南水北調(diào)中線沙河(北)渠道倒虹吸防護工程設(shè)計

王金晶

(河北省水利水電勘測設(shè)計研究院，天津 300250)

1 概 述

沙河(北)渠道倒虹吸是南水北調(diào)中線總干渠上的一座大型建筑物，按照《水利水電工程等級劃分及設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(SL252-2000)及國務(wù)院對《南水北調(diào)工程總體規(guī)劃》的批復(fù)意見(國函[2002]117號)，沙河(北)渠道倒虹吸工程等別為Ⅰ等，主要建筑物級別為1級。

沙河(北)渠道倒虹吸上下游河道存在嚴(yán)重采砂現(xiàn)象，改變了原有河床形態(tài)及抗沖刷條件，一旦行洪，河床將產(chǎn)生溯源沖刷。而南水北調(diào)中線總干渠與沙河(北)交叉斷面(即沙河(北)渠道倒虹吸)以上現(xiàn)有兩座大型水庫以及一座中型水庫，在 2012、2013年汛期連續(xù)兩年水庫提閘泄水。受溯源沖刷影響沙河(北)倒虹吸上下游河道在很大范圍內(nèi)河道底高程下切明顯，僅300 m3/s流量最大沖坑深達5.1 m，再遇較大洪水將危及倒虹吸的安全。需要采取工程防護措施，以保證倒虹吸工程的運行安全。

2 防護工程布置

本防護工程主要以防護主槽現(xiàn)狀河道采砂坑為主。工程布置情況如下：

1) 管身頂部采用鉛絲石籠進行水平防護，下鋪一層300 g/m2的土工布。水平段上游20 m，采用厚1.0 m鉛絲石籠，以1∶10進行斜坡護砌。樁前5.0 m，采用厚2.0 m鉛絲石籠，以1∶10進行斜坡護砌，護砌頂部原土回填至原地面高程。

2) 倒虹吸下游設(shè)φ1 500鋼筋混凝土防沖透水墻，中心距2.0 m，墻頂部設(shè)連接2.0 m×1.5 m(寬×高)鋼筋混凝土冠梁。為減少灌注樁入土深度以及對上游建筑物的影響，防沖透水墻下游設(shè)長20 m水平軟護砌段，護砌材料選用厚1 m鉛絲石籠，鉛絲石籠上回填土至原地面高程，以保護鉛絲石籠并減少工程永久征地。為防止鉛絲石籠下細顆粒在高流速水流下被帶走，墊層下鋪一層300 g/m2的土工布。

防護布置以及防護斷面圖詳見圖1、圖2。

圖1 防護工程布置圖

圖2 防護工程斷面圖

3 防護工程設(shè)計

3.1 水力設(shè)計

防沖墻下游沖坑深度，主要考慮兩個方面：①防護下游端形成的局部沖刷坑；②由于下游大量采砂坑的存在而引起的溯源沖刷。

3.1.1 水平防護下游端局部沖刷計算

根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》(SL 265-2001)附錄B.3河床沖刷深度計算，水平防護下游端沖刷深度計算公式為：

式中：dm為水平護砌末端河床沖刷深度，m；qm為水平護砌末端單寬流量，m2/s；[v0]為河床土質(zhì)允許不沖流速，m/s；hm為水平護砌末端河床水深，m。

3.1.2 溯源沖刷影響

由于現(xiàn)狀河道下游大量采砂坑的存在，將會引起溯源沖刷。下游砂坑距離倒虹吸較近的為3 km。資料顯示，該河段河底平均縱坡2‰。參照該天然縱坡，下游溯源沖刷形成的縱坡按2‰考慮，推算出防沖墻位置的沖刷線高程。

溯源沖刷線高程高于水平防護下游端沖刷線高程，故用沖刷線高程確定防沖墻深度。

為減小防沖墻深度，防沖墻后設(shè)柔性防沖段，考慮形成1∶5沖坑上游面護坡，可減小樁長。

3.2 防沖墻穩(wěn)定設(shè)計

倒虹吸管下游端設(shè)防沖透水墻，防沖透水墻采用鋼筋混凝土灌注樁，樁間凈距0.5 m。

樁的深度計算采用懸臂式板樁墻理論，在土壓力作用下板樁將產(chǎn)生側(cè)向彎曲變形，墻在上游主動土壓力作用下，將繞墻底部反轉(zhuǎn)點向下游轉(zhuǎn)動；下游則產(chǎn)生被動土壓力，達到平衡狀態(tài)，使墻體保持穩(wěn)定。結(jié)合板樁受力狀態(tài)，根據(jù)力矩平衡條件，確定板樁入土深度以及最大彎曲應(yīng)力。

