基于排水工程穿越堤防的防洪影響分析

王艷菊

(哈爾濱市水利規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，哈爾濱 150010)

0 引 言

隨著河道管理范圍內(nèi)新建管線輸油、輸氣、輸水、纜線等項目越來越多，管線穿越河流可能改變過水狀況，產(chǎn)生沖刷或淤積；土與管線的接觸面易產(chǎn)生擾動發(fā)生變化，形成集中滲透通道，危及河道和堤防安全[1]，對河道行洪安全可能產(chǎn)生一定的影響。因此相關(guān)管線工程穿越河流或堤防時，必須進行防洪影響分析和評價，根據(jù)分析和評價結(jié)果確定設(shè)計方案，以便于采取相關(guān)措施對河道及水利工程設(shè)施進行保護和管理，盡可能減小工程建設(shè)對河道以及堤防的影響。

文章以某穿堤排水工程為例，在設(shè)計洪水計算和水面線推求成果的基礎(chǔ)上，對排水工程建設(shè)前后河道的壅水和行洪能力進行了分析，同時排水管線穿越堤防，對穿堤建筑物滲透穩(wěn)定進行了計算，根據(jù)滲透坡降計算結(jié)果分析工程建設(shè)對堤防穩(wěn)定的影響。排水工程入河處出水口與河道正交，設(shè)計有消力池，對出水口消能防沖進行了復(fù)核，設(shè)計消力池能夠滿足消能防沖要求。在以上綜合分析的基礎(chǔ)上，得到本排水工程穿越堤防建設(shè)的防洪影響分析結(jié)論，為工程建設(shè)方案審批提供依據(jù)，同時對類似項目的建設(shè)提供參考。

1 工程及河道概況

1.1 工程概況

本項目新建壓力排水管線將雨水排至河道，排水流量24m3/s，工程規(guī)模為中型，防洪標準為100a一遇。

河道管理范圍內(nèi)建設(shè)排水管線長度557m，為2孔3.0m×2.0m(寬×高)鋼筋混凝土方涵，坡度0.0008，以直埋方式自堤防背水側(cè)垂直河道水流方向敷設(shè)至河道，排水方涵末端接出水口。

管線在堤防樁號4+404處穿堤，穿堤段長度39.5m。堤防迎水側(cè)堤腳外50m處設(shè)檢修閥門井1座，閥門井尺寸為18.4m×14.1m×10.37m(長×寬×高)，鋼筋混凝土型式，起到檢修和防洪水倒灌作用，井內(nèi)設(shè)置2套手電兩用蝶閥DN2400、1套手電兩用閘閥DN1600、2套排氣閥DN400。

排水方涵末端接出水口，采用2節(jié)方涵與前段涵洞進行順接，長度24m，為2孔方涵，單孔凈尺寸為3m×2m(寬×高)，分2節(jié)布置，每節(jié)長12m，節(jié)間設(shè)止水。排水涵洞出口采用鋼筋混凝土U型槽消力池，消力池順水流方向長22m，消力池下游設(shè)置海漫段，海漫段長度為18.19m，采用鋼筋石籠結(jié)構(gòu)形式，出口端部設(shè)鴨嘴閥。

1.2 河道概況

工程所在河段兩岸地形平坦，左岸有堤防，防洪標準為100a一遇，堤頂路面頂高程124.13m，堤頂寬9.0m，路面寬7m，現(xiàn)狀堤防兩側(cè)基本與堤頂齊平，右岸規(guī)劃堤防尚未建設(shè)，設(shè)計防洪標準30a一遇，工程所在位置為堤防測量樁號2+300處，設(shè)計樁號2+018～2+180為灌注樁擋墻堤防，設(shè)計樁號2+217～2+751為雙樁基礎(chǔ)擋墻堤防。

河段洪水泛濫邊界受到堤防控制，兩岸間距約1.3km。工程所在斷面河道分汊，左汊西支流主河道寬約20m，現(xiàn)狀河底高程為113.78m，右汊河道寬約45m。河道兩分后形成的江心灘，后由于人工作用，灘面高程一般約在118.66～124m之間，現(xiàn)狀為企業(yè)村屯。

