淺談南水北調(diào)中線京石段唐河渠道倒虹吸防護工程設計

劉志奇

河北省水利水電勘測設計研究院 天津 300250

概述

唐河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，工程等別為Ⅰ等，主要建筑物級別為1級。

2013年唐河上游西大洋水庫為降低水庫水位開始泄洪，受溯源沖刷影響唐河上下游河道在很大范圍內(nèi)河道底高程下切明顯，僅100m3/s流量最大沖坑達5m深。雖然采取了臨時防護，但倒虹吸管仍存在沖刷破壞的危險，急需采取工程防護措施，以保證倒虹吸工程的運行安全。2015年，設計院受托對唐河渠道倒虹吸管頂進行了防護工程設計。

1 防護工程設計

（1）防護形式。防護工程以減小倒虹吸工程上下游采砂坑引起的上游頂沖沖刷和下游溯源沖刷為目的。采用透水防沖墻垂直防護與鉛絲石籠水平防護相結合的形式。

（2）防護范圍。1）順水流方向防護范圍。①透水防沖墻位置及墻頂高程。防沖墻布置在倒虹吸下游距倒虹吸15m處，高于倒虹吸管身頂高程1.0m。②柔性水平防護范圍及高程。鉛絲石籠水平防護位置在倒虹吸管身頂高程以上0.5m處。2）垂直水流方向防護范圍。垂直水流方向防護總寬度為620m。

（3）防護工程布置。唐河倒虹吸防護工程設計包括：上游斜坡防護段、管身頂部水平防護、下游防護段、進口導流堤防護4部分：①上游斜坡防護段。管頂防護段上游采用適應變形能力較強的鉛絲石籠防護，底坡為1∶10倒坡，長度20m，在上游端部設計1m×1m（高×寬）的鉛絲石籠齒墻，為防止細顆粒在高流速水流下被帶走，鉛絲石籠下鋪一層土工布。②管身頂部水平防護。管身頂部采用1.0m厚鉛絲石籠進行水平防護，長度42m，包括水平段37m和1∶10斜坡段5m兩部分，為防止細顆粒在高流速水流下被帶走，鉛絲石籠下鋪一層土工布。③下游防護段。管頂水平護砌下游端距倒虹吸15m處設20m深透水防沖墻，透水防沖墻下部設置鋼筋混凝土灌注樁，透水防沖墻下游設20m長鉛絲石籠水平軟護砌段，為防止細顆粒在高流速水流下被帶走，鉛絲石籠下鋪一層土工布。④進口導流堤防護。沿倒虹吸進口導流堤水平鋼筋石籠防護末端設透水防沖墻，防護寬度112m，透水防沖墻下部采用鋼筋混凝土灌注樁。

（4）水力設計。防沖墻下游沖坑深度，主要考慮兩個方面，一是防護下游端形成的局部沖刷坑；二是由于下游大量采砂坑的存在而引起的溯源沖刷。①水平防護下游端局部沖刷計算。根據(jù)《水閘設計規(guī)范[2]》附錄B.3河床沖刷深度計算公式進行計算。②溯源沖刷影響。由于現(xiàn)狀河道下游大量采砂坑的存在，會引起溯源沖刷。參照天然縱坡，推算出防護墻位置沖刷線高程，為減小防沖墻的深度，在防沖墻下游設置鉛絲石籠水平防護，考慮形成1∶5沖坑穩(wěn)定向上游反推，得出防沖墻位置的沖刷線高程[3]。

（5）防沖墻穩(wěn)定設計。透水墻采用鋼筋混凝土灌注樁，樁間凈距0.5m。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)生側向彎曲變形，墻在上游主動土壓力作用下，將繞墻底部反轉點向下游轉動，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力。計算采用《建筑基坑支護技術規(guī)程》（JGJ120-2012[2]）中公式進行計算，計算公式為：

（6）灌注樁結構設計

1）灌注樁結構內(nèi)力計算。灌注樁結構內(nèi)力計算采用極限平衡法，采用“m”法復核。

①極限平衡法。防沖墻灌注樁最大彎矩采用《支擋結構設計手冊》（第二版）中的公式進行計算：

經(jīng)計算得出樁徑。

②“m”法。灌注樁內(nèi)力計算采用《建筑樁基技術規(guī)范》（JGJ94-2008[1]）中的“m”法進行復核計算，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)復核計算，兩種計算方法得出的結果基本一致。

2）防沖墻承載力計算。按《水工混凝土結構設計規(guī)范》（SL191-2008[1]）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”進行承載力計算復核。計算公式為：

2 結束語

無序過度采砂改變了河道的天然形態(tài)和水流條件，建議在法律框架內(nèi)加強河道保護，采取措施防止現(xiàn)有采砂坑進一步擴展，禁止在倒虹吸工程所處河道一定范圍內(nèi)采砂，同時加強巡視與維護，汛后根據(jù)河道情況對防護結構進行及時維護。

2015年，唐河渠道倒虹吸防護工程正式實施，通過近幾年的連續(xù)運行，驗證了設計方案的合理性與安全性，工程的實施有效保證倒虹吸工程的運行安全。