計算采用《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120-2012)中公式進行計算，計算公式為：

式中：ke為嵌固穩(wěn)定安全系數(shù)，取1.05；Eak、Epk為沖坑外側(cè)主動土壓力、沖坑內(nèi)側(cè)被動土壓力的標(biāo)準(zhǔn)值，kN；azl、apl為沖坑外側(cè)主動土壓力、沖坑內(nèi)側(cè)被動土壓力合力作用點至擋土結(jié)構(gòu)底端的距離，m。

3.3 防沖墻結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.3.1 極限平衡法

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB 5007-2011)和《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120-2012)，懸臂式灌注樁結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算采用極限平衡法。防沖墻灌注樁最大彎矩采用《支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》(第二版)中的公式進行計算：

式中：a為最大彎矩系數(shù)；Ka為主動土壓力系數(shù)；h為懸臂樁外露長度；η為寬度影響系數(shù)。

經(jīng)計算，防沖透水墻采用C30鋼筋混凝土灌注樁，樁徑為φ1 500 mm。

3.3.2 “m”法

灌注樁內(nèi)力計算采用《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94-2008)中的“m”法進行復(fù)核計算，主要計算工具采用軟件“橋梁通CAD7.78”，計算防沖墻灌注樁最大彎矩。經(jīng)復(fù)核計算，兩種計算方法得出的結(jié)果基本一致。

3.4 防沖墻承載力計算

防沖透水墻采用C30鋼筋混凝土灌注樁，樁徑為φ1 500 mm。按《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(SL 191-2008)中公式進行正截面受彎承載力計算，同時采用軟件“橋梁通CAD7.78”進行承載力計算復(fù)核。計算公式為：

式中：A為圓形截面面積，mm2；As為全部縱向鋼筋的截面面積，mm2；r為圓形截面半徑，mm；α為對應(yīng)于受壓區(qū)面積的圓心角(rad)與2π的比值。

圖3 禁采標(biāo)識樣式圖

3.5 水工模型試驗

防沖墻后沖刷深度計算采用的是經(jīng)驗公式，任何經(jīng)驗公式都有其適用范圍，且不同的沖刷計算公式計算成果往往有較大差異。

采砂對河床的影響使穿河倒虹吸下游產(chǎn)生溯源沖刷是一個較復(fù)雜的問題，雖然采用已有的研究成果可以定性分析溯源沖刷的發(fā)展過程及對倒虹吸的影響，但其對倒虹吸的影響程度仍難以準(zhǔn)確確定。

為驗證溯源沖刷對沙河(北)倒虹吸安全影響的分析結(jié)論，并對防護措施的合理性做進一步分析，需要安排水工模型試驗。考慮到大型動床河工模型試驗工程費用高、時間長，而選取一定寬度河道縱斷面，采用水槽動床沖刷試驗來研究溯源沖刷和防沖墻上下游沖刷是可行的。可以達到分析采砂所引起的溯源沖刷對倒虹吸的影響程度，確定防沖墻上下游沖刷坑深的目的。確定安排河道采砂對沙河(北)倒虹吸安全影響水槽動床模型試驗。

3.6 采砂控制建議

1) 無序過度采砂改變了河道天然形態(tài)和水流條件，河勢及洪水發(fā)展存在諸多不確定性，河道實際水文特性與設(shè)計假定的吻合度尚有待檢驗。建議加強河道的巡視與維護，注意觀察河床沖淤變化及防沖墻結(jié)構(gòu)的完整性，要備好防汛物資、做好搶險預(yù)案，汛后要根據(jù)河道情況對防護結(jié)構(gòu)進行及時維護。

2) 防護工程是依據(jù)下游河床采砂坑的現(xiàn)狀條件確定的，如不采取有效的嚴(yán)格管理措施，距離建筑物一定范圍內(nèi)的采砂，仍然會危及防護后的倒虹吸工程。為保證工程安全，建議協(xié)調(diào)當(dāng)?shù)卣秃拥拦芾聿块T，立法建章，在法律框架內(nèi)加強河道保護，采取措施防止現(xiàn)有采砂坑進一步擴展，并禁止在倒虹吸工程所處河道一定范圍內(nèi)采砂。禁止采砂范圍應(yīng)為上游1 000 m，下游3 000 m。安全警示標(biāo)識見圖3。

4 結(jié) 論

2015年，沙河(北)渠道倒虹吸防護工程正式實施。通過2015、2016年的連續(xù)運行，驗證了設(shè)計方案的合理性與安全性，該項工程的實施有效保證倒虹吸工程的運行安全。