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印度跨流域调水工程设计、运行及管理

      发表时间:2015-11-26

1印度水资源及跨流域调水工程概况
  
  印度是世界上第七大国,国土面积297.47万km2,人口近10亿,由22个邦和9个直辖区组成,可耕地面积占总面积的55%,农业产值占国民总收入的50%。全国年平均降水量1100mm,总降水量37万m3,蒸发量约占降水量的1/3,地表水年径流量约17万m3,7.9万m3入渗补充地下水,其中约2.7万m3可以被利用。印度的降水量分布不均匀,喜马拉雅山东部和西海岸的山脉年降水量为最大可达4000mm,东部阿萨姆地区为1000mm,在中部和南部的高止山脉背风坡面不到600mm,最干旱的西北部拉贾斯坦和塔尔沙漠以及孟买北部固贾拉特年降水量不足100mm。印度的河流水源有两种:一种是雪水补给的,在北部和西部经常引起洪水;另一种是季风雨补给(印度降雨量的90%集中在6~9月的雨季),在中南部造成短暂的洪水,这些河道旱季干涸,雨季暴涨,很有规律。
  
  印度现有灌溉面积2200万hm2,占可耕地面积的15%,仅占预计潜在灌溉能力的一半。据粗略估计,印度的1/3地区水量有余。1/3地区缺水,1/3地区水量时多时少。因此,开发印度水利资源最好和最可靠的办法就是把季风雨径流贮存在水库中,并用于作物需水期灌溉。由于水库库容与年径流相比根本谈不上实现有效控制和最佳利用,所以跨流域长距离调水就成为开发印度水利资源恰当而重要的方式。
  
  长距离大流量调水在印度已有五个世纪的历史,如西珠木那运河和阿格拉运河从喜马拉雅山调水至遥远的旁遮普、乌塔普拉德西和拉贾斯坦。20世纪开始,特别是印度独立以来调水工程快速发展,取得了巨大的经济效益。如北方邦的萨尔达-萨哈亚克调水工程从卡克拉河-萨尔达河送水到恒西平原,供水渠长260km,设计流量650m3/s,灌溉面积约160万hm2,拉牟刚嘎河供水工程,灌溉面积约60万hm2;巴克拉-前加尔调水工程,灌溉面积约133.33万hm2;那珠那沙供水工程,灌溉面积约80万hm2;唐巴德拉供水工程,灌溉面积约40万hm2以及正在建设中的拉贾斯坦运河工程,从喜马拉雅山输水到拉贾斯坦的沙漠地带,供水渠长178km,设计流量685m3/s,灌溉面积约120万hm2。
  
  20世纪90年代印度国家水文研究院提出的2000年及2025年全国需水量预测见表1。
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  表1印度2000年、2025年需水量预测表
  
  由此表可见,印度全国年需水量将由1990年的5520亿m3增加到2025年的10500亿m3,增加190%;其中灌溉用水由4600亿m3增加到7700亿m3,增加167%。其增长速度是十分惊人的。
  
  尽管近几十年对灌溉水源做了大规模的开发,但印度政府和各邦政府对长距离大流量调水问题仍在进行认真的规划和调查研究。这些调水规划有:哥达瓦利河-克里西那河-蒲那河调水计划;那马德河高水运河;西流河水东调计划;恒河建高坝蓄水计划;布拉马普特拉河-恒河调水计划以及开发拉贾斯坦沙漠计划等。印度政府已经认识到大规模调水对于开发水利资源和改善环境的重要性,可以期望,再过一、二十年这些规划中大部分将变成现实,那时印度大部分地区的社会经济、人民生活和生态环境将会面貌一新。
  
