邱學(xué)山，李 帆，孫 丹，郝青芳，潘逸卉

(1.河海大學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210024；2.江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210017)

0 引言

頂管法施工屬于非開(kāi)挖施工的一種，具有不阻斷交通、不拆遷、不影響周邊環(huán)境、無(wú)污染和噪聲等優(yōu)點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于市政排水、輸電等管網(wǎng)項(xiàng)目中，在水利工程中也有一定的應(yīng)用。大沙河引水地涵輸水管道采用頂管法施工，避免了因管道明挖施工對(duì)大沙河水源地的影響，確保了工程的順利實(shí)施。

1 工程概況

1.1 建設(shè)緣由

豐縣大沙河(草廟)水源地作為豐縣境內(nèi)第二水源，其水源為豐縣南線調(diào)引的江淮水，通過(guò)銅山鄭集河及鄭集南支河、梁西河調(diào)入大沙河，線路經(jīng)過(guò)銅山區(qū)、沛縣等兩縣(區(qū))。受沿線部分河道污水影響，調(diào)水水質(zhì)部分時(shí)段達(dá)不到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。為保障水源地水質(zhì)達(dá)標(biāo)，在梁西河末端新建引水地涵，將初期不達(dá)標(biāo)來(lái)水調(diào)入大沙河以西地區(qū)作為農(nóng)業(yè)灌溉用水。

1.2 工程任務(wù)

本工程主要任務(wù)為通過(guò)新建大沙河引水地涵，將梁西河初期不達(dá)標(biāo)水體調(diào)入大沙河以西作為農(nóng)業(yè)灌溉用水，以確保由梁西河進(jìn)入大沙河的水體水質(zhì)達(dá)標(biāo)，同時(shí)也充分利用水資源。

1.3 工程規(guī)模

大沙河引水地涵為下穿大沙河輸水涵洞建筑物，工程設(shè)計(jì)過(guò)流量為12.0 m3/s，輸水管道、豎井、控制閘等主要建筑物級(jí)別均為3級(jí)。

2 設(shè)計(jì)方案

本項(xiàng)目輸水管道須穿越大沙河，因大沙河為豐縣的重要水源地，無(wú)法采用斷流明挖施工，因此需采用頂管法施工。

2.1 輸水管道根數(shù)選擇

根據(jù)現(xiàn)狀，結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，在滿足輸水需求情況下，擬定一根φ3 800 mm的輸水管道(方案一)和兩根φ2 600 mm輸水管道(方案二)方案進(jìn)行比較(見(jiàn)表1)。

表1 管道數(shù)量方案比較

上述兩種方案技術(shù)上均可行，且都能夠滿足本工程的設(shè)計(jì)過(guò)流能力要求。方案一輸水量稍大，建設(shè)投資相對(duì)略低，但輸水管道運(yùn)輸不便，對(duì)施工吊具要求高，且沉井深度深，頂管超出了常規(guī)的施工尺寸，同時(shí)，運(yùn)行管理上不如方案二靈活。綜合考慮，推薦方案二作為工程布置方案。

2.2 輸水管道管材選擇

根據(jù)類似工程，本項(xiàng)目輸水管道可選用的管材主要為鋼管、球墨鑄鐵管、預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管、鋼筋混凝土管等?？紤]到焊接鋼管易受腐蝕，大直徑球墨鑄鐵管鑄造難度大、價(jià)格高，預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管需要增加工作井、接收井尺寸，土建費(fèi)用高。因此，本項(xiàng)目管材推薦采用鋼筋混凝土管，設(shè)計(jì)管道內(nèi)徑2 600 mm，壁厚260 mm，管道外徑3 120 mm。

2.3 建筑物布置

本工程自大沙河?xùn)|側(cè)梁西河向西側(cè)灌區(qū)輸水，設(shè)計(jì)總輸水流量為12.0 m3/s。根據(jù)工程布置，工程主要建筑物有進(jìn)出水控制閘、進(jìn)出水箱涵、進(jìn)出水豎井及輸水管道。

(1)進(jìn)出水控制閘：分別在地涵的進(jìn)、出水口處設(shè)置控制閘，控制地涵輸水流量，方便地涵日常維修。控制閘共設(shè)兩孔，單孔凈寬3.1 m。

(2)進(jìn)出水箱涵：進(jìn)、出水側(cè)箱涵設(shè)置在控制閘與豎井之間，兩側(cè)箱涵長(zhǎng)度各81.0 m，布置兩孔，孔口凈尺寸為3.2 m×2.5 m(寬×高)，涵底高程38.5 m。

