石城子截潜引水工程集水廊道设计与计算分析

2016-06-29朱苏秦新疆哈密地区石城子水系流域管理总站

河南水利与南水北调 2016年4期

□朱苏秦（新疆哈密地区石城子水系流域管理总站）

□朱苏秦（新疆哈密地区石城子水系流域管理总站）

摘要：石城子截潜引水工程的建设将充分利用有限的水资源，可以缓解大南湖矿区工业用水问题。文章根据工程所处工程地质条件和水文地质条件，计算了工程集水廊道的渗流量，以满足设计要求。同时，为了保证工程设计结构安全和稳定，计算了集水廊道所受最不利荷载组合下的弯矩和剪力，按照结构承载能力极限状态对集水廊道结构配筋按照抗弯和抗剪进行了验算，得到了可靠的钢筋布设方案，为工程的顺利开展提供决策依据。

关键词：集水廊道；计算分析

0　引言

石城子流域地处东天山末端哈尔里克山南坡，西与南山口流域为邻，东与榆树沟流域相接。地理位置介于东经93°48′～94°18′，北纬43°06′～43°23′之间，全流域在哈密市境内。哈密市南部是煤炭资源聚集区，也是哈密煤电基地建设区，而南部受地质构造的限制没有地下水资源，建设煤炭基地、煤电基地，水的保障供给成了基地建设的瓶颈。

为了充分利用有限的水资源来缓解大南湖矿区工业用水问题，满足将有限的水资源效益最大化的需要，拟修建石城子截潜引水工程。

1　工程概况

石城子截潜引水工程区位于天山东段的哈尔里克山南坡中、低山地带，地形北高南低，北面山地海拔2000 m，南面山麓高程1200 m，由集水廊道、截渗墙、引水管、引水渠道、导流堤五部分组成，截潜工程的截潜流量为0.05 m3/s，建成后每年可为大南湖矿区提供153万m3工业用水。

1.1截潜位置基本工程地质条件

区内地貌大部分为侵蚀构造的中、低山，山顶及山坡基岩裸露，沟谷为第四系松散沉积物。石城子河流发源于天山南坡，由头道沟和二道沟组成，头道沟河流长约45 km；二道沟河流长约35 km，两沟在石城子河沟口以上9 km处汇合，沟口段河流走向SW220°左右。河谷类型为“V”型谷，由于地壳抬升，沿河发育2级河流阶地。两岸山坡坡脚堆积零星坡积裙，倒石堆。现代河床为冲、洪积沉积。南面及西面山麓一带为第四系上更新统、全新统冲、洪积堆沉层。

地貌为侵蚀构造低山，地形北高南低，两岸山坡高程海拔1193.60～1217.50 m，河谷海拔1181.80～1182.60 m，河谷与两岸山顶相对高差32.60～37.50 m。河流走向S180°，河谷底宽40 m，河谷类型为“U”型谷。现代河床最大厚度15 m，卵、砾石物性试验成果表明：天然密度为2.19～2.24 g/cm3，平均为2.22 g/cm3；含水率为1.80～2.50%，平均为2.20%；干密度为2.15～2.19 g/cm3；平均为2.17 g/cm3；孔隙比为0.26～0.23，平均为0.25，属中密状态土。颗粒级配组成中，粒径＞200 mm的漂石含量平均为21.70%，200～60 mm的卵石含量平均为16.80%，60～5 mm的砾石含量平均为31.30%，粒径＜5 mm的颗粒含量平均为30.20%，粒径＜0.08 mm的细粒含量平均为2.70%，其不均匀系数平均值为175，曲率系数平均值为1.40。

1.2水文地质条件

在工程区范围内主要分布有第四系及华力西期侵入岩，其中华力西期侵入岩均为裂隙含水层，可视为相对含水层，而第四系松散堆积物为孔隙含水层，属强透水层，河水主要靠山区冰雪融化和降雨补给，工程区干旱少雨，由于构造原因，工程区无地下水出露，地下水循环特征表现为地表水补充地下水。石城子沟河水多年来一直滋养着下游城市和广大农牧民，矿化度＜1 g/L，属于淡水，利于灌溉，满足人畜和工业用水。

2　截潜集水廊道渗流量计算

2.1集水廊道

截潜工程引水形式采用集水廊道引水，廊道沿河床横向布置，尺寸为2.00 m×1.80 m的箱涵结构，墙厚0.30 m，钢筋混凝土结构，廊道首段高程为1180.70 m，末端高程1180.50 m。廊道总长20.60 m，坡度i=1/100，廊道进水孔为预埋DN100钢管，布置在廊道两侧和顶部，进水管孔距400 mm，集水廊道外包钢丝网，钢丝网孔径为1 mm×1 mm。廊道外设反滤料，反滤料由里向外依次为：d=40～80 mm卵砾石，d=20～40 mm卵砾石，厚800 mm，d=5～20 mm卵砾石，厚800 mm，d=1～5 mm粗细砂，厚为500 mm。进人通道和集水坑设置在廊道末端，进人通道进口高程为1186.40 m，集水坑底高程为1179.70 m，集水坑为矩形，尺寸2.00 m×1.50 m。通过台阶进人集水坑，进人通道宽1.50 m，台阶宽1.20 m，台阶右侧为0.30 m的地表引水渠，地表引水口布置在进人通道右侧，尺寸为0.30×0.30 m，由闸门控制。防止洪水期泄洪对反滤料淤积堵塞，在上游河床段反滤层顶部铺无纺布（150 g/m），等无纺布失去作用拆除重新铺设。