  2萨尔达-萨哈亚克调水工程设计、运行和管理
  
  萨尔达-萨哈亚克调水工程建于20世纪70年代中后期,已经正常运用20余年。调水工程位于印度北方邦,从发源于尼泊尔境内喜马拉雅山南麓的卡克拉河和萨尔达河取水,水源充沛。在两条河上各建一座低拦河坝和进水闸组成的引水枢纽。在两河之间建一条连接渠,长14.5km,设计流量为480m3/s,从卡克拉河调水入萨尔达河,以上为取水首部工程。输水总干渠自萨尔达河引水,全长260km(其中自26km至104km为双线并行输水,其余均为单线输水),设计引水量650m3/s,灌溉面积160hm2。灌区内主要作物为甘蔗、水稻、小麦、蔬菜和果树,主要灌溉期为6月至11月;11月至3月用水较少,一般维持在400m3/s左右;3月至6月为非灌溉期。总干渠基本处于平原地区,地形平坦,村镇稀疏,渠线比较顺直,渠道多为填方或半挖半填,设计水深7.0m~6.8m,渠道底宽48m~23m,设计边坡为1/2.0,纵坡为1/10000。总干渠渠道输水部分采用混合衬砌,衬砌结构自下而上为素混凝土垫层(厚10cm)-砖(厚12cm)-塑膜防渗层-砖(厚12cm),衬砌段长度合计130km。总干渠共设节制闸4座,分水闸12座。为保证输水安全,每隔40km~60km设退水闸一座,退水流量为相应总干渠设计流量的1/2,总干渠与现有河渠交叉处共设大型建筑物2座,其中渠渡槽1座、河涵洞1座。由于总干渠两侧村庄较稀疏,公路桥间距约为2km~4km左右。
  
  调水工程仍实行政府行政管理的事业体制。总管理机构为北方邦灌溉管理局,并在枢纽工程和重要建筑物处设管理处。灌区的农作物灌溉定额为1m水深(折合10005m3/hm2)。灌溉水费按作物类型以hm2计征,如:小麦为287卢比/hm2;甘蔗为474卢比/hm2。水费由地方政府征收,工程管理、运用和维修费用由政府拨付。工程运用方式也比较简单,渠道一般不按灌溉需水量输水,而是常年维持大流量输水,多余的水量送入下游河道。
  
  3戈麦蒂渡槽的设计、施工和管理
  
  戈麦蒂渡槽是目前世界上已建成的最大渡槽之一,位于萨尔达-萨哈亚克调水工程总干渠163km处,是总干渠跨越戈麦蒂河的大型交叉工程。总干渠设计流量357m3/s,戈麦蒂河设计洪水流量4530m3/s,渡槽总长473.6m,其中:进口渐变段37m,槽身段381.6m,出口渐变段55m。过水槽宽12.8m,高7.45m,由9.9m高的预应力混凝土纵梁、加劲肋和横梁、上连杆组成的框架系统支承。左右纵梁顶部均设有5m宽的公路桥连接戈麦蒂河两岸交通。渡槽下部结构空心槽墩和基础沉井,槽墩长18m,宽3m,高9m;沉井长27m,宽12m,深35m。
  
  戈麦蒂渡槽的工程设计、施工特征主要有以下几点。
  
  3.1增加盲跨,减少岸墩沉井深度
  
  戈麦蒂河设计洪水流量4530m3/s,经河道水利计算渡槽设10跨,每跨31.8m,即可满足行洪要求。但按此进行冲刷计算,河槽部位沉井埋置深度为35m,两岸沉井埋置深度达58m,不仅造价太高,施工难度也太大。因此,设计时在两岸各增加1跨31.8m的盲跨,两岸况井按埋置式设计,不再考虑冲刷影响。渡槽设计总长为12跨,每跨31.8m,共计381.6m。
  
  3.2输水槽与承重框架各自独立,解决槽身抗裂问题
  
  戈麦蒂渡槽上部结构采用预应力承重框架支承非预应力输水槽身的布置形式。这种结构受力明确,跨度31.8m的承重框架不直接挡水,不必进行抗裂计算;而输水槽身三面支承在间距为1.95m的横梁和肋板上属于密肋板结构,容易满足抗裂安全要求。由于采用这种结构,输水槽身可以分节布置,设计为每跨三节,每节10.6m,以增强槽身对沉陷、位移、温度、地震等变化的适应性。
  
