張丹青 趙玉強(qiáng)

（安徽省水利水電勘測設(shè)計(jì)院 合肥 230088）

1 研究背景

1.1 概述

安徽省淮水北調(diào)工程這一跨區(qū)域的大型調(diào)水工程設(shè)計(jì)中，調(diào)水線路總長268.0km。工程輸水線路和輸水方式在前期設(shè)計(jì)工作中經(jīng)充分的分析比較論證。為節(jié)省工程投資，全線基本利用現(xiàn)有河道、溝渠和湖泊輸水，且僅需對局部輸水溝渠進(jìn)行擴(kuò)挖疏浚。但為確保調(diào)水線路所經(jīng)固鎮(zhèn)縣規(guī)劃新城區(qū)的水質(zhì)安全，必須在固鎮(zhèn)翻水站后采取封閉的地下輸水形式，線路長度約6km。

固鎮(zhèn)站為淮水北調(diào)工程水源泵站五河站后的第二級翻水站，設(shè)計(jì)引水流量為36m3/s，設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程5.5m，最大凈揚(yáng)程6.7m。

淮水北調(diào)工程由于輸水流量大，要求的輸水?dāng)嗝娲?，參照已建工程?jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)首選大口徑的DN3800預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP）較為合適，但因其管材價(jià)格高，帶來的工程投資突破較大；且其運(yùn)輸及安裝難度大，施工較為復(fù)雜，實(shí)施難度也較大，不甚可取。

1.2 新型輸水型式方案的提出

為解決這一問題，鑒于淮水北調(diào)工程該段輸水線路壓力等級不高，地質(zhì)條件較均一，作為造價(jià)較低的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其是否可予以替代，提出了思考。為此，設(shè)計(jì)對現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱涵及預(yù)制鋼筋混凝土箱涵兩種結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行了研究取舍，以期達(dá)到與壓力管道輸水同樣安全、可靠的目的；最終采用了施工相對便利、更為經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱涵的創(chuàng)新技術(shù)方案。

2 研究內(nèi)容

就淮水北調(diào)工程而言，長距離大流量壓力箱涵輸水需解決較為復(fù)雜的諸多技術(shù)難題。首先其作為引調(diào)水泵站的出水建筑物，與泵站設(shè)計(jì)相輔相成；需確定經(jīng)濟(jì)合理的壓力箱涵輸水?dāng)嗝婕跋噙m宜機(jī)組選型；通過壓力箱涵水力過渡過程仿真計(jì)算分析，確定壓力箱涵輸水系統(tǒng)與機(jī)組的共同安全控制運(yùn)行措施，使壓力箱涵具備在泵站機(jī)組不同運(yùn)用條件下的通氣、防水擊壓力及檢修等功能，并同時(shí)確保機(jī)組具備自身運(yùn)行穩(wěn)定安全功能；其次應(yīng)解決好結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)、抗?jié)B抗凍耐久性及接縫處理等問題，適應(yīng)各種基礎(chǔ)地質(zhì)條件，解決其與道路、河渠等交叉建筑物布置等問題；并宜兼顧施工要求，達(dá)到設(shè)計(jì)與施工的有利結(jié)合；從而實(shí)現(xiàn)該工程安全、可靠又經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)。