本工程所在斷面100a一遇設(shè)計洪水位122.12m，30a一遇設(shè)計洪水位120.44m。

2 壅水和行洪能力分析

2.1 設(shè)計洪水成果

本次工程控制斷面設(shè)計洪水成果主要采用已批復(fù)的防洪及河道整治工程初步設(shè)計報告成果，控制斷面設(shè)計洪水成果，見表1。

表1 控制斷面設(shè)計洪水成果

2.2 水面線計算成果

根據(jù)上述斷面數(shù)據(jù)以及計算方法和參數(shù)，推求本次論證河段現(xiàn)狀情況下和本工程建設(shè)后的水面線成果，工程建設(shè)前后水面線沒有變化，水面線成果表，見表2。

表2 水面線成果表 m

續(xù)表2 水面線成果表 m

2.3 壅水及行洪能力分析

根據(jù)現(xiàn)狀水面線推求成果，本工程所在河道斷面處100a一遇水位為122.12m，新建排水方涵、檢修閥門井均位于地下，出水口消力池長度22m，消力池邊墻邊坡與現(xiàn)狀河道邊坡相同，不占用河道過水斷面，故工程建設(shè)后河道水面線沒有變化，壅水高度和阻水比均為0，工程建設(shè)不影響河道行洪能力。

3 穿堤建筑物滲透穩(wěn)定計算

本次排水管線工程穿堤段位于堤防樁號4+404斷面，防洪標準為100a一遇，已達標，相應(yīng)洪水位為122.12m，堤防級別為1級，堤頂高程124.13m，堤頂寬9.0m，設(shè)7m寬瀝青混凝土防汛路，現(xiàn)狀堤防兩側(cè)地面高程較高，約在124～124.24m之間，高于設(shè)計洪水位，基本與堤頂路面齊平。穿堤建筑物滲透穩(wěn)定計算采用改進阻力系數(shù)法。

3.1 地基有效深度計算：

當

(1)

當

(2)

式中：Te為土基上水閘的地基有效深度，m；L0為地下輪廓的水平投影長度，m；S0為地下輪廓的垂直投影長度，m。

3.2 分段阻力系數(shù)計算

1)進、出口段

(3)

式中：ξ0為進、出口段的阻力系數(shù)；S為板樁或齒墻的入土深度，m；T為地基透水層深度，m。

2)內(nèi)部垂直段

(4)

式中：ξy為內(nèi)部垂直段的阻力系數(shù)。

3)水平段

(5)

式中：ξx為水平段阻力系數(shù)；Lx為水平段長度，m；S1、S2為進、出口板樁或齒墻的入土深度，m。

3.3 各分段水頭損失值

各分段水頭損失值公式為：

(6)

式中：hi為各分段水頭損失值，m；ξi為各分段的阻力系數(shù)；n為總分段數(shù)。

3.4 進、出口段修正后的損失值

(7)

式中：h0′為進、出口段修正后的水頭損失值，m；h0為進、出口段水頭損失值，m；β′為阻力修正系數(shù)，當計算的β′≥1.0時，采用β′=1.0；S′為底板埋深與板樁入土深度之和，m；T′為板樁令一側(cè)地基透水地基深度，m。

3.5 水平比降

(8)

式中：Jx為水平比降；hx為水平水頭損失，m。

3.6 出逸比降

(9)

式中：J0為出逸比降，m。

根據(jù)本工程地質(zhì)勘察報告和工程設(shè)計方案，排水方涵經(jīng)過換基和復(fù)合地基處理后，地基為粉質(zhì)黏土、粗砂和碎石樁基礎(chǔ)，查水閘設(shè)計規(guī)范，根據(jù)以上計算本次穿堤建筑物滲透坡降值，排水方涵滲透穩(wěn)定計算成果表，見表3，均滿足規(guī)范要求允許滲流坡降。