  3.3承重结构采用预应力箱型框架,承载能力强
  
  戈麦蒂渡槽承重结构采用预应力箱型框架,框架由纵梁、横梁、竖肋和拉杆组成,为增强框架的刚度,底部纵梁和横梁之间还设置了十字交叉的系梁。框架的每一个部件均为预应力混凝土结构,每根纵梁设有38根纵向预应力钢绞线,每根横梁设有12根横向预应力钢绞线,每根竖肋设有3根竖向预应力钢绞线,每根拉杆设有4根横向预应力钢绞线。这个由三向预应力构成的高9.9m,宽14.6m,跨度31.8m的箱型框架具有很高的承载能力,经20余年的高水位运用,未出现任何问题。
  
  3.4采用两段钢槽连接段,选用合理的支座及分缝止水结构,适应地震、温度、伸缩、沉降变形
  
  为了消除槽墩沉陷和地震时纵向位移对结构和止水的影响,戈麦蒂渡槽采用了非常规的连接段、支座、接缝和密封止水形式。经计算和现场实验槽墩沉陷7.2cm~13.4cm,对应的渐变段侧墙顶端位移可达30cm。为此,在岸墩与渐变段之间设置了一跨长1.2m的简支滑动钢槽,钢槽支承在一侧固定,一侧可以滑动的圆柱铰支座和滚动圆柱铰支座上,能在滚动铰支座侧承受30cm的滑动位移。为便于滑动并保证密封止水,在支座的垫板上增加一叠10mm厚的铅片,并将带皱折的止水铜片焊接在钢槽和支座钢板上,使之能适应水槽的位移,保证渡槽不漏水。在渐变段内,将水槽分段与沉井布置相适应,即每段水槽放置于一个沉井上,并在沉井之间设置较小的水槽段。水槽支座采用特制的切线橡胶支座,相临水槽间设30cm的分缝并采用Ⅴ型橡胶止水。这种止水表面用钢板覆盖,钢板一边固定在一节水槽上,另一边搭接在另一节水槽上,钢板下铺设铝片并安装P型密封橡胶止水,防止泥沙进入。渐变段是渡槽沉陷、位移最严重的部位,采取以上措施保证了渡槽的安全运行。
  
  3.5渐变段采用沉井基础,减少与主槽段之间的不均匀沉降
  
  戈麦蒂渡槽上部荷载很大,主槽部位全部采用沉井基础。沉井为双D型断面,长27m,宽12m,井壁厚2.25m,隔墙厚1.5m。渐变段位于两岸槽身坐落在原状土上,如不进行处理将在主槽和渐变段之间产生很大的不均匀沉陷,造成结构破坏和渡槽漏水。为此,设计时特别重视两岸渐变段的基础处理,对渐变段的槽身也采用沉井基础。渐变段的基础沉井长26m,宽14m,比主槽沉井尺寸大,上游渐变段设3个沉井,下游渐变段设4个沉井,除与岸墩相临的两个为双D型断面外,其余5个均为矩形断面,矩形沉井壁厚为1.7m。为使设计更加符合实际,在戈麦蒂河左岸做了一个直径5m,壁厚1.25m的实验井,经详细观测得到:井壁摩阻力为1.9t/㎡;井底容许承载力为4.5kg/cm2以及荷载强度5kg/cm2时的总平均沉陷量。这些实测资料为沉井设计提供了可靠的依据。
  
