永丰倒虹吸水利工程规划设计要点

李怀蓉

(云南省昭通市水利水电工程质量监督站 657000)

1 基本情况

渔洞水库南干渠永丰倒虹吸水利工程地处云南省昭通市永丰镇小闸村，两岸水平段长320m，穿越昭鲁主干道。管材为预应力混凝土管及钢管，位于南干渠原技施设计34+772.8～35+465.1里程处。长709.9m，距昭通市区15km，是渔洞水库南干渠最后一个引水建筑物。

永丰倒虹吸工程因技施设计时沿用初设阶段管轴线，施工单位中标进场施工放线时，发现管轴线穿过昭鲁河桥墩，斜交小闸村公路及交通桥和永丰抽水站抽、排水沟。为确保公路桥不被破坏，交通畅通及抽水、排水沟畅通，减少赔偿，渔洞水库工程管理局要求将永丰倒虹吸管道轴线向昭通方向平移30m。为此笔者所在单位根据轴线平移后的轴线重新进行设计，在设计过程中，又因为接到工程管理局“关于永丰倒虹吸跨河段管道设计高程不符合防洪规划的通知”，对穿越昭鲁河底段管道高程进行了调整及相应的设计变更。

2 工程地形地质情况

工程地质分进水池、进口段、水平段及跨河底段、出口段、出水池几部分。

进水渠为人工采煤堆土、粉细砂。进水池处地形平缓，原推测表层2～3m为第四系黏土，下部为第三系泥石层;根据开挖后揭露的地质情况，该段上部为人工回填土，厚4～6m，中部为砂质黏土及泥炭，下部为淤泥，地基承载力每平方米4～6t;进口至水平段下坡部分为15～20°的缓坡台地，为第四系坡残积黏土;水平段及跨河底段为第四系湖沼相淤泥、草煤，厚2～3m，下部为粉细砂层;水田至出水池段上部为第四系黏土，下部为强风化砂页岩，出水池为黏土。

3 工程布置设计要点

永丰倒虹吸横跨昭鲁大河及河道两岸的农田，是渔洞水库南干渠的最后一个输水建筑物。水源为渔洞水库库水，泥沙含量虽少，但因为倒虹吸是南干渠最后的输水建筑物，沿途明渠带了很多泥沙，为尽量减轻泥沙淤积，根据本工程情况，利用进水口前面40余米处的一凹地，作为渠道的沉砂池，长矩形布置，清淤采用人工清淤。进水池宽10.8m、长20m、宽1.8m，因所处地基很差，对进水池基础作了砂石垫层置换处理:取消原进水池沉砂池及冲砂建筑物，仅保留进水池，基础采用砂石垫层置换，进水池挡墙由原来的75号浆砌块石重力式改为钢筋硅悬壁式。管道进水池渐变段前设拦污栅。进水池渐变段前渠道底板高程1928.11m;进水池设计水位1929.21m，校核水位1929.31m。进水池由于布置泄水道线路很长，溢水系统设计取消，在倒虹吸进口至水平段下坡顶部(管线经过地形最高点)设排气孔排气，避免了管道冲水时管道中部最高点形成气囊，水输送不到出水池而在进水池溢水的情况。为避免加大流量进水池溢水，出口底部高程在原设计基础上降低了3m。

管身布置:倒虹吸管身采用圆形。圆形管道与同样过水面积的箱形、拱形管道相比，其湿周小，水流摩阻力小，水流条件好，过水能力强。由于倒虹吸管道线经过的地方均是耕地及良田，为了复耕，管身采用埋管布置，为减少投资及方便以后的运行管理，除拐弯及穿越昭鲁河底采用钢管外，其余全部采用预应力管。为节省开挖及回填工程量，管道线沿地形变化布置，在0+065、0+150.0+242.0+292.8、0+387.8、0+419、0+6140.2，0+647.0地形坡度变化及跨河段管道高程降低处分别设置镇墩;为利于行洪，将跨河段管道高程在水平段的基础上再次降低3.2m，考虑到河段地处最低处，设计时该段采用了钢管处包钢筋混凝土防锈蚀设计。

从进口至水平田地的斜坡段、水平段、跨河底段、水平田地至出水池斜坡段，根据管道线穿越的不同地质情况做了有针对性的管道槽剖面设计，管道槽剖面由原来的1种剖面型式改为现在的4种;水平段管座基础置于淤泥、草煤上，对水平段、跨河底段基础进行了砂石垫层置换处理，跨河底段因高程很低，为避免运行检修，该段采用外包钢筋混凝土设计，提高了设计标准。

出水池底宽在原设计基础上加宽了1m，由原来的3m改为4m，并采用1∶0.5梯形斜墙设计，满足了消能需求，因出口流速较小不设消能设施。由于倒虹吸管身较长，为了能进人检修并保证管内不淤，管身设置进人孔1个，设于跨河段管道镇墩处。冲砂则考虑利用进出水池有压水进行冲砂，冲砂闸设于水田段与出口斜坡段交的7号镇墩处，冲砂泄水利用永丰抽水站现有的抽、排两用沟。

