某长距离引水工程输水管道及无压隧洞结构设计.pdf
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1、工程实践水利技术监督 年第 期:/某长距离引水工程输水管道及无压隧洞结构设计周明华(甘肃省水务投资有限责任公司 甘肃 兰州)摘要:供水工程因其建设地点与供水对象区域分布特点 其主要建筑物为引水管道与引水隧洞 文章介绍了某引水工程主要建筑物输水管道与输水隧洞的设计方案 通过对输水管道管材、特性等的比较选定管材 对管道水力特性计算、河道水深进行计算 介绍了隧洞洞身设计、支护衬砌结构设计、隧洞结构计算等方面设计 本工程设计方案可为其他项目提供借鉴关键词:输水管道 输水隧洞 结构计算中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:作者简介:周明华(年)男 工程师:工程概况某引水工程庄浪段应急供水工程是
2、覆盖庄浪县所有城乡居民生活及工业、建筑业、第三产业和集中养殖业用水的供水工程 现状水平年为 年设计水平年为 年 庄浪县 年人口 万人 预测 年人口 万人 本工程取水点为洮供水二期工程七干渠 自七干渠小岔沟分水闸取水后经过长距离管道(含隧洞)引水至南洛河南坪调蓄水池 本工程主要由引水系统、调蓄水池等建筑物组成 七干渠年引水量 万/(水厂进口断面)引水流量为 /南坪调蓄水池总容积 万 工程等别为等 工程规模为中型 输水管道设计 输水管道管材比选引水管道是本工程的重要组成部分 投资占比很大 因而管材选择十分重要 结合本工程实际情况 该阶段选用几种工程常用管材 再根据其结构特性、适应性、材料供应等条件
3、比较 按照上述基本原则 通过技术、经济、安全等方面综合比较选定 供水管道目前一般可供使用的管材有钢管、球墨铸铁管、预应力钢筒混凝土管()等本工程管线设计内水压力为 多段管线具有处于高水压段、穿越河谷或沿河(沟)滩地、阶地敷设的特点 并借鉴其他相近工程的成功经验 确定设计内水压力 的管段采用钢管 设计内水压力 的管段 结合调查后的管材经济性、适用性、技术性等方面进一步比选 预应力混凝土管的抗渗能力、水密性和耐久性较其它 种管材 特别是较 管较差 同时其使用寿命较短 施工安装重量大 适应地形能力相比其他管材较差 因此本工程不采用预应力混凝土管 对本工程来说 玻璃钢夹砂管所采用的树脂要求较高 必须是
4、食品级无毒树脂 相应成本也会增高 因此本工程不推荐使用玻璃钢夹砂管对管道设计内水压力 的管段进行管材比较 各管材的工程特性比较见表 从经济性方面 总干管管径为 内水压力 以下的 种管材中球墨铸铁管价格最低 管价格次之 钢管价格最高 球墨铸铁管优于其他 种管材 南洛河干管管径为 种管材中 球磨铸铁管价格 管 钢管 球磨铸铁管优于钢管和 管从管材、施工特性方面 钢管具有可延性好不宜爆裂 抗变形能力好 强度高 施工速度快等优点 而球磨铸铁管和 管均采用柔性接头且数量极多 若地基不均匀沉降变形 接头处容易拉裂后漏水 对施工条件、地基条件的要求相对较高 因此从管材、施工特性方面 钢管优于球墨铸铁管和 管
5、 年第 期水利技术监督工程实践表 管材工程特性比较表比较项目钢管球墨铸铁管 管管长每节定制长度 每节定制长度 每节定制长度 管道重量每节重量大约 每节重量约 每节重量大约 管道接口焊接接口 焊口多单胶圈柔性接口 管节短采用钢制承插口 承插口有滑动式胶圈抗腐蚀性能可采用内外涂塑防腐 防腐效果较好内表面衬水泥砂浆 外表面喷锌再涂沥青 防腐效果较好混凝土结构 防腐性能一般抗变形性能可延性好 不易爆裂 抗变形能力好可延性好 抗变形能力一般抗变形能力较好 不易爆裂抗震能力强度高 抗变形能力好柔性接口抗震能力好抗震能力强抗二次污染内防腐不易长久 易生锈易堵塞阀门水表 滋生铁锈无目前应用情况广泛使用广泛使用