下游采用混凝土截渗墙防渗，混凝土标号为C20F200W6，高程1181 m以下墙厚为0.80 m，高程1181 m以上为0.40 m，混凝土截渗墙嵌入岩石0.80 m，截渗墙高出地面0.90 m，做成溢流坝，在桩号0+006.3处设置引水闸，孔口0.50 m，底板高程为1185.70 m，闸顶高程为1186.90 m，为下游村庄提供灌溉用水。在桩号0+008.15处设置冲砂闸，孔口0.60 m，底板高程为1185.50 m，闸顶高程为1186.90 m。

2.2廊道渗流量计算

截潜前，根据此次钻探资料，截潜处最大宽度28.30 m，覆盖层最大厚度15.00 m，采用断面法测算截潜水量：

式中，Q为截潜水量，K为渗透系数，取200.0 m/d，J为水力坡度，取5.00%，W过水面积，经计算为425.00 m2。

代入公式（1）得到：Q=4250 m3/d

截潜后，廊道为完整集水廊道，截渗墙前砂砾料处于饱和状态，水力坡度J=1，廊道两侧墙及顶板设置直径为0.10 m渗水孔，廊道外设置粒径为40～80 mm卵砾石反滤料，根据反滤料特性渗透系数K=2000.00 m/d，根据渗水流量Q=4250 m3/d，计算出廊道开孔个数。

单孔过水面积W单为：W单=7.85×10-3m2，渗透系数K单=2000.00 m/d，水力坡度J单=1，代入公式（1）得到单孔进水量Q单为：Q单=2000×1×7.85×10-3=15.70 m3/d

因此，所需孔数为n=Q/Q单=4250/15.70=271个

廊道四周总开孔数设计为360，满足要求。

3　截潜集水廊道结构计算

3.1设计工况

设计工况为施工完毕，廊道内未开集水情况，此时廊道内无有利荷载内水压力。次工况为最不利工况。

3.2荷载设计

外荷载为土压力，取上部砂砾石料体天然容重20 kN/m3，内摩擦角θ=30°，自重荷载为廊道自重，取钢筋混凝土容重25 kN/m3。

3.3荷载计算系数确定

建筑物为三级建筑物安全系数K=1.25。自重荷载分项系数γg1=1.05，土压力荷载分项系数γg2=1.20。

3.4计算模型确定集水廊道横截面如图1所示。

图1　集水廊道横截面图

设计计算取横断面计算廊道内力，将廊道横断面简化为四端固结，四边受荷的框架结构，如图2所示。采用弯矩分配法计算跨中、端点，剪力弯矩值。

图2　集水廊道荷载计算简图

3.5荷载计算

廊道顶部埋深h1=2.90 m，底部埋深h2=5.30 m。

上部砂砾石料体天然容重r土=20 kN/m3，内摩擦角θ=30°。钢筋混凝土容重r钢筋混凝土=25 kN/m3。

忽略土压力在廊道外壁上产生的有利荷载摩擦力，计算廊道受力。

3.6内力计算

采用弯矩分配法计算结构内力，如图3和图4所示。

图3　弯矩图

4　截潜集水廊道配筋计算

4.1廊道抗弯计算

考虑结构形式及施工情况采取选用最大弯矩做配筋计算，按此结果对廊道进行配筋［4，5］。底板最大弯矩M=53.33 kN·m，顶板最大弯矩M=28.47 kN·m，边墙最大弯矩M=10.78 kN·m按照承载能力极限状态设计，需满足下式

图4　剪力图

式中：K为承载力安全系数，工程建筑物级别为3级，在基本组合时，K=1.25；fc为C30混凝土轴心抗压强度fc=14.30 N/mm2，考虑廊道身带有集水孔，按孔面积比减小混凝土强度，fc= 12.83 N/mm2。受力钢筋选用HPB300钢筋，钢筋强度设计值fy=270 N/mm2；αs为截面抵抗矩系数；b为对于基础梁宽度，单宽板条b=1000 mm；h0为截面有效高度，h0=h-a，h为截面实际高度，此处为底板的厚度h=300 mm；a为纵向受拉钢筋合力点至截面受拉边缘的距离，a=c+10；混凝土保护层厚度c=50 mm，则a=c+10=60 mm，h0=h-a=300-60=240 mm。

将以上参数带入式（2），得：

截面抵抗矩系数：