牽引管穿越河道工程防洪影響評價

方睿騁，臧振濤，衡 陽

(1.浙江省錢塘江流域中心，杭州 310020；2. 杭州水利水電勘測設(shè)計院有限公司，杭州 310006；3. 浙江省水利水電工程質(zhì)量與安全管理中心，杭州 310012)

0 前 言

為滿足城鄉(xiāng)供水需求，推進城鄉(xiāng)供水一體化建設(shè)，水廠及供水管網(wǎng)配套工程建設(shè)已刻不容緩。在這些工程建設(shè)中，考慮到施工進度、造價等方面影響，往往會采用牽引管穿越的鋪管工程。在這期間，若在設(shè)計階段未充分論證這類項目實施對河道及堤防工程的影響，則工程在施工或運行期影響河道行洪。為保證河道行洪與管理，依據(jù)國家相關(guān)法律法規(guī)，應(yīng)對牽引管穿河建設(shè)工程進行防洪影響評價，并給出相應(yīng)的結(jié)論和建議。在此基礎(chǔ)上，文章結(jié)合工程實際情況，分析論述牽引管穿河工程的防洪影響，并分析提出相關(guān)的防治措施[1]。

1 工程概況

城北水廠及城鄉(xiāng)供水管網(wǎng)配套工程主要建設(shè)內(nèi)容包括水廠和配水管道、供水管道和泵站等。本次牽引管穿越河道工程施工的管線主要涉及浦陽江、紅浦江以及開化江。其中，①浦陽江牽引管于浦陽江大橋下游10m處穿越浦陽江，管道穿越入土點設(shè)在浦陽江右岸，距離右岸防洪堤坡腳41m，出土點設(shè)在浦陽江左岸，距離左岸防洪堤坡腳69m。穿越管段設(shè)計采用入土角取8.5°，出土角取7.4°，穿越管段的曲率半徑取1500D，其中D為穿越管段外徑。牽引管采用DN800鋼管，管道水平長度為340m，管道中心最低標高約為-3.1m，河床下管道最小覆土厚度約為3.5m；②洪浦江牽引管于洪浦江橋下游21m處穿越洪浦江，管道穿越入土點設(shè)在洪浦江右岸，距離右岸防洪堤坡腳334m，出土點設(shè)在洪浦江左岸，距離左岸防洪堤坡腳46m。穿越管段設(shè)計采用入土角為4.8°，出土角為5.7°，穿越管段的曲率半徑取1500D。牽引管為DN800鋼管，管道水平長度為492m，管道中心最低標高約為4.1m，管頂最小覆土厚度為3.8m；③開化江牽引管于洪浦江橋下游15.3m處穿越開化江，管道穿越入土點設(shè)在洪浦江右岸，距離右岸防洪堤坡腳63m，出土點設(shè)在開化江左岸，距離左岸防洪堤坡腳132m。穿越管段設(shè)計采用入土角取8°，出土角取7.9°，穿越管段的曲率半徑取1500D。牽引管為DN1000鋼管，管道水平長度為431m，管道中心最低標高約為0.0m，管頂最小覆土厚度為3.5m。

2 牽引管穿越河道工程防洪評價計算

2.1 河床沖刷計算

牽引管對河道沖刷影響形式仍為自然沖刷，文章采用《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50286-2013)推薦公式對其進行計算，水流平行于岸坡產(chǎn)生的沖刷可按下式計算：

(1)

水流斜沖于岸坡產(chǎn)生的沖刷可按下式計算：

(2)

式中：△hp這局部沖刷深度，m，從河底起算；α為水流流向與岸坡交角，°；m為防護建筑物迎水面邊坡系數(shù)；d為坡腳處土壤計算粒徑，cm，d=0.8cm；vj為水流局部沖刷流速，m/s。

根據(jù)地質(zhì)勘察報告，管道穿越處河槽主要為礫砂，層厚0.30-3.00m，一般粒徑2-20mm。經(jīng)計算，各河段沖刷深度見表1，表中數(shù)據(jù)顯示，表中數(shù)據(jù)顯示，河道遭遇設(shè)計洪水沖刷時，牽引管頂部仍有2.68-2.98m厚覆土，管道不會出露河床，滿足工程需求。

