牛栏江—滇池补水工程输水线路过小江活动断裂带方案研究

朱国金，李云，凌云

牛栏江—滇池补水工程是一项滇池水环境综合治理中的近期外流域调水工程，是滇中调水的近期重点工程。工程完工后计划每年向滇池补水近6亿m³，极大地改善滇池水环境质量，使滇池水质得到明显改善，规划到2020年滇池水环境质量得到根本性好转，2030年可实现滇池的水功能目标。同时，牛栏江—滇池补水工程还作为曲靖市生产、生活供水水源，也是昆明城市供水的主要后备水源。

工程由德泽水库水源枢纽工程、德泽干河提水泵站工程及德泽干河提水泵站至昆明（盘龙江）的输水线路工程组成。输水工程总长为115.8km，在昆明市寻甸县和嵩明县分别穿越云南省著名的区域性断裂—小江活动断裂带中段的东支和西支，两断裂均为全新世活动断裂，历史上沿两断裂多次发生7.0级及以上震级地震，对工程影响较大。

基于此，本文在分析小江区域活动断裂带对输水工程影响的基础上，对过小江区域活动断裂带的输水建筑物特殊结构方案进行研究，并采用数值分析方法对特殊结构方案适应较大构造变形能力和抗震性能进行深入研究。

1 小江区域活动断裂带对输水工程影响性分析

小江断裂带是川滇菱形块体的东南边界断裂，构成青藏高原和华南块体的部分边界，该断裂北起巧家盆地，南止于建水南，走向近南北，全长370km，区内长360km，分北、中、南三段。中段由东、西两支断裂构成，所夹持断裂带宽达10～20km。牛栏江—滇池补水工程在昆明市寻甸县和嵩明县分别穿横小江断裂带的东、西支。为深入了解该断裂带对输水工程影响，对输水建筑物穿越部位的主断裂带具体分布位置和发育规模以及活动特性进行了研究。

1.1 工程穿越部位小江断裂带发育情况研究

小江活动断裂带的岩性主要为玄武岩和灰岩，而断裂带内的填充物主要为碎裂岩、构造砾岩组成，表现为低电阻率和低波速带，基岩表现为高电阻率和高波速带，具备了开展浅层地震波勘探、高密度电法、电测深法和瞬变电磁法的地球物理前提。为此采用以地质为先导，高密度电法、瞬变电磁法、地震波法（折射、反射）、电测深法等方法相结合、互为补充的综合物探方法。

1.2 小江断裂带活动特性研究

以活动断裂研究成果为基础，采用断裂长度转换法、预测震级转换法和滑动速率法多方案的评估方法对小江断裂带（以东支为例）位移量进行计算，最后加权平均估计出断裂未来百年内最大可能位移量（见表1）。

根据表1可得，小江断裂东支水平位移量累计约为1.63±0.67m，垂直位移量约为0.99±0.45m，该区域高地震烈度区，地震设计加速度分别为0.445g。

由于小江断裂带百年位移量极大，输水结构适应百年的位移量是很困难的，考虑到本工程供水保证率仅为70%，尤其是在2030年后，补水滇池的水量大幅度减少，供水保证率更低，具有较长的检修时间，因此，综合考虑，工程过小江断裂带变形能力为30年，则水平位移量累计按（1.63+0.67）×30/100 计算，为0.69m；垂直位移量约为（0.99+0.45）×30/100=0.432（m）。

2 过小江区域活动断裂带输水建筑物特殊结构方案研究

2.1 研究思路

借鉴与该工程相类似的昆明市掌鸠河引水工程过普渡河断裂洞内明管方案，普渡河主断裂带宽150m，可能的最大变位为0.2m，采用在钢管（直径2.2 m）上每50m设一轴向、横向及轴向伸缩量均为100mm的复式万向型波纹管伸缩节适应断裂带地震位移。

考虑到该工程引用流量大（掌鸠河3倍）、断裂带宽、构造变形大、地震烈度高等特点，若采用洞内明管方案，工程规模将较大，工程投资较高，且洞内检修条件差，不利于后期维护，因此，初步确定本工程过小江活动断裂带采用地面明管方案，结合该区域的地形条件，输水建筑物采用倒虹吸结构形式。

为适应如此大变位和地震作用，过这区段的倒虹吸采用柔性结构，跨越主断裂带不设镇墩，双向聚四氟乙烯双向滑动支座、固定支座及适应变形能力较强的复式万向型波纹管伸缩节配套协调布置，断裂带的变位均由复式万向型波纹管伸缩节承担。

2.2 结构布置方案

以过小江断裂带东支为例，详细分析具体输水建筑物结构布置方案。

倒虹吸全部处于小江断裂带东支及其影响带内，其中2～3号镇墩之间管段处于主断裂带内，1～2号镇墩也在小江断裂带东支的影响带范围内。在主断裂中的小龙潭倒虹吸底部水平段（2～3号）镇墩间，采用在两个镇墩间各设5节复式万向型波纹管伸缩节，两个伸缩节间距为29.6m，每个复式万向型波纹管伸缩节按可独立适应大于100mm的变位设计。为以之相适应，支座采用聚四氟乙烯双向滑动支座，双向滑动支座顺管向位移量大于±100mm，横向位移量大于±100mm，支座间距设伸缩节的一跨为14m，不设伸缩节的一跨为15.6m。