6、长距离、高工压、输水工程中广泛应用经综合分析比较后 设计内水压力 沿长尾沟沟道阶地、水洛河、南洛河河滩地行进的管段 管基较为稳定的管段采用球磨铸铁管 以降低工程投资 而余湾乡山梁上下坡段、隧洞进出口上下坡段、隧洞进出口上下坡段管基为自重湿陷性黄土 其地基不均匀沉陷对管道影响较大 故以上段管材采用钢管综上所述 设计内水压力 的管段 除余湾乡山梁上下坡段、隧洞进出口上下坡段、隧洞进出口上下坡段管段采用钢管外 其余管段均采用球磨铸铁管 设计内水压力 的管段采用钢管 见表 管道水力计算 沿程水头损失()式中 水流沿供水管线流动的沿程水头损失 供水管道长度 供水管道单位管长的水头损失/系数 本工程取值
7、供水管道的流量/供水管道管道内径 本工程局部水头损失按其沿程水头损失的计算 沟道、河道水深计算()输水线路管道埋设涉及小岔沟、南河、葫芦河、水魏沟、长尾沟、水洛河、南洛河 条 河床冲刷洪水按输水建筑物校核洪水对应流量 本次取 条主要河(沟)道实测水文横断面 其中小岔沟 条、南河 条、葫芦河 条、水洛河 条、南洛河 条 沟道、河道河床组成物为细砂、粗砂、砂砾石等 确定河床综合糙率为 (/)/()式中 当前河道平均糙率 当前河道平均过水断面面积 河道平均水力半径 河道水面比降()沟道、河道水深及流速计算上 上 沿()式中 上、下、上、下上、下游河道过水断面的水 位、流速动能修正系数本工程取值为表
8、输水管道管材、管径及压力分段表点号设计管中心高程/设计流量/(/)管材选用管径/节点水压线(分段)高程/动水压差/静水压差/最大工作压力/设计内水压力/钢管 钢管 钢管 钢管 球墨铸铁管 球墨铸铁管 球墨铸铁管 球墨铸铁管 工程实践水利技术监督 年第 期 沿水流沿供水管道的沿程水头损失 沿 水流沿供水管道的局部水头损失(本工程没有阻水建筑物 不计局部水头损失)沿程摩阻坡度:()式中 谢才系数()式中 曼宁公式采用/依据上述基本资料和计算公式 推算管道埋设沟道、河道设计洪水对应水深、流速 沟道、河道河床冲刷计算公式如下()式中 当前河道的局部冲刷深度 计算处河道冲刷处的平均水深 河道的近岸垂线水
9、流平均流速/河道泥沙的平均启动流速/与岸坡形状有关 本次取/计算结果见表 无压隧洞设计 无压隧洞洞身设计本工程输水线路无压隧洞总共为 条 分别为、隧洞 总长度为 隧洞在卧龙镇双河村处进洞 至朱店镇山庄王家村出洞(桩号 隧洞长 )隧洞在水洛镇阳屲山村附近进洞 至水洛镇王家山村附近出洞(桩号 隧洞长)、隧洞为 类、类、类围岩 隧洞的横断面采用三心圆拱型断面 净断面尺寸 (宽 高)、无压隧洞设计技术参数特性见表 隧洞结构计算()计算依据及计算方法依据相关规定 无压隧洞可采用结构力学方法进行计算 本次计算采用引水工程常规水工隧洞设计软件 该软件为同济大学隧道及地下工程研究所针对引水一期隧洞设计共同开发
10、的一套隧洞计算分析软件 为常规水工隧洞设计分析程序 用于计算水工隧洞在设计荷载作用下的结构内力 并在引水一期工程中结合工程实际应用进行了修正 使用该软件进行隧洞衬砌和支护设计 其计算工况、荷载计算和组合、结构计算分析方法、参数取值等能够满足相关规范要求根据工程地质勘察及试验研究 选取的围岩物理力学参数见表()计算工况及荷载组合结合实际情况 按照运行期及施工期工况 选用以下荷载组合计算:表 河流冲刷深度计算沟道名称水文纵断编号冲刷处的水深/平均流速/(/)泥沙启动流速/(/)系数 床沙的中值粒径/河道冲刷处的水深/局部冲刷深度/近岸垂线平均流速/(/)小岔沟 南河 葫芦河 表 、无压隧洞工程特性
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