2.1 壓力箱涵輸水?dāng)嗝婕跋噙m宜的機(jī)組選型

壓力箱涵輸水?dāng)嗝媾c泵站設(shè)計(jì)相輔相成，斷面的合理確定關(guān)乎泵站機(jī)組選型，涉及兩者的相關(guān)投資及泵站的運(yùn)行費(fèi)用，存在著斷面是否經(jīng)濟(jì)問題。根據(jù)長距離輸調(diào)水工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，長距離輸水管道斷面的經(jīng)濟(jì)流速一般為1.5～2.5m/s左右；鑒于壓力箱涵為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其耐壓能力低于常規(guī)管道，宜盡量減小水頭損失以降低箱涵內(nèi)壓力；同時(shí)在過渡過程工況下，過渡過程中的壓力波動與水流速度有很大的關(guān)系，故不宜采用較大的流速；設(shè)計(jì)按箱涵斷面流速不大于1.5m/s控制，結(jié)合鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受力特性、并利于改善外壓條件、施工條件等方面考慮，確定箱涵輸水?dāng)嗝鏋?.5m×3.5m（寬×高），設(shè)兩孔。根據(jù)泵站規(guī)劃參數(shù)、壓力箱涵布置及水泵裝置布置，計(jì)算水泵揚(yáng)程為10.9～13.2m；據(jù)此選擇了性能較好的TJ11-HL-06水力模型進(jìn)行了水泵裝置模型試驗(yàn)，泵站安裝4臺套1950HLQ13.2-12.8型立式全調(diào)節(jié)混流泵，配套電機(jī)功率為2200kW；在單機(jī)設(shè)計(jì)流量12.2m3/s時(shí)，效率85.5%。水泵采用剛度大、穩(wěn)定性好的鋼筋混凝土井筒式安裝型式，采用水力條件較好的彎肘形鋼筋混凝土進(jìn)水流道，直管式出水方式?？紤]固鎮(zhèn)站為梯級引水泵站，為了有效調(diào)節(jié)水泵運(yùn)行工況，保證水泵在高效區(qū)運(yùn)行，便于其與各級泵站之間的流量調(diào)配，水泵葉片采用了全調(diào)節(jié)，設(shè)內(nèi)置旋轉(zhuǎn)式葉片角度機(jī)械全調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。

2.2 壓力箱涵輸水系統(tǒng)與泵站機(jī)組的共同安全控制運(yùn)行措施

因水泵機(jī)組運(yùn)行情況多變，長距離壓力箱涵作為泵站的出水建筑物，設(shè)計(jì)除需考慮泵站機(jī)組正常開、關(guān)機(jī)和正常運(yùn)行荷載變化等運(yùn)行工況外，更須考慮機(jī)組事故斷電工況下的運(yùn)行安全；由此產(chǎn)生的水力過渡過程將引起箱涵系統(tǒng)壓力和機(jī)組轉(zhuǎn)速的變化，從而影響箱涵輸水系統(tǒng)及機(jī)組運(yùn)行的安全穩(wěn)定性；因而必須進(jìn)行各種工況下的水力過渡過程計(jì)算分析，為壓力箱涵設(shè)計(jì)及水泵機(jī)組控制運(yùn)行提供科學(xué)理論依據(jù)。主要分析應(yīng)包括：（1）水泵在特征揚(yáng)程范圍內(nèi)正常開啟和關(guān)閉時(shí)，水泵出口斷流裝置的開關(guān)時(shí)間特征值，作為選擇水泵出口斷流裝置的型式以及開、關(guān)程序設(shè)計(jì)的依據(jù)；（2）水泵機(jī)組在事故斷電時(shí)，機(jī)組可能出現(xiàn)的最大反轉(zhuǎn)速是否滿足設(shè)計(jì)要求；（3）各種工況下的箱涵沿程壓力線分布，以確定是否設(shè)置調(diào)壓設(shè)施，以及進(jìn)、排氣閥的位置及口徑、數(shù)量；（4）各種工況下的箱涵內(nèi)最大水擊壓力，以進(jìn)行其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)；以及箱涵沿線主要位置，如水泵出口、箱涵中心、箱涵隆起點(diǎn)的最大壓降值，以便復(fù)核箱涵的穩(wěn)定性。

