武引二期灌区工程梓潼江倒虹管设计经验总结

廖大勇，雷明慧，王培，聂加明，李智渊

(1.四川省水利水电勘测设计研究院有限公司，成都，610072；2.四川省水利规划研究院，成都，610072)

1 工程概况

武都引水工程是四川省一项兼具防洪、灌溉、发电等为一体的综合性大型水利工程，工程设计总灌面为15.48万hm2。工程分二期建设，一期工程包括取水枢纽、总干渠和涪梓灌区，灌溉面积共计8.47万hm2，工程已于2000年底全部建成受益；二期工程包括武都水库和二期灌区工程，灌区设计灌面为7.02万hm2，其中二期灌区工程包括金峰水库、西梓干渠和中小渠系工程。目前，武都水库已经建成并投入运行，二期灌区工程已进入扫尾阶段，主体工程基本完成[1]。

武引二期灌区西梓干渠设计流量12.5m3/s～28.5m3/s，共分九个流量段。其中，梓潼江倒虹管位于第一流量段，倒虹管穿越涪江一级支流梓潼江，梓潼江倒虹管出口接凤凰水库，管道设计流量28.5m3/s，加大设计流量34.2m3/s，最大工作水头86m，属于四川省首座大流量、高水头穿越主要河流的倒虹管，列为该工程跨河重点建筑物，根据所属渠道流量段建筑物级别提高一级按照2级建筑物进行设计。

2 管材选择及水力计算

2.1 管材选择

根据梓潼江倒虹管所承受的最大水头H和初拟的管道内径D的乘积HD值>120，属于中高水头。管道材料可从以下材料中选择：预应力钢筋混凝土管、预应力钢筒混凝土管(PCCP)、玻璃钢管(GRP)和钢管。

预应力钢筋混凝土管管壁厚度略大，重量相对较大，且能承受的最大水头相对较小；GRP管的优点在于重量轻，便于运输安装，防腐蚀性能强且管道糙率小、水力条件好，但是在阳光照射下易老化，受力不均时管身容易变形导致接头漏水；钢管的成本相对最高，且制作安装工艺要求高，施工繁琐；PCCP作为近年来在大中型输水渠道中运用较多的新材料，抗压强度高、安装方便，在南水北调工程中得到了广泛的应用，而且价格相对较低，故本工程梓潼江倒虹管采用PCCP管材。

2.2 水力计算

梓潼江倒虹管按照设计流量28.5m3/s进行设计，按照加大流量34.2m3/s(120%设计流量)复核渠道超高，按照小流量11.36m3/s(40%设计流量)复核倒虹管进口淹没深度。

通过国内多组试验数据测试以及相关规范，PCCP的糙率可取为n=0.01～0.0125，为了安全起见并预留足够的水头，采用n=0.012。根据规范，倒虹管平均流速宜为1.5m/s～2.5m/s，且最小流速不应小于管道不淤流速，通过计算采用单管布置时倒虹管管径达4m左右，管径为4m的PCCP在国内生产及安装均少有，且该倒虹管进出口段均为斜坡，大管径PCCP安装极为不便，因此梓潼江倒虹管布置为双管型式。梓潼江倒虹管出口紧接梓潼县凤凰水库库区，水头略有富裕，本工程选用了相对较大的流速，以便尽可能地降低管径，经计算单管管径选取2.6m。

梓潼江倒虹管采用双管布置除了降低管径便于生产安装外，还能保证即使单管出现故障需要检修时，仍能保证下游渠道的供水任务。

倒虹管水头损失计算成果见表1。

表1 梓潼江倒虹管水头损失计算成果

3 倒虹管设计

3.1 结构布置

梓潼江倒虹管包括进口段、管身段及出口段。倒虹管全长1225m，管身段水平投影长1128m，轴线长1154m。进口段由渐变段、沉砂池、节制闸、前池及泄水闸组成；出口段由节制闸、消力池以及渐变段组成。

管身段采用PCCP双管布置，为保护管道并减少工程永久占地，管身大部分布置为埋管，上部回填土厚0.8m～2m(河床段回填厚度大于4m)。管线沿程设16个镇墩，每根管道设3处进人孔、1处冲砂放水孔。

3.2 穿越梓潼江设计

梓潼江倒虹管横跨涪江左岸最大一级支流梓潼江，倒虹管洪水标准按30年一遇进行设计，洪峰流量为6200m3/s，PCCP穿越梓潼江需分别进行抗冲刷设计及抗浮设计。

根据倒虹管设计洪峰流量对倒虹管顶部河床冲刷深度进行计算，计算跨河段河床冲刷深度为3.0m，倒虹管埋置深度应不小于计算冲刷深度线以下50cm，因此，选取倒虹管管顶埋置于河床以下3.5m，可满足设计要求。管道放空后，管道周围存在外水压力，需进行管道抗浮设计，经计算管道顶部覆土厚度≥3.2m时可满足抗浮要求。

