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浅析蠕动地基上小型倒虹吸工程设计董旭辉

发表时间：2021/7/6 来源：《基层建设》2021年第12期作者：董旭辉

[导读] 糯节河水库灌区位于华宁县通红甸乡，水库坝址则位于青龙镇倒马坎村委会岩脚村北东方向800m的糯节河上，地理坐标东经103°02′48″，北纬24°23′17″，属南盘江水系

        浅析蠕动地基上小型倒虹吸工程设计
        董旭辉
        华宁县水利工程管理与质量安全监督站 652899
        摘要：本文通过介绍糯节河水库大龙树倒虹吸的改建设计，提出了蠕动地基上小型倒虹吸工程建设的可行办法。
        关键词：浅析蠕动地基小型倒虹吸设计

        1 项目基本情况
        糯节河水库灌区位于华宁县通红甸乡，水库坝址则位于青龙镇倒马坎村委会岩脚村北东方向800m的糯节河上，地理坐标东经103°02′48″，北纬24°23′17″，属南盘江水系。水库为蓄洪供水工程，控制径流面积22.7 km2，总库容401.68万m3，水库设计灌溉面积为7500亩，人畜供水为4080人及13620头大小牲畜，设计年供水量为446.03万m3。
        水库枢纽工程包括拦河坝、溢洪道及输水隧洞；输水渠道全长24.22km，包含了明渠、倒虹吸、隧洞及渡槽等建筑物。
        糯节河水库于2010年6月18日正式动工兴建，于2013年9月建成投入使用，目前水库实际灌面积为15000余亩，主要为柑桔，发挥了较好的灌溉效益。
        2 大龙树倒虹吸改建设计
        近年来，因通红甸乡大龙树村发生山体持续轻微滑动，通常也称地基蠕动，导致糯节河水库输水渠道的大龙树倒虹吸位移漏水，不能正常通水，反而又影响并有可能加剧该村山体滑坡。为恢复渠道正常通水，发挥水库应有的效益，并减小对村庄山体滑坡的影响，必须对该倒虹吸进行改建。
        2.1原倒虹吸情况
        大龙树倒虹吸原为预制混凝土管结构，基本沿村脚布线，在进口及出口间分三小段直线布置，采取管槽浅埋方式，中间设二个镇墩。倒虹吸管轴线长320m，设计水头15m，进口管轴高程1518.64m，出口管轴高程1516.21m，进出口水位高差3.28m，设计流量为0.4m3/s，管内径为600mm，设计水压力0.4MPa。
        2.2倒虹吸改建设计思路
        一般来说，为确保工程建设安全，建筑物必须布置于稳定坚实的基础之上。但大龙树倒虹吸处于持续轻微滑动的山坡上，上边是村庄，滑坡体前沿较低较远，这样，选择隧洞方案及下移倒虹吸位置方案都不可行。如果选择隧洞方案，洞线只有布置于村下或村后，先要查明地质情况，勘察工作量非常大，且后期村庄下爆破施工，带来的后遗问题较大，因此而加剧山体滑坡，影响村庄安全，则后果不可想象。如果选择下移倒虹吸位置方案避开滑坡体，则管线要下移170m，斜距位移450m，山区施工条件差，难度较大，工程投资也是不能接受的。经分析，这两个方案都不可行，还是只能在原位置改建，不能避开这个蠕动地基问题，但设计要考虑解决倒虹吸本身的安全稳定和其对滑坡山体的影响。
        第一，为减小对地基的影响和运行管理方便，宜采用明管敷设的型式。这样不必再进行基槽开挖，不再扰动原地基。以后运行过程中如果有渗水，便于发现和维修，渗水也只是在地表，对山体不会有大的影响。
        第二，选定明管敷设方式后，要考虑的是管材问题。原倒虹吸采用预制混凝土管结构，地基稍有变形后，就会发生漏水，而且漏水后难于修复，已不适用。适应变形较好的是PE管，但明敷露于地表，老化速度较快，且容易遭到无意或人为的损坏。根据本工程的地形地质条件，经综合分析后确定采用钢管，钢管较适于明敷，不易被破坏，且接入伸缩量大的伸缩节后，能适应地基一定的变形，就算变形较大发生断裂后，也容易维修。
        第三，常规的倒虹吸明管，在转角处都应设置镇墩固定，以抵销管道中水流转向产生的作用力，中间还需根据管道长度设置支墩支承，支墩顶部设有弧形钢垫片便于管道定位及伸缩。大龙树倒虹吸因地基持续轻微滑动，转角处不宜按常规用钢筋混凝土镇墩钢性固定，否则，镇墩随地基滑移，将带动倒虹吸管一起位移，倒虹吸管很容易断裂漏水。这也是大龙树倒虹吸改建要考虑的重点和难点。经过认真考虑分析，宜采取一种“半镇墩柔性固定”的方法来解决上述问题，即钢管置于镇墩顶上，并采用“上拉下推”来“柔性固定”管道，“上拉”为钢筋连接锚柱拉住钢管，“下推”为丝杆连接锚柱推着钢管，这样既有固定管道的作用力，又不会因地基滑动引起管道位移。因为，如果地基滑动镇墩位移，“上拉下推” 就会松弛，不会施加管道以外力，这时候，可采取收紧上拉的钢筋，拧伸下推的丝杆，以恢复“半镇墩柔性固定”的作用。同时，为适应管道位移，支墩顶部也直接采用混凝土浇筑成平面，不再设置弧形钢垫片，允许钢管在支墩顶部适当位移。当倒虹吸管位移超过设计的量后，仍可以适当加长管道，按原设计原理修复倒虹吸。
        2.3倒虹吸改建设计成果
        因大龙树倒虹吸仍按原位置布线，考虑延用原来的进出口，并各保留一段混凝土管与新的钢管连接，连接处采用钢筋混凝土包管，钢管共布置312m。倒虹吸相关的设计参数未有大的改变，管内径为600mm，设计水压力0.4MPa，参考相关工程，钢管壁厚确定δ＝6mm。参考原设计的镇墩尺寸，为便于“上拉下推”的布置，改建方案镇墩平面适当扩大，长度3m，宽度2m，高度2.5m。管线中间根据实际地形整平并置于地表，架空地段每8m设置一支墩，在三个直线段各设置一个伸缩量大的伸缩节。管线两个转角处采用“半镇墩柔性固定”。倒虹吸布置及“半镇墩柔性固定”示意如下图。
        平面布置示意图             “半镇墩柔性固定”示意图

        3 结束语
        大龙树倒虹吸改建工程，已于2018年2月至3月按设计方案实施完成，工程实际投资45.22万元。改建完成后即向灌区供水，经巡查倒虹吸运行正常。截止目前，改建后投入运行已3年多，运行情况基本与设计吻合，可见这个设计方案还是成功的。当然，在具备条件的情况下，工程建筑物还是应该布置于稳定地基上，像大龙树倒虹吸一样，确实避不开这种地基时，就得广开思路想法解决。
        参考文献：
        [1]农村水利技术人员培训教材.小型水工建筑物[M].北京：水利电力出版社，1992.
        [2]天津大学.土力学与地基[M].北京：人民交通出版社，1980.
        [3]四川省水利电力厅科技情报中心站.农田水利工程常用公式汇录[G].1983.