在機(jī)組事故斷電工況下，要求其出口斷流裝置瞬時(shí)關(guān)閉，以避免機(jī)組出現(xiàn)飛逸轉(zhuǎn)速；但該工程因壓力箱涵距離長，承受高壓的能力較差，同時(shí)又需要防止箱涵內(nèi)壓降到大氣壓以下發(fā)生液體汽化，或者液柱分離現(xiàn)象，以及液體重新聚合產(chǎn)生彌合性水錘，從而導(dǎo)致箱涵結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞；說明在機(jī)組事故斷電的水力瞬變過程中，機(jī)組及壓力箱涵對斷流裝置瞬時(shí)關(guān)閉時(shí)間的要求存在一定矛盾。泵站的常規(guī)出水控制方式一般設(shè)水力自控拍門結(jié)合事故備用鋼閘門；為保護(hù)機(jī)組，拍門瞬時(shí)關(guān)閉時(shí)間一般不大于5s，但對長距離箱涵將造成負(fù)壓過大，很難滿足設(shè)計(jì)要求。

分析研究中提出了長距離輸水工程布設(shè)空氣閥群的水力過渡過程仿真計(jì)算的新方法，解決了空氣閥模型中氣體質(zhì)量流量的導(dǎo)數(shù)不連續(xù)，導(dǎo)致計(jì)算穩(wěn)定性差的難題。通過壓力箱涵水力過渡過程仿真計(jì)算分析，對泵站的出水控制方式進(jìn)行了改進(jìn)，將水力自控拍門改為快速工作鋼閘門，利用安全系數(shù)高、啟閉時(shí)間可控的液壓設(shè)備進(jìn)行控制，適當(dāng)延長瞬時(shí)關(guān)閉時(shí)間至10～60s；經(jīng)過渡過程計(jì)算，機(jī)組最大飛逸轉(zhuǎn)速為0.81倍額定轉(zhuǎn)速，確保了機(jī)組自身運(yùn)行穩(wěn)定安全；在壓力箱涵起點(diǎn)設(shè)置一座7.0m×7.6m（長×寬）的調(diào)壓井，兩孔共用；沿線根據(jù)6km長箱涵布置的縱向起伏變化，設(shè)置7處DN300組合式空氣閥，每處每孔箱涵設(shè)2只，使壓力箱涵最小水壓降為-2.5～0.0m，最大水擊壓力為17.3m；滿足了壓力箱涵在泵站機(jī)組各種工況下的運(yùn)行安全。根據(jù)運(yùn)行管理需要，另設(shè)置必要的檢修井、分水閥等設(shè)施。

根據(jù)仿真計(jì)算分析，機(jī)組啟閉及事故斷電時(shí)，水泵出口液控閘門線性開啟及關(guān)閉瞬時(shí)時(shí)間大于10s，且事故斷電時(shí)小于60s的情況下，能夠保證壓力箱涵輸水系統(tǒng)與泵站機(jī)組的共同運(yùn)行安全；箱涵內(nèi)壓最大值及調(diào)壓井高度受機(jī)組瞬時(shí)啟動工況控制，內(nèi)壓最小值受機(jī)組事故斷電工況控制。

2.3 壓力箱涵特有的強(qiáng)度及抗?jié)B耐久性控制要求

根據(jù)水力過渡過程仿真計(jì)算分析，箱涵內(nèi)壓設(shè)計(jì)為0.2～0.1MPa；將混凝土強(qiáng)度等級提高為C35，并提出混凝土抗?jié)B等級為W8，以確保輸水安全可靠性、結(jié)構(gòu)耐久性。

根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，按承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行箱涵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。計(jì)算荷載包括結(jié)構(gòu)自重、水重、內(nèi)水壓力、土壓力、揚(yáng)壓力、汽車荷載等；選取各種工況下對應(yīng)不利荷載組合處的箱涵斷面，采用彈性地基上的平面框架進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算，最終以最大內(nèi)力值進(jìn)行設(shè)計(jì)控制。箱涵壁厚采用0.8～0.7m，結(jié)構(gòu)配筋率為0.41%～0.34%，在經(jīng)濟(jì)配筋率范圍內(nèi)；裂縫計(jì)算寬度不大于0.2mm，均滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4 適應(yīng)基礎(chǔ)地質(zhì)條件及安全可靠的接縫處理方式