为满足管道抗冲刷及抗浮计算要求，在河床段管道安装完成后，管顶回填超过4.0m厚砂卵石，河床上部采用粒径≥15cm大卵石回填，同时对河床岸坡采用30cm厚C15混凝土面板进行护坡。梓潼江倒虹管跨梓潼江段纵剖面见图1。

图1 梓潼江倒虹管跨梓潼江段纵剖面

3.3 管道水压设计及试验

梓潼江倒虹管最大工作水头86m，管节内压根据不同的水头进行设计，设计安全系数为1.5。梓潼江倒虹管PCCP单节长6m，采用承插式安装，管道安装偏差要求不大于±30mm，安装完成后对接口进行打压试验，试验压力为工作水压的1.5倍。单个接口打压完成后进行前后管道安装，安装完后再复测该接口。

受现场条件、施工工期等因素限制，设计未对倒虹管提出分段水压试验要求，倒虹管进出口也不便设置密封设施，因此，本工程未进行密封水压试验，而是利用进出口节制闸门挡水采用加大流量对应水位进行静水试验，检测管道在最大工作压力水位下是否满足设计要求。经试验，倒虹管未出现渗漏及管道位移等不良现象。

倒虹管与长距离输水管道布置不同，基本为斜坡布置，密封堵头设置较困难，同时倒虹管距离相对较短，便于检修维护。因此，本工程采取加强管道接口压力检测，同时利用最大工作压力进行综合测试的方式是合理有效的。

3.4 管道防护设计

PCCP主要依靠内部的钢筒防渗，预应力钢丝承受内水压力。因此，对钢筒及预应力钢丝的保护极为重要。结合国内外类似工程，考虑到本工程所在地区土壤属于弱～中度腐蚀，且大部分PCCP埋置于地下或水下，为保证管道在有效保护年限内的正常使用，需对埋管段实施阴极保护及外涂层防腐。PCCP明管段管道受环境温度变化、干湿交替、冻融循环或空气中混凝土碳化的影响，会缩短此类管道的有效使用年限或发生工程安全影响，同样对明管段实施外涂层防腐。

3.4.1 阴极保护

阴极保护的对象为PCCP管道内钢筒及预应力钢丝，目的是保证管道在有效保护年限内不会因钢筒及预应力钢丝腐蚀而产生爆管。阴极保护包括牺牲阳极和强制电流两种形式，结合国内外相关类似工程[2-3]，梓潼江倒虹管阴极保护措施采用牺牲阳极法，阳极采用锌合金阳极。布置方案为：

(1)阳极布置按10节(单线)管道设置1组，每组设置2支锌合金阳极块，每支阳极重量为22kg。在两组阳极之间中点，保护电位不小于-0.77V；(2)管道之间及管道与阳极之间采用电缆线进行连接；(3)对应锌合金阳极组数设置测试桩。

3.4.2 外防腐保护

(1)PCCP埋管段防腐要求：无溶剂超厚浆型环氧煤沥青防腐蚀涂料2道，总厚度400μm，每层干膜厚度180μm～220μm。

(2)PCCP明管段防腐要求：丙烯酸聚氨酯防腐蚀涂料3道。其中底层1道，干膜厚度100μm；表层2道，每层干膜厚度140μm～160μm，总厚度400μm。

3.5 倒虹管运行调度方式

梓潼江倒虹管底部管道最大承受内压达86m，在管道空管充水时，为避免对底部管道造成冲刷及气蚀破坏，倒虹管在正常运行调度前用小流量(1m3/s～2m3/s)对管身段充满水后再进行引水调度。

梓潼江进、出口节制闸调度原则：

(1)当倒虹管正常供水时，进、出口节制闸均全开全闭，不用于调节流量及水位，避免对管身造成不利影响，或前池出现壅水现象；(2)当在小流量下供水时，建议采用单管运行，避免管身泥沙淤积；(3)管身段出现紧急事故情况时，应关闭进出口节制闸，同时打开泄水闸泄水至梓潼江，泄水渠设计下泄流量为28.5m3/s，与倒虹管设计流量一致；(4)为便于管道检修，在管道最低处设置一处放水阀，用于管道放空及排砂。

4 结论

梓潼江倒虹管作为四川省首座大流量高水头穿越主要河流的倒虹管，设计在管材选取及管道防护设计时进行了充分调研。PCCP在管道安装及承受内水压力方面具有明显优势，但是PCCP外部为砂浆防护，需要特别强调砂浆防护厚度及质量。同时砂浆存在一定的孔隙，不管是在地下环境还是露天环境，都应做好管道防护设计，特别是地下环境存在具有一定腐蚀性的情况下，阴极保护是较为有效的防护手段。

PCCP为承插式布置，接口多，应特别重视PCCP基础设计及接口安装，避免管身沉降变形及接口漏水，加强管身压力检测和水压试验是管道安装质量的重要保障。

梓潼江倒虹管在结构布置、水力学计算及运行调度等方面设计合理，安全可靠。目前，已通过梓潼江倒虹管完成调水8000余万m3，工程实践表明管道运行良好。该倒虹管的设计经验可为后续工程提供参考。