杨 丽，王中良

(1.四川省水利职业技术学院，四川 崇州，611231；2.巴中市红鱼洞水库运行保护中心，四川 巴中，636600)

1 工程概况

南江县红鱼洞水库工程是一座以灌溉、防洪、城乡生活及工业供水等综合利用的水利工程。本工程为Ⅱ等大(2)型水库，枢纽由沥青混凝土心墙堆石坝、右岸开敞式溢洪道、左岸泄洪放空洞和灌溉取水口组成[1]。正常蓄水位650.0m，总库容1.66亿m3，兴利库容1.31亿m3，防洪库容0.197亿m3。灌区骨干工程包括南江右总干渠、沙八分干渠和恩阳分干渠，恩巴、仁枣、正恩共3条支渠。白四倒虹吸位于南江右总干渠第一流量段，设计流量18.17m3/s，加大流量21.8m3/s。

2 地形地质条件

白四倒虹吸位于流坝镇，横穿流坝河，采用埋管过河形式。河床地面高程543m～546m。根据白ZK1钻孔资料揭示，河床冲洪积层为松散的卵砾石夹砂，厚度3m～7m，下伏基岩为T2j灰岩，强、弱风化带厚度为2m～3m和6m～8m。

进口岸坡段高差约61m，斜坡地形约31°。公路以上地表基岩裸露，公路以下地表出露0.8m～1.5m不等的松散人工堆积杂填土。下伏和出露基岩为T2j灰岩，强、弱风化带厚度为4m～7m和12m～15m。该段边坡岩层倾向坡内，为反向坡，边坡整体稳定。

出口岸坡段高差61m，斜坡地形约24°～41°。地表基岩裸露，基岩为T2j灰岩，强、弱风化带厚度为4m～6m和11m～12m。强风化段地表发育有溶沟、溶槽等岩溶地貌，充填有粘土夹碎石，出口侧岸坡天然状态下稳定。

3 白四倒虹吸布置原则及管材选择

3.1 白四倒虹吸布置原则

(1)选择地质条件较好、坡度较缓的区域布置，且原则要求平面管线为一条直线。

(2)选择施工条件较好，利于临时建筑物布置的区域。

(3)选择有利于检修闸房和放空设施的布置区域。

3.2 管材选择

白四倒虹吸工作水头达60m，加大流量21.8m3/s，设计管道至少双管且管径大于2m，宜优先采用受力条件和水力条件较好的圆形断面，不考虑矩形断面结构。根据本工程倒虹管所承受的最大水头H和管道内径D的乘积HD值(本工程HD最大值为384.2)，可以初步确定管道材料宜从以下材料中选择：预应力钢筋混凝土管、玻璃钢管(GRP)、钢管、预应力钢筒混凝土管(PCCP)和球墨铸铁管。其中，预应力钢筋混凝土管比较经济，但重量较大，防渗效果一般，受其材料力学性能限制，其允许的最大HD值偏低，不适合在本工程使用；玻璃钢管优点在于重量轻便于运输、耐高温、防腐蚀性能强并且水力条件好，但是在阳光照射下易老化，受力不均时管身容易变形导致接头漏水，且爆管率较高，不宜选取；钢管承压能力强，满足本工程需求，缺点为其成本相对较高。因此，本工程重点针对PCCP管和球墨铸铁管进行比选。

3.2.1 特性比较

PCCP管和球墨铸铁管管材特性比较见表1。

表1 PCCP管和球墨铸铁管管材特性比较

通过上表比较分析可知，球墨铸铁管在力学性能、抗沉降能力、耐磨性能、施工、后期运行维护等方面具有优势。

3.2.2 施工分析

由于PCCP管单位长度的重量大，与同直径的球墨铸铁管相比，PCCP管的运输和安装不便、受制约因素多。本工程大管径的倒虹管施工难度大，因此，选取管径为2.4m的PCCP管和球墨铸铁管进行施工对比分析，见表2。

表2 PCCP管和球墨铸铁管施工方面对比

根据表2对比分析可知，在管材重量、运输及安装方面，球墨铸铁管均占有优势。特别对于施工经验方面，在高陡边坡进行大直径PCCP管道安装，据调查，在国内工程中目前尚无施工先例，风险较大。安装质量无法保证，一旦接口损坏，整根管道就报废，对施工队伍的技术水平和施工设备要求高；而球墨铸铁管由于管材相对较轻，采用柔性接口不易破坏，施工安装相对容易一些。因此从施工角度方面，球墨铸铁管具有明显的优势，推荐采用该管材。

3.2.3 投资比较

综合比较PCCP管和球墨铸铁管两种管材单米长度造价，对管径1.0m、1.4m、1.8m、2.4m造价比较，得出以下结论：①对于倒虹吸管径在1.0m～2.0m工程中，球墨铸铁管在平缓段和斜坡段施工每米的综合造价均比PCCP管便宜，管径越小球墨铸铁管综合造价优势越明显；②对于倒虹吸管径大于2.0m的工程中，球墨铸铁管在平缓段施工每米的综合造价均比PCCP管贵，在斜坡段施工每米的综合造价均比PCCP管便宜，但差额并不大，需根据倒虹吸布置的地形条件进行综合比较选择管材。

3.2.4 比选结论

综合比较PCCP管和球墨铸铁管的管材特性、施工条件及投资后，推荐材质较轻、安装及运输方便、防腐性能更好且投资更节约的球墨铸铁管。

4 应用设计

4.1 方案拟定

平面轴线呈直线布置，经过水力学计算后采用3根直径2m的球墨铸铁管。由于流坝河相对较宽达150m，且河床覆盖层较厚，通过方案比较跨河段采用管桥方案投资较贵，因此，推荐采用河床埋管并外包混凝土方案。