鋼筋混凝土箱涵的接縫處理至為關(guān)鍵，也是此輸水型式中的薄弱環(huán)節(jié)，處理不好，不僅會引起滲漏，而且直接影響輸水安全。根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定，利用該工程較為有利的地質(zhì)條件，最大限度地設(shè)置鋼筋混凝土的分縫長度，以期盡量減少接縫數(shù)量，并同時(shí)適應(yīng)結(jié)構(gòu)及地基沉降變形。設(shè)計(jì)中沿輸水長度一般每20m左右設(shè)置一道變形縫，縫寬30mm；為確保分縫部位的止水效果，防止內(nèi)水外滲，影響結(jié)構(gòu)安全，在伸縮縫中埋設(shè)兩道止水，洞壁表面設(shè)鋼板壓橡皮止水，中間埋設(shè)一道止水銅片；縫內(nèi)嵌閉孔泡沫板，外套鋼筋混凝土包箍，效果良好。

2.5 壓力箱涵遇特殊地形交叉處理方式

壓力箱涵經(jīng)過河渠處，采用倒虹吸的布置型式穿越，以滿足現(xiàn)狀河渠的過水要求；考慮避免河渠水流沖刷影響破壞結(jié)構(gòu)，穿越河渠處箱涵頂最小覆土厚度控制不小于2.0m，并對箱涵穿越縱向軸線兩側(cè)各一定范圍內(nèi)的河渠底面及兩側(cè)邊坡進(jìn)行護(hù)砌。對穿越公路處，為減小公路荷載，對回填土利用水泥土改良、采取分層鋪設(shè)土工格柵、提高壓實(shí)度等措施；確保箱涵的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全。除遇特殊地形外，壓力箱涵沿線布置盡量采用直線布置，以減少水頭損失；作為標(biāo)準(zhǔn)化斷面，可實(shí)現(xiàn)實(shí)施中的現(xiàn)場機(jī)械化施工，既確保了工程質(zhì)量，又加快了施工進(jìn)度。

3 研究成果

長距離大流量引調(diào)水工程中，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)的輸水形式，目前國內(nèi)尚無先例。在設(shè)計(jì)和施工方面均具有一定的創(chuàng)新和挑戰(zhàn)，大大降低了工程造價(jià)。

該技術(shù)很好地解決了與管道輸水同樣需解決的耐壓、抗?jié)B、穩(wěn)定、防滲接縫處理、基礎(chǔ)適應(yīng)性、遇特殊地形交叉處理等一系列技術(shù)難題，亦避免了管道易存在的防腐問題，提高了結(jié)構(gòu)耐久性；通過壓力箱涵水力過渡過程仿真計(jì)算分析，對涉及壓力箱涵輸水安全的調(diào)壓井、空氣閥等關(guān)鍵設(shè)施進(jìn)行了系統(tǒng)布局；沿程需設(shè)置必要的檢修、分水等管理設(shè)施；壓力箱涵作為泵站的出水建筑物，結(jié)合機(jī)組的安全運(yùn)行要求，進(jìn)一步對泵站出水口的斷流設(shè)施及控制方式進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，在泵站各臺機(jī)組出水口除設(shè)置快速事故備用鋼閘門保護(hù)外，首次嘗試采用液控可調(diào)的快速工作鋼閘門替代水力自控拍門，通過對工作及事故閘門液壓啟閉設(shè)備的精準(zhǔn)控制，以同時(shí)滿足壓力箱涵防水錘和泵站機(jī)組防飛逸轉(zhuǎn)速的安全運(yùn)行要求，項(xiàng)目技術(shù)具有不可替代性。這一創(chuàng)新成果已成功通過了淮水北調(diào)工程初期的運(yùn)行檢驗(yàn)，運(yùn)行良好，具有對未來類似工程設(shè)計(jì)的引領(lǐng)作用■