表3 排水方涵滲透穩(wěn)定計算成果表

根據(jù)穿堤建筑物滲透坡降計算結(jié)果，均滿足規(guī)范要求允許滲流坡降。根據(jù)堤防橫斷，現(xiàn)狀堤防兩側(cè)地面高程較高，在設(shè)計洪水位以上，并且本工程排水管線穿堤段施工完成后，土方回填黏土，堤防填筑土料壓實度≥0.95，混凝土路面及堤防兩側(cè)均按原設(shè)計標準進行恢復(fù)，工程建設(shè)不會對堤防穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。

4 出水口消能防沖復(fù)核

根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》(SL 265-2016)，出水口消能防沖復(fù)核按以下公式計算：

(10)

本工程排水管線為2孔3.0m×2.0m(寬×高)鋼筋混凝土方涵，排水流量24m3/s，入河處設(shè)出水口與河道正交，出水口處方涵頂高程119.48m，出口凈寬6m，下游河道底高程113.78m，通過上述計算公式，按照最不利情況計算出水口消力池池深和池長，經(jīng)計算消力池池長18m，池深0.8m，設(shè)計消力池能夠滿足消能防沖要求，同時為避免出水口排水對河道沖刷產(chǎn)生不利影響，工程施工完成后對出水口上下游共30m長的范圍進行護砌，護坡采用鋼筋石籠結(jié)構(gòu)。因此，工程建設(shè)不會對河道沖刷產(chǎn)生不利影響。

5 防洪影響分析

5.1 工程建設(shè)對河道行洪影響分析

本項目排水管線及穿堤段排水方涵均采用直埋方式敷設(shè)于地下，井室也位于地下，出口消力池墻頂高程與河道邊坡相同，不占用河道過水斷面，故工程建設(shè)后河道水面線沒有變化，壅水高度和阻水比均為0，對河道的行洪安全沒有影響。

5.2 工程建設(shè)對堤防安全影響分析

根據(jù)本次對穿堤建筑物滲透坡降計算結(jié)果，計算滲透坡降均滿足規(guī)范要求允許滲流坡降，同時現(xiàn)狀堤防兩側(cè)地面高程較高，基本與堤頂相同，排水管線穿堤段施工完成后回填黏土，壓實度≥0.95，混凝土路面及堤防兩側(cè)均按原設(shè)計標準進行恢復(fù)，為防止洪水倒灌回堤內(nèi)，在堤防迎水側(cè)護堤地以外設(shè)置檢修閥門井，起到檢修和防洪的作用，因此工程建設(shè)不會對堤防穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。

5.3 工程建設(shè)對河道沖刷影響分析

根據(jù)出口消能防沖復(fù)核結(jié)果，設(shè)計消力池能夠滿足消能防沖要求，同時為避免出水口排水對河道沖刷產(chǎn)生不利影響，工程建設(shè)后對出水口上下游共計30m河道范圍進行了護砌，采用鋼筋石籠結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)層由上至下為300mm厚鋼筋石籠、150mm厚碎石墊層、無紡布一層。因此工程建設(shè)不會對河道沖刷產(chǎn)生不利影響。

6 結(jié) 語

排水工程穿越堤防的防洪影響分析，目的是在滿足工程建設(shè)需求的同時，盡可能減少工程建設(shè)對河道以及堤防的影響。文章以某排水工程穿越堤防為例，分析了工程建設(shè)前后水面線變化情況，對工程穿堤段進行了穿堤建筑物的滲透穩(wěn)定計算，同時對排水工程出水口進行了消能防沖復(fù)核計算。根據(jù)計算和分析結(jié)果，工程建設(shè)對河道行洪安全沒有影響，也不會對河道沖刷和堤防穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響。

通過文章分析，為類似的穿堤建設(shè)項目防洪影響分析提供一定的思路，為開展相關(guān)防洪影響評價工作提供一定的參考價值，也為工程建設(shè)方案審批提供依據(jù)。