表1 牽引管河床沖刷計算成果表

2.2 堤頂沉降計算

2.2.1 地面沉降橫向分布規(guī)律

牽引管的施工會擾動周圍地層，改變地層原始應(yīng)力、打破土體平衡狀態(tài)，導(dǎo)致地表沉降。由于定向鉆施工對地面沉降的影響不僅受施工機械、施工工藝、土層性質(zhì)、地下水等條件影響，更受施工人員的素質(zhì)、施工隊隊伍的經(jīng)驗控制，因此，若施工前很難對沉降進行較精確的估算，可根據(jù)相關(guān)的研究和已有工程實例對可能產(chǎn)生的沉降值范圍進行估算。本次針對非開挖管道施工引起的地面變形，采用peck法進行估算[2-4]。

結(jié)合peck法相關(guān)假定，同時認為在管道長度上的地層損失均勻分布，且施工產(chǎn)生的地表沉降橫向分布近似為一正態(tài)分布。橫向地表沉降的預(yù)估公式及最大沉降量的計算公式為：

(3)

(4)

式中：S(x)為距離管道中心線x處的地表沉降，m；Smax為管道中心線處最大地面沉降，m；x為距管道中心線的距離，m；i為沉降槽寬度系數(shù)，m；VS定向鉆單位長度地層損失，m3/m。

Peck公式中地層損失(VS)的取值對計算成果影響較大。根據(jù)統(tǒng)計，在采用適當(dāng)技術(shù)和良好操作的正常施工條件下，地層損失VS可表示為：

VS=VlπR2

(5)

式中：Vl為單位長度地層損失占單位長度定向鉆管體積的百分比，正常施工條件下，一般為0.5%-2.5%；R為定向牽引管外徑，m。

Vl的取值與地質(zhì)、施工條件密切相關(guān)，本次定向鉆沉降計算時，考慮擴孔的影響，Vl取用5%。

2.2.2 地面沉降橫向分布計算

運用Peck法對牽引管穿越河道段各河道堤頂最大沉降進行計算，結(jié)果見表2。

表2 堤頂最大沉降計算成果表

以浦陽江左岸為例，堤頂沉降橫向分布見圖1。

圖1 浦陽江左岸堤頂沉降橫向分布圖

由表2及圖1可知，采用牽引管穿越河道進行鋪管，管道施工后，防洪堤堤頂最大沉降為5-8mm，順堤線方向呈凹形槽分布，不均勻沉降斜率為0.02%-0.05%。

3 防洪綜合評價

本工程實施后，牽引管對堤防設(shè)施的不利影響主要是防洪堤的土層沉降，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1)由于受管道施工改變了原有土層的應(yīng)力分布，使得堤防安全收到一定的影響，因此在牽引管實施時，應(yīng)采取必要措施，減小相關(guān)影響。

2)管道施工過程中地面沉降受很多種因素的影響，尤其與管道所處的地質(zhì)條件及施工工藝密切相關(guān)，由于施工的不確定性，可能導(dǎo)致管道護壁失穩(wěn)，使堤身土方快速流失，防洪堤受到破壞。

3)根據(jù)牽引管地基變形計算，管道施工后，防洪堤堤頂最大沉降為5-8mm，順堤線方向呈凹形槽分布，不均勻沉降斜率為0.02%-0.05%。由于該沉降分布性質(zhì)為不均勻沉陷，有可能產(chǎn)生垂向裂縫或水平裂縫，對堤身結(jié)構(gòu)及防滲穩(wěn)定不利，需予以防治和監(jiān)測。

4 結(jié) 論

文章結(jié)合管網(wǎng)配套工程建設(shè)，對工程中有關(guān)牽引管穿河工程進行防洪影響評價，主要結(jié)論如下：

1)工程區(qū)域河道遭遇設(shè)計洪水沖刷時，牽引管頂部仍有2.68-2.98m厚覆土，管道不會出露河床，滿足規(guī)范要求。

2)采用peck法對牽引管穿越河道段各河道堤頂最大沉降進行計算，結(jié)果顯示防洪堤堤頂最大沉降為5-8mm，順堤線方向呈凹形槽分布，不均勻沉降斜率為0.02%-0.05%。

3)考慮到施工過程地面沉降，以及管道引起的工后不均勻沉降，極有可能對防洪堤產(chǎn)生裂縫破損，建議在施工期間及工后加強監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)隱患應(yīng)及時防治。