大直径顶管在水利输水工程中的运用

邱学山，李 帆，孙 丹，郝青芳，潘逸卉

(1.河海大学设计研究院有限公司，江苏 南京 210024；2.江苏省水利科学研究院，江苏 南京 210017)

0 引言

顶管法施工属于非开挖施工的一种，具有不阻断交通、不拆迁、不影响周边环境、无污染和噪声等优点，目前广泛应用于市政排水、输电等管网项目中，在水利工程中也有一定的应用。大沙河引水地涵输水管道采用顶管法施工，避免了因管道明挖施工对大沙河水源地的影响，确保了工程的顺利实施。

1 工程概况

1.1 建设缘由

丰县大沙河(草庙)水源地作为丰县境内第二水源，其水源为丰县南线调引的江淮水，通过铜山郑集河及郑集南支河、梁西河调入大沙河，线路经过铜山区、沛县等两县(区)。受沿线部分河道污水影响，调水水质部分时段达不到Ⅲ类水质标准。为保障水源地水质达标，在梁西河末端新建引水地涵，将初期不达标来水调入大沙河以西地区作为农业灌溉用水。

1.2 工程任务

本工程主要任务为通过新建大沙河引水地涵，将梁西河初期不达标水体调入大沙河以西作为农业灌溉用水，以确保由梁西河进入大沙河的水体水质达标，同时也充分利用水资源。

1.3 工程规模

大沙河引水地涵为下穿大沙河输水涵洞建筑物，工程设计过流量为12.0 m3/s，输水管道、竖井、控制闸等主要建筑物级别均为3级。

2 设计方案

本项目输水管道须穿越大沙河，因大沙河为丰县的重要水源地，无法采用断流明挖施工，因此需采用顶管法施工。

2.1 输水管道根数选择

根据现状，结合相关工程经验，在满足输水需求情况下，拟定一根φ3 800 mm的输水管道(方案一)和两根φ2 600 mm输水管道(方案二)方案进行比较(见表1)。

表1 管道数量方案比较

上述两种方案技术上均可行，且都能够满足本工程的设计过流能力要求。方案一输水量稍大，建设投资相对略低，但输水管道运输不便，对施工吊具要求高，且沉井深度深，顶管超出了常规的施工尺寸，同时，运行管理上不如方案二灵活。综合考虑，推荐方案二作为工程布置方案。

2.2 输水管道管材选择

根据类似工程，本项目输水管道可选用的管材主要为钢管、球墨铸铁管、预应力钢筒混凝土管、钢筋混凝土管等。考虑到焊接钢管易受腐蚀，大直径球墨铸铁管铸造难度大、价格高，预应力钢筒混凝土管需要增加工作井、接收井尺寸，土建费用高。因此，本项目管材推荐采用钢筋混凝土管，设计管道内径2 600 mm，壁厚260 mm，管道外径3 120 mm。

2.3 建筑物布置

本工程自大沙河东侧梁西河向西侧灌区输水，设计总输水流量为12.0 m3/s。根据工程布置，工程主要建筑物有进出水控制闸、进出水箱涵、进出水竖井及输水管道。

(1)进出水控制闸：分别在地涵的进、出水口处设置控制闸，控制地涵输水流量，方便地涵日常维修。控制闸共设两孔，单孔净宽3.1 m。

(2)进出水箱涵：进、出水侧箱涵设置在控制闸与竖井之间，两侧箱涵长度各81.0 m，布置两孔，孔口净尺寸为3.2 m×2.5 m(宽×高)，涵底高程38.5 m。

(3)进出水竖井：采用沉井结构，竖井平面布置2孔，单孔平面净尺寸10.5 m×9.0 m，井底高程26.65 m。

(4)输水管道：输水管道采用内径为2.6 m的钢筋混凝土管，共计布置2道，顶管法施工，管道中心高程29.00 m，单根管道长395 m。

2.4 引水地涵水力计算

引水地涵按照倒虹吸结构进行水力计算，具体计算方法参照SL 482—2011《灌溉与排水渠系建筑物设计规范》附录C(见图1)。

图1 引水地涵进水侧设计图(尺寸单位：mm)

2.4.1 水位组合

进水侧：进水渠底高程38.5 m，水位41.2 m。

出水侧：出水渠底高程38.0 m，水位40.6 m。

2.4.2 水头损失计算

引水地涵水头损失主要由局部水头损失和沿程

水头损失两部分组成，水头损失计算公式采用《灌溉与排水渠系建筑物设计规范》附录C.1.3，主要计算成果如表2—3所示。

表2 局部水头损失系数

表3 水头损失计算 单位：m

2.4.3 过流能力计算

引水地涵水过流能力计算公式如下[1]：

式中：Q为管道过流量，单位为m3/s；μ为流量系数；ω为管道出口的横断面积，单位为m2；ΔZ2为进水侧竖井与出水侧竖井水头差，单位为m。

根据上述公式进行试算，当上下游总水头损失达0.6 m时，引水地涵的计算过流量结果如表4所示。

表4 沿程水头损失计算

根据表4计算，地涵计算过流量大于设计过流量12.0 m3/s，过流满足要求。

3 管道结构计算

3.1 管道作用荷载计算

管道作用荷载主要有自重、上部土重、侧向土压力、管内水重、管内水压、管外水压等，主要作用荷载计算结果如表5所示。

3.2 管道内力计算

采用《给水排水工程顶管技术规程》(CECS 246—2008)附录B中的圆形刚性管道内力系数法计算管道内力[2]，管道计算各工况及其荷载如表5—7所示。

表5 管道荷载作用计算结果 单位：kN/m

表6 管道内力计算荷载组合及计算工况

表7 管道内力计算汇总

3.3 管道配筋计算

管道钢筋计算应先按荷载效应的设计值进行结构强度计算，再根据计算钢筋面积进行配筋，最后按荷载效用的准永久值进行裂缝验算。裂缝宽度如满足要求，则计算完成；如不满足，重新配筋，再次进行裂缝宽度验算，直至满足要求。

管道按压弯构件或大偏心受拉构件进行配筋计算；裂缝宽度可按GB 50069—2002《给排水工程构筑物结构设计规范》5.3.7条及附录A进行计算[3]。

4 结语

本工程管道设计荷载：管顶覆土厚度h≤13 m，地面堆载10 kN/m2，管道工作内水压力为0.15 MPa，管道施工允许最大顶力为14 000 kN。本工程顶管外径达到3 120 mm，单根顶管长度395 m，属于典型的大直径长距离顶管，对于长距离顶管施工中应考虑通风、变电及增设中继间。管道穿越河道段，应确保管顶在河床下的埋深满足管道的抗浮要求，同时，不应小于1.5倍的管道外径[4]。管道顶进过程中须采取触变泥浆等减阻措施，管道施工结束后，应对顶管外壁的泥浆套采用水泥浆液进行置换，以防止空洞对地面造成沉降。