  3.6梁系结构采用工字型断面,受力条件好
  
  戈麦蒂渡槽的主要受力构件均采用工字型断面。纵梁梁高9.9m;上翼缘宽5m;跨中部位腹板厚350mm,下翼缘宽600mm,高1.5m;两端各5.55m长部位腹板厚600mm,下翼缘宽1650mm,高1.5m;跨中部位与两端部位之间设600mm长的过渡段。横梁高1.5m;腹板厚350mm;翼缘宽均为1m,上翼缘厚150mm,带有高90mm的45°的梁腋;下翼缘边厚150mm,带有高150mm的30°的梁腋。拉杆也为工字型断面,截面高600mm,腹板厚350mm,上下翼缘均为450mm,厚150mm。主要受力构件采用工字型断面虽然给施工带来一定困难,单具有断面经济合理,便于配筋等优点,特别适用于预应力混凝土结构。
  
  3.7戈麦蒂渡槽工程量
  
  戈麦蒂渡槽于1973年10月开工,1978年竣工,总工期5年。主要工程量为:土石方35000m3,沉井土方开挖180000m3,混凝土和普通钢筋混凝土140000m3,预应力混凝土8000m3,钢筋7500t,钢模板和钢支架3500t。沉井开挖采用10t起重机加1.5m3抓斗,每口井使用两台。由于沉井自重很大,一般不需另加压重便能自行下沉,但是工地也准备了混凝土压重块,施工中有一个沉井就在使用加重块后一个月未沉陷,而在一次偶然情况下突然下沉10m,所幸未造成任何破坏。上部结构施工顺序为:纵梁,每根纵梁分3次浇筑;横梁;内外肋板;拉杆;输水槽以及其他小项工程,如护栏、耐磨层、连接装置等。纵梁施工由于河床土壤承载力很低,不能在地面安装脚手架和模板,为此制造了一台带滚轮的特种钢拱架梁,架设在槽墩上,一次可施工4跨。纵梁采用定型钢模板,分三层浇筑混凝土,一旦纵梁浇注完成并施加完第1期预应力后,钢拱架梁就移可至后面4跨,浇注后面4跨纵梁。横梁、肋板、拉杆、输水槽的模板均支承在从纵梁上缘悬挂下来的脚手行架上。由于输水槽的侧墙非常薄,侧墙混凝土分4层浇筑,并采用模板振捣器振捣压实。为防止漏水,输水槽底板和侧墙均涂刷了两层环氧树脂。预应力的施加程序为纵梁(先垂直后纵向);横梁;拉杆。纵梁浇筑完5天后开始施加垂直预应力,从纵梁中部向两端对称施加,在纵梁顶部加载,在底部灌浆封孔。纵向预应力分两期施加。第1期在混凝土浇筑完7天后开始对26根钢绞线施加预应力,梁底6根钢绞线的预应力足以承受纵梁自重,此时可拆除底部钢模板;第Ⅱ期预应力于纵梁混凝土浇筑完21天后施加,各纵向钢绞线均从纵梁两端施加预应力。纵梁预应力由纵梁向跨中对称施加,为减少附加应力对纵梁的影响,分三步进行:第1步,先对每根横梁的2根钢绞线施加预应力;第2步,对另外2根钢绞线施加预应力;第3步,用千斤顶将整跨框架顶升并将纵梁支承在只允许横向位移的滚住轴承上,再给横梁中的其他钢绞线施加预应力。所有横梁预应力均由一端施加,施工时左右交叉对称进行。拉杆施加预应力从纵梁两端1/4跨处开始,向跨中和两端对称进行。每根拉杆的预应力一次施加完成。所有的预应力钢绞线穿孔均采用混凝土泵进行灌浆,以确保浆体注满整个空间。该渡槽的其他部位施工均采用常规的方法。
  
  戈麦蒂渡槽设有管理处负责运用管理和养护维修等工作。运行20多年来渡槽经常在高水位下运行,未出任何事故。通过检测未发现工程有明显的位移和沉降,也未发现渡槽常见的漏水现象。这些充分说明戈麦蒂渡槽的设计、施工和管理水平都是很高的。
  
  (来源:南水北调与水利科技)

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