑物推荐采用倒虹吸方案。主要比较结果见表2。

表2 拟建渡槽、倒虹吸方案比较表

3 管材选择

3.1 管材比选

倒虹吸管分预制和现浇两种形式，管道横断面通常为箱形或圆形，圆形断面受力条件及水力条件均优于箱形断面，应用最为普遍[2]，箱形断面因立模方便，也应用于大流量、低水头倒虹吸管中。

在管道敷设形式上，常采用明管和埋管，地形较陡的坡面以明管敷设较为方便，地形平缓地带，多为土壤肥沃的农田，人机活动频繁，为便于保护耕地及减少人机活动对管道的影响，宜采用埋管形式。与公路、河流、沟谷等交叉处，根据跨越地物的特征、跨度及墩架布置条件，采用高支墩架空管、钢筋混凝土或钢结构管桥上敷设管道等形式从上部跨越，或者采用钢筋混凝土包管、交叉涵洞内敷设管道等形式从下部穿越。

拟建倒虹吸按现浇混凝土管设计时，设计内水压力一般为0.28 MPa，初拟圆管管径在3 m 左右。如采用钢筋混凝土箱形管，初步计算管道断面2.7 m×2.7 m，管壁厚度0.85 m，而同等情况预应力管道壁厚为0.25 m 左右，相比之下现浇钢筋混凝土管壁厚较大，自重大，用钢量大，抗裂性能差，如采用圆形断面现浇，则立模较为困难。此外，中部湖相积带地势低洼，地下水位高，地基软弱，在现场绑扎钢筋、立模浇筑至养护成型，施工工序多，工期长，施工质量难以保证，因此不推荐采用现浇混凝土管形式。倒虹吸管材可在钢管及球墨铸铁管、预应力钢筋混凝土管、玻璃钢夹砂管、预应力钢筒混凝土管等预制管材之间进行比选。拟建溢洪道考虑管道选材的整体统一性，结合本工程的实际情况，初选管径为2.4 m，压力为0.8 MPa 的管材进行综合，见表3。

从上述分析可以看出，球墨铸铁管造价高；预应力混凝土管管段重量过大，运输费用高，但承压较低，适应不良地基变形的能力差；玻璃钢夹砂管糙率小，同等条件下管径小，造价较低，但其适应不良地基变形的能力差，抗外压能力较差；因此本阶段均不推荐采用以上三种管型。PCCP管近年已在多个引水工程中成功应用，具备较优良的特性。结合倒虹吸布置情况，拟建倒虹吸选用PCCP 管，布置为埋管形式。

3.2 管径比选

根据国内相关资料[3～4]，倒虹吸管采用较高流速时基本为3 m/s～4 m/s，部分已超过4 m/s，由于本段水头较为充裕，考虑管道流速尽量选择上限并适当提高，以减小管径。同时，为整体上控制单个倒虹吸水损，便于小流量工况的运行、消能，对长度较长或使用管材糙率较大的倒虹吸适当增大管径。

表3 倒虹吸管材综合比较表

根据上述原则，结合流量与管径因素，拟建倒虹吸采用了PCCP 管材，管道长度较长，拟定流速为2.8 m/s～2.9 m/s，略高于规范推荐的流速范围。根据初步拟定的设计流速，考虑单管、双管布置方案进行比选，按设计流速相同的条件[5～6]，比较情况见表4。

表4 拟建倒虹吸管径比选表

3.3 结构布置

拟建倒虹吸自首端起依次布置为进口箱涵连接段、分(退)水闸前池、节制检修闸、进口池(含渐变段)、管身段、出水池(含渐变段)、出口箱涵连接段，末端接入2#隧洞处设隧洞检修闸。倒虹吸总长1180.25 m，其中管道长1140 m，管径3 m。管道在进出口斜坡段采用明钢管，中部管段采用PCCP 管埋管，管段长1047 m。倒虹吸管在最低处、过河段一侧设放空阀井，每隔400 m 左右设置进人检修井，放空管及进人孔均设置于镇墩上。倒虹吸断面布置图见图3，倒虹吸跨河断面布置图见图4。

图3 倒虹吸断面布置图

图4 倒虹吸跨河断面布置图

4 结论及建议

倒虹吸在输水线路中地形地势相对较低，跨河、箐沟和公路等建筑物交叉布置时具有明显的优越性，其结构布置对地形适应性较强，工程占地较少，沿地面明管(或暗管)铺设结构受力较好，在施工中因结构较其他建筑物简单，施工方便，在水利工程中应用广泛。但当地形高差较大时，在设计时要进行水力计算和结构稳定计算，并做好镇支墩、伸缩节、加筋环和支撑环等重要设计，保证倒虹吸结构稳定和安全运行。