4 设计参数

永丰倒虹吸位于 34+201～34+911处，长709.9m，管材为预应力混凝土管及钢管，预应力管道管壁厚8cm，设计压力0.4～0.6MPa，是渔洞水库南干渠最后一个输水建筑物。其最大工作水头Hmax=33.6，Hsg=31.8，Hmin=28.112;倒虹吸设计流量Q设计=1.5m3/s，加大流量 Q加大=1.85m3/s，最小流量Qmin=0.52，管道长L=685.9m，预应力管长640m，倒虹吸管直径D=1.0m，管道总长690.9m，水平段L平=290m，钢管L钢=45.9m。

管中流速 vmax=2.3，vsg=1.9，vmin=0.7;进出口水池水位高差 Zmax=6.0，Zsg=4.2，Zmin=0.5;管道糙率N=0.015。

出水池渠道底板高程1921.80m，设计水位1922.62m，校核水位1922.72m。

5 水头损失计算

5.1 沿程水头损失

v——管中流速;

Q——流量;

W——过水断面面积。

经计算 v设计=1.91(m/s);v加大=2.29(m/s)

式中 R——水力半径，R=0.25;

χ——湿周。

式中 C——谢才系数，C=52.9;

n——糙率，n=0.015。

式中 λ——沿程损失系数，λ=0.028。

h沿设计=3.61m;h沿加大=5.196m

5.2 局部水头损失

弯道损失系数见表1。

表1 弯道损失系数

ζ弯= ζ90°∑a=0.36(0.18+0.19+0.41+0.33+1.4×2+0.171+0.44)=0.36×4.521=1.63

局部水头损失系数见表2。

表2 局部水头损失系数

总局部损失系数∑ζ局=0.5+1.63+0.3+1.0+0.15=3.58

总局部水头损失h局=∑

h局设计=0.67m;h局加大=0.96m

5.3 总水头损失

设计流量水头损失:H设计=4.28(m)

加大流量水头损失:H加大=6.15(m)

设计流量、加大流量理论计算值与实际情况对比见表3。

表3 设计流量、加大流量理论计算值与实际情况对比

计算值与工程实际的水头富余量为:

设计流量时为2.31m，加大流量时为0.44m。

6 体会

工程设计一定要从实际出发，根据实际的地形、地质及外部环境、社会因素等综合考虑设计方案，工程措施必须与工程实际相结合，使设计符合实际，尽可能避免工程一开工便修改设计的事情。应加强测量、地质基础工作，这对提高设计质量有很大帮助。

永丰倒虹吸新轴线设计与原设计相比，从进水池到出水池、管身段、冲砂孔等所有各部设计均根据工程实际采取了相应的切实可行的工程措施，进出水池高程也作了调整。

工程规划设计时，应将与工程相关的因素均考虑进去，如1999年的《防洪规划通知》，以避免设计工作重复。重新设计的管道做了几个关键的技术处理措施。主要有:

a.管道轴线在原技施设计时轴线向昭通市方向平移30m，以确保公路桥不被破坏，交通畅通及抽水、排水沟畅通。

对穿越昭鲁河底段的管道高程进行了调整，跨河段为利于防洪，在水平段单独将河底段长45.9m的管道中心线高程降低3.2m，大大减少了320m的水平段开挖工程量。增设了管道镇墩，由原来的4个镇墩增加到现在的8个，大大减少了管道沿线开挖及回填工程量。

b.从永丰倒虹吸工程设计中，我们看到本工程巧妙地利用进水池进水口前面40余米处的一凹地，作为渠道的沉砂池;管道冲砂孔由原来的公路以上改为现在的公路以下，避免了公路开挖所带来的影响。冲砂闸设于水平段与出口斜坡段交叉的7号镇墩处，冲砂泄水利用永丰抽水站现有的抽、排两用沟，充分利用工程现有地形、设施，节约了工程投资。根据管道线穿越的不同地质情况做了有针对性的管道槽剖面设计，管道槽剖面由原来的1种剖面型式改为现在的4种;水平段管座基础置换了砂石垫层。

c.溢水系统设计取消。本工程采用设排气孔排气，为避免加大流量进水池溢水，出水池渠底高程比原设计降低了3m，确保了在任何时候进水池的水不溢出，淹没农田，造成不必要的赔偿和纠纷。真正做到优化设计又节约投资，既不过度设计，又无不足设计的情况，提高了设计水平。此方法在后来昭通市区烟水项目抽水站、管网工程中得到了广泛应用。

d.水力计算要准确，并留有一定安全富余量。计算值与工程实际的水头为:设计流量时为2.31m，加大流量时为0.44m。

7 结语

永丰倒虹吸工程从2001年完工至今已正常运行10余年，并不像露天钢管那样需要花费大量的人力物力刷漆防锈，这说明本工程设计、构思是比较到位的。

1 余际可，罗尚生，田文铎，等.倒虹吸管(灌区水工建筑物丛书)［M］.北京:中国水利电力出版社，1983.

2 华东水利学院.水电站建筑物(水工设计手册7)［M］.北京:中国水利电力出版社，1989.