淺析某供水工程涉河防洪評價

鄭一帆，馬國綱，劉文君

（1.甘肅省水文站，甘肅 蘭州 730030；2.中國市政工程西北設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730030）

1 概述

某供水工程擬采用大開挖方式埋設管道穿越渭河干流，管線布設方向與河道流向垂直，管道敷設于渭河干流河床底部，項目建設在河道管理范圍之內，基本不占用河道?，F狀河道為10 a一遇設防標準堤防，堤防工程級別為5級，管道穿河處現狀河寬160 m。堤防采用碾壓砂礫石梯形斷面，堤頂寬3.0 m，迎水面坡比1∶1.5，背水面坡比1∶1.25，迎水面采用厚度0.15～0.30 mC15混凝土防護，堤腳采用0.8 m×0.5 m（寬×高）C15混凝土基礎，基礎埋深為深泓線以下2.5~3.5 m。

設計采用大開挖方式敷設1.0 MPa壓力等級、管徑315 mmPE管道，埋至渭河河床底部約6 m，穿越渭河后從渭河右岸堤防穿出，如圖1所示。穿河管道長178 m，管道安裝后外包現澆C25鋼筋混凝土，呈900×900 mm矩形斷面，外包混凝土兩側及頂部采用原開挖料夯填。依據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL 252—2017）及《防洪標準》（GB 50201—2014）的相關規定，按主要供水對象重要性，管道埋設洪水標準采用20 a一遇，校核洪水標準采用50 a一遇。

圖1 穿河管道與河道位置關系示意（單位：cm）

管線穿河施工時采用分期導流土石圍堰的形式，導流建筑物的級別劃分、設計洪水標準按《水利水電工程施工組織設計規范》（SL303－2017）規定，確定導流土石圍堰建筑物級別為5級臨時建筑物，圍堰設計洪水重現期為5 a一遇。圍堰順渭河河道布置，兩端與岸坡連接，呈圓弧狀。施工完畢后，圍堰拆除，河道正常過水。其中于4月～5月在渭河左岸設置臨時一期土石圍堰，完成左岸部分管線開挖及埋設夯填，上游圍堰高程1 443.45 m，地面以上堰體最大高度2.95 m，圍堰長116 m；Ⅱ期在5月～6月進行，利用二期土石圍堰導流，完成右岸部分管線開挖及埋設夯填，相應上游圍堰高程1 443.00 m，地面以上堰體最大高度2.50 m，圍堰長120 m；Ⅰ、Ⅱ期圍堰均采用碎石土填筑，圍堰頂寬均為3.0 m，迎水面邊坡1∶1.5，背水面邊坡1∶1.25，迎水面設編織袋砂礫石護坡厚600 mm，砂礫石袋底部鋪設二布一膜土工膜，圍堰迎水面護角處設鉛絲籠護腳，高1.5 m，厚度0.8 m，以防止河水沖毀圍堰。圍堰斷面示意圖如圖2所示。

圖2 圍堰斷面示意圖（單位：cm）

2 研究思路及主要內容

穿河穿堤工程對河道及堤防的影響主要體現在施工期和運行期2個階段。因施工方法的不同，穿河穿堤工程對河道行洪安全的影響亦有所區別。

穿河管線防洪評價報告的主要內容包括基本情況介紹、河道演變分析、防洪評價計算、防洪