4.2 结构设计

白四倒虹吸整体布置包括进出口闸室段、斜坡段和河床埋管段，平面总长度331m。管道采用3管球墨铸铁管布置，管径2.0m，等级K9级，采用T型承插式柔性接口，管铺设允许偏转角度<1°。承插直管标准段长度6m，管轴线间距4.5m，净间距2.5m。

(1)白四倒虹吸进口闸室段：长30.7m，其中进口渐变段长度12.0m。进口闸室段长6.0m，为3厢钢筋混凝土结构，布置3孔3.0m×3.5m拦污栅及节制闸，消力池段长10.0m，斜坡1∶2，池底板高程591.94m，由隔墙分成3厢，分别连接倒虹管的进口，最大闸室高度8.4m。

(2)进、出口斜坡段：长度分别为78.4m、82.6m，在顶部、中部和底部设镇墩，各布置5个镇墩。进出口斜坡段管线最大坡度分别为38°和43°。球墨铸铁管基础采用混凝土管槽，管顶采用开挖碎石土回填，厚度0.5m，并要求压实，回填土可以增加管道的横向稳定性。在进口斜坡段管道高程最低的4号镇墩处设置检修设施，即进人检修孔和泄水孔，进人孔顶高程高于河床枯期水面高程，同时检修阀室位于现状公路内侧，便于后期运行检修。

(3)河谷水平段：管道中心高程539.08m，最大水头59.28m，总长121.3m，采用埋管形式，外包混凝土厚度0.5m，基础采用碎石换填厚度1m，管道位于河床冲刷深度以下，管道上部采用开挖料回填至原河床高程，河床表面采用埋石混凝土厚度0.5m护面。管道安装完成后，需进行压水试验，以检测管材及安装接头是否满足要求。

(4)出口闸室段：长18m，其中出口渐变段长6m，为3厢钢筋混凝土结构，布置3孔3.0m×5.5m节制闸。出口闸室底板高程592.08m，最大高度7.5m。出口段加大流量水位597.05m，后接白四隧洞。

4.3 水力学计算

(1)倒虹吸过流能力计算[5]：

式中：Q为设计流量；m为流量系数；A为倒虹管过水断面面积；Σξ为局部水头损失的总和；Z为上下游水头差；λ为能量损失系数；L为包括进出口斜坡段在内的倒虹管的总长度；D为倒虹管断面直径；C为谢才系数。

(2)倒虹管的水头损失计算：

hw=(∑ξ+λL/D)×V2/2g)

式中：hw——倒虹管从进口至出口的总水头损失；

V——倒虹管断面平均流速。

白四倒虹管水力学计算成果见表3。

表3 白四倒虹管水力学计算成果

4.4 水压试验及其他要求

(1)管件最大工作压力0.6MPa，试验压力为1.0MPa。

(2)水压试验合格标准：

①主试验阶段。停止注水补压并且稳定15min后压力下降不超过0.03MPa时，将试验压力降至工作压力并保持恒压30min，进行检查，若无漏水现象，则水压试合格[6]。

②球墨铸铁管采用允许渗水量进行最终判定依据时，实测渗水量不大于3.00L/min·km，实测时间不小于2h。

③接头密封试验：球墨铸铁管接口在承受竖向30倍公称直径DN(单位N)外部剪力时不得有可见渗漏，试验外部受力应不小于0.2MPa。

(3)管材存储要求：储存地应干燥平整，下面加两道垫木，管径超过1800mm时只能够单层存放，不可堆叠储存。

(4)镇墩和外包裹混凝土施工时，若遇管道接头，需待管道接头试验完毕不漏水，且验收完成后方可进行余下混凝土的施工。

(5)管沟回填要求。

①管槽施工完毕并经检验合格后，应及时回填。回填前必须将槽底积水和施工时遗留的杂物清除出来，宜充分利用沟槽开挖料作为回填料。

②回填料要求：在管底至管顶50cm范围内不得含有粒径大于50mm的硬岩块以及有机物、垃圾等杂物。

③管底先回填密实20cm厚回填土(最大粒径不大于15mm)，待铸管安装完成后，再同时回填管道两内侧，最后回填至设计标高。

④回填时应分层夯实，管中心线以下每200mm为一层夯实，压实度不小于90%；中心线以上至管顶50cm以下每200mm为一层夯实，压实度不小于90%。须采用人工夯实。

⑤超出管顶50cm以上回填可以用小型机械从管道轴线两侧同时夯实[6]，每层厚度不超过30cm。

⑥接头处带工作坑，先将工作坑回填密实，然后与管身同步回填。

⑦注意回填期间重要的是要做到均匀回填，否则局部沉陷会特别大，必须小心均匀地做好回填工作。

⑧回填作业每层土的压实遍数，按压实度要求、压实工具、虚铺厚度和含水量，应经现场试验确定。

⑨在管道试压前，岸坡段管顶以上回填土厚度不大于50cm，河床段回填厚度不大于200cm，以防止试压时管道系统产生推移，造成漏水。管道接口前后0.4m范围内不得回填，以便观察试压时是否漏水。

5 结语

(1)白四倒虹吸两岸斜坡段高差大，坡度较陡，通过采用球墨铸铁管，方便了运输、安装等施工，加快了工程进度。

(2)白四倒虹吸的成功施工，提供了大直径球墨铸铁管在高陡岸坡中运用的工程实例。

(3)截至目前，南江右总干渠其余建筑物尚未完工，白四倒虹吸尚未过水验收，后续需持续关注运行期状况。