3 过小江区域活动断裂带输水建筑物特殊结构方案适应性分析

采用三维非线性有限元分析方法对倒虹吸过小江断裂带的结构适应性以及抗震性能进行分析研究。

3.1 计算荷载及荷载组合

3.1.1 计算荷载

（1）内水压力。作用于钢管内壁，最大内水压力为0.5MPa。

（2）重力。管道、镇墩和支墩混凝土、支承环和支座自重，地基为无质量地基。

（3）断裂带水平向和铅直向错动。

倒虹吸使用年限均按30年设计，则水平位移量累计按（1.63+0.67）×30/100 计算，为0.69m；垂直位移量约为（0.99+0.45）×30/100=0.432（m）。

水平位移分拉伸和压缩两种情况，铅直位移分沉陷和上抬两种情况。计算时假设模型右端面没有水平位移，右端底部没有铅直位移，水平位移作用于左端面，铅直位移作用与基础底部。

（4）地震荷载。小龙潭倒虹吸地震设计加速度为0.445g。

3.1.2 计算荷载组合

计算荷载组合见表2。

3.1.3 复式万向型波纹管伸缩节选型

复式万向型波纹管伸缩节作为倒虹吸系统中的最为关键的部件，其可靠性和安全性关系整个系统的可靠和安全。根据类似工程经验，该工程采用复式加强U形波纹管，伸缩节则选用复式拉杆型伸缩节。拉板两侧的螺母起限位作用，所留有的活动间隙应不妨碍正常使用条件下波纹管的各向位移。为了防止地震载荷造成波纹管过度变形，拉板和拉杆应能承受地震的动载荷。单个伸缩节可以满足横向和轴向变位100mm要求。

复式加强U形波纹管的主要几何参数如下：内径为3400mm，波高为90mm、波距为80mm、单层壁厚为2mm、层数为1，其中单个波纹管为3波。

3.2 计算模型

以小龙潭倒虹吸为基础，建立过小江活动断裂带倒虹吸结构的三维有限元模型（如图1～图3），模型中钢管、支承环、加劲环采用四节点板壳单元模拟，混凝土和地基采用八节点实体等参单元或退化的实体等参单元（三棱柱）模拟，支座滑动面采用面—面接触单元模拟，波纹管采用管单元模拟。

3.3 倒虹吸系统结构构造变形适应性分析

根据计算成果分析，在小江活动断裂带各种错动变位模式下倒虹吸采用柔性结构是合理可行的。

（1）加劲环、支承环和支座应力均小于相应抗力限值，满足要求。

（2）错动位移主要由波纹管承担，波纹管的轴向和横向位移补偿量均在100mm以下，固定支座的转动量均小于1.2°，滑动支座的滑移量均小于100mm，均在设计允许范围内。总体而言，复式波纹管及支座的布置对适应错动位移是合理而有效的。

（3）镇墩底部铅直向应力（包括镇墩自重产生的压应力）大部分为压应力，压应力一般不超过0.3MPa，支墩偏心受压受力不均匀，底部大部分压应力在0.35MPa以下，基本满足地基承载力要求。

3.4 倒虹吸系统结构抗震特性分析

对倒虹吸结构进行三维非线性时程分析可知：

（1）正常运行遭遇地震时，在自重和水荷载的作用下，结构在y方向上发生了较明显的沉降位移，各支座上下滑板均保持接触且之间有较大的压力，说明遭遇地震时支座上下滑板不会脱开。

（2）波纹管两端部的相对位移均不大，小于相应的设计允许值100mm。滑动支座的滑移量也小于设计允许值100mm。钢管和支承环的应力均远小于相应的钢材抗力限值，满足安全要求。

（3）结构相对加速度和相对位移来看，结构相对运动的反应峰值基本上出现在0.90～1.2s，随后逐渐减小，5s之后相对运动很小，结构主要随地基发生运动。

（4）部分支墩高度达到3m，高支墩放大了输入地震加速度，并使结构在水平向的刚度有了明显减小，增加了结构的柔性，结构对地震激励的响应在前14s之内均比较大。但是，滑动支座的滑移量、波纹管补偿量及钢管和支承环的应力仍在设计允许范围内，满足安全要求。

总体而言，采用柔性结构型式的倒虹吸对适应大型活动区域断裂的较大变位和高烈度地震作用是合适可行的。

4 结语

本文在研究小江区域活动断裂带对输水工程影响性分析的基础上，提出了过小江区域活动断裂带的输水建筑物采用柔性倒虹吸结构，跨越主断裂带不设镇墩，双向聚四氟乙烯双向滑动支座、固定支座及适应变形能力较强复式万向型波纹管伸缩节配套协调布置，断裂带的变位均由复式万向型波纹管伸缩节承担的特殊结构方案，并采用数值分析方法对结构方案适应较大构造变形能力和抗震性能进行深入研究，结果表明该结构方案可以较好适应活动断裂的大变形和强地震作用。

目前该倒虹吸工程（见图4）已经投入运行，从监测数据来看结构安全可靠。

参考文献

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