(3)進(jìn)出水豎井：采用沉井結(jié)構(gòu)，豎井平面布置2孔，單孔平面凈尺寸10.5 m×9.0 m，井底高程26.65 m。

(4)輸水管道：輸水管道采用內(nèi)徑為2.6 m的鋼筋混凝土管，共計(jì)布置2道，頂管法施工，管道中心高程29.00 m，單根管道長(zhǎng)395 m。

2.4 引水地涵水力計(jì)算

引水地涵按照倒虹吸結(jié)構(gòu)進(jìn)行水力計(jì)算，具體計(jì)算方法參照SL 482—2011《灌溉與排水渠系建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄C(見(jiàn)圖1)。

圖1 引水地涵進(jìn)水側(cè)設(shè)計(jì)圖(尺寸單位：mm)

2.4.1 水位組合

進(jìn)水側(cè)：進(jìn)水渠底高程38.5 m，水位41.2 m。

出水側(cè)：出水渠底高程38.0 m，水位40.6 m。

2.4.2 水頭損失計(jì)算

引水地涵水頭損失主要由局部水頭損失和沿程

水頭損失兩部分組成，水頭損失計(jì)算公式采用《灌溉與排水渠系建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄C.1.3，主要計(jì)算成果如表2—3所示。

表2 局部水頭損失系數(shù)

表3 水頭損失計(jì)算 單位：m

2.4.3 過(guò)流能力計(jì)算

引水地涵水過(guò)流能力計(jì)算公式如下[1]：

式中：Q為管道過(guò)流量，單位為m3/s；μ為流量系數(shù)；ω為管道出口的橫斷面積，單位為m2；ΔZ2為進(jìn)水側(cè)豎井與出水側(cè)豎井水頭差，單位為m。

根據(jù)上述公式進(jìn)行試算，當(dāng)上下游總水頭損失達(dá)0.6 m時(shí)，引水地涵的計(jì)算過(guò)流量結(jié)果如表4所示。

表4 沿程水頭損失計(jì)算

根據(jù)表4計(jì)算，地涵計(jì)算過(guò)流量大于設(shè)計(jì)過(guò)流量12.0 m3/s，過(guò)流滿足要求。

3 管道結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1 管道作用荷載計(jì)算

管道作用荷載主要有自重、上部土重、側(cè)向土壓力、管內(nèi)水重、管內(nèi)水壓、管外水壓等，主要作用荷載計(jì)算結(jié)果如表5所示。

3.2 管道內(nèi)力計(jì)算

采用《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》(CECS 246—2008)附錄B中的圓形剛性管道內(nèi)力系數(shù)法計(jì)算管道內(nèi)力[2]，管道計(jì)算各工況及其荷載如表5—7所示。

表5 管道荷載作用計(jì)算結(jié)果 單位：kN/m

表6 管道內(nèi)力計(jì)算荷載組合及計(jì)算工況

表7 管道內(nèi)力計(jì)算匯總

3.3 管道配筋計(jì)算

管道鋼筋計(jì)算應(yīng)先按荷載效應(yīng)的設(shè)計(jì)值進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算，再根據(jù)計(jì)算鋼筋面積進(jìn)行配筋，最后按荷載效用的準(zhǔn)永久值進(jìn)行裂縫驗(yàn)算。裂縫寬度如滿足要求，則計(jì)算完成；如不滿足，重新配筋，再次進(jìn)行裂縫寬度驗(yàn)算，直至滿足要求。

管道按壓彎構(gòu)件或大偏心受拉構(gòu)件進(jìn)行配筋計(jì)算；裂縫寬度可按GB 50069—2002《給排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》5.3.7條及附錄A進(jìn)行計(jì)算[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

本工程管道設(shè)計(jì)荷載：管頂覆土厚度h≤13 m，地面堆載10 kN/m2，管道工作內(nèi)水壓力為0.15 MPa，管道施工允許最大頂力為14 000 kN。本工程頂管外徑達(dá)到3 120 mm，單根頂管長(zhǎng)度395 m，屬于典型的大直徑長(zhǎng)距離頂管，對(duì)于長(zhǎng)距離頂管施工中應(yīng)考慮通風(fēng)、變電及增設(shè)中繼間。管道穿越河道段，應(yīng)確保管頂在河床下的埋深滿足管道的抗浮要求，同時(shí)，不應(yīng)小于1.5倍的管道外徑[4]。管道頂進(jìn)過(guò)程中須采取觸變泥漿等減阻措施，管道施工結(jié)束后，應(yīng)對(duì)頂管外壁的泥漿套采用水泥漿液進(jìn)行置換，以防止空洞對(duì)地面造成沉降。