塔哈綜合產業園區基礎設施配套工程沖刷分析

陳大為

(黑龍江省中部引嫩工程和江東灌澇區管護中心，齊齊哈爾 161006)

1 工程概況

富裕塔哈綜合產業園區基礎設施配套工程主要包括引水工程和退水工程兩條輸水線路。引水工程輸水線路全線采用雙管布置，線路總長9.162km；其中取水頭部及泵站位于嫩江河道，嫩江取水泵站-園區水廠段輸水管線埋于地下，采用鋼絲網骨架聚乙烯管(SRTP)，管徑DN710其中嫩江河道內泵站及管道總長4.1km，加壓輸水，穿越齊富堤防后輸水至工業園區。退水工程輸水線路總長50.612km，全線采用地下埋管方式，管材采用鋼絲網骨架聚乙烯管(SRTP)，管徑DN560，全線采用雙管布置。退水工程輸水線路穿越齊富堤防以及訥富堤防。

根據《中華人民共和國防洪法》第二十七條：“建設穿河、穿堤的取水、排水等工程設施，應當符合防洪標準、岸線規劃、航運要求和其他技術要求，不得危害堤防安全，影響河勢穩定、妨礙行洪暢通” 。按照《河道管理條例》和《洪水影響評價報告編制導則》的要求，應對本工程河道內修建的建筑物建設內容進行河道沖刷影響作出分析與評價。

該項目在河道范圍內修建的建筑物主要有取水工程的取水頭部、取水泵站和輸水管線。其中取水頭部位于河道主槽內，取水泵站坐落于河道灘地上，輸水管線埋于地下。取水頭部底板頂高程138.57m，取水井頂高程152.60m，100a一遇設計洪水位151.65m，現狀河床高程142.80-143.00m；取水泵站設計流量1.16m3/s，該處地面高程為149.50m，前池底板頂高程為140.20m，建基高程139.20m；輸水管線長4.1km，管線覆土深度2.31-7.24m.

2 沖刷分析計算

取水建筑物、取水泵站位于河道內，工程建成后建筑物處局部水面比降和流速加大，導致河道及灘地產生一般性沖刷；同時在構筑物附近形成復雜的水流結構，導致構筑物周圍的河床出現局部沖刷。由于輸水管線埋于地下，輸水管線部分僅有一般沖刷。洪水沖刷過程中，上述沖刷是交織在一起的。為了便于分析和計算，假定局部沖刷是在一般沖刷完成后的基礎上進行的，沖刷深度為這兩種沖刷深度的疊加[1]。

根據地質勘探資料分析土壤類別為非黏性土，據此采用《公路工程水文勘測設計規范》(JTG C30-2015)中提供的非黏性土河床沖刷公式。

2.1 一般沖刷

1)河槽部分：

(1)

式中：hp為橋下一般沖刷后的最大水深，m；Qp為頻率為P%的設計流量，m3/s；Q2為橋下河槽部分通過的設計流量，m3/s，當河槽能擴寬至全橋時取用Qp；Qc為天然狀態下河槽部分設計流量，m3/s；Qt1為天然狀態下橋下河灘部分設計流量，m3/s；Bc為天然狀態下的河槽寬度，m；Bcg為橋長范圍內的河槽寬度，m，當河槽能擴寬至全橋時取用橋孔總長度；Bz為造床流量下的河槽寬度，m，對復式河床可取平灘水位時河槽寬度；λ為設計水位下，在Bcg寬度范圍內，橋墩阻水總面積與過水面積的比值；μ為橋墩水流側向壓縮系數；hcm為河槽最大水深，m；Ad為單寬流量集中系數，山前變遷、游蕩、寬灘河段當Ad>1.8時，Ad值可采用1.8；Hz為造床流量下的河槽平均水深，m，對復式河床可取平灘水位時河槽平均水深。

2)灘地部分：

(2)

式中：Q1為橋下河灘部分通過的設計流量，m3/s；htm為橋下河灘最大水深，m；Htq為橋下河灘平均水深，m；Btj為河灘部分橋孔凈長，m；VH1為河灘水深1m時非黏性土不沖刷流速，m/s。

表1 取水建筑物位置一般沖刷計算

表2 取水泵站位置一般沖刷計算

2.2 局部沖刷

采用簡化式：

當v≤v0，

(3)

當v>>v0，

(4)

式中：hb為橋墩局部沖刷深度，m；Kξ為墩形系數；B1為橋墩計算寬度，m；hp為一般沖刷后的最大水深，m；d為河床泥沙平均粒徑，mm；Kη1為河床顆粒影響系數；V為一般沖刷后墩前行近流速，m/s；V0為河床泥沙啟動流速，m/s；V0′為墩前泥沙起沖流速，m/s；n1為指數。

該項目取水建筑物建成后，由于水位、流速的變化，在取水頭部附近有一般沖刷和局部沖刷，根據分析計算，50a一遇洪水時，取水建筑物附近一般沖刷深度為1.691m，局部沖刷深度為1.825m，總沖刷深度3.516m；100a一遇洪水時，取水建筑物附近一般沖刷深度為1.778m，局部沖刷深度為2.326m，總沖刷深度4.105m。取水建筑物底板頂高程為139.67m，河道地面高程143m，埋深4.33m滿足根據公式計算出來的沖刷深度數值，工程安全，同時在取水建筑物周邊20m鋪設0.5m厚的格賓石籠，進一步保證了取水建筑物的安全。取水建筑物局部沖刷及總沖刷計算成果見表3[2]。

根據分析計算，50a一遇洪水時，取水泵站附近一般沖刷深度為0.567m，局部沖刷深度為1.489m，總沖刷深度2.056m；100a一遇洪水時，取水建筑物附近一般沖刷深度為1.375m，局部沖刷深度為1.865m，總沖刷深度3.241m。取水泵站底板頂高程為140.20m，河道地面高程149.5m，泵站埋深9.3m，可以保證泵站的安全。取水泵站局部沖刷及總沖刷計算成果見表4。

表3 取水建筑物位置局部深度及總沖刷深度計算

表4 取水泵站位置局部深度及總沖刷深度計算

3 結 論

在河道內建設工程直接對水流形成阻礙，改變了水流條件，縮窄了水流斷面面積，從而增大了水的流速，很容易對工程形成沖刷，因此為了建設項目的工程安全，有必要通過沖刷計算來確定工程措施的具體內容。該工程在河道內建設的取水建筑物、取水泵站設計結構滿足技術要求。該項目的沖刷計算過程及對不同標準下的沖刷結果的分析，可以為今后河道內建設的其它工程安全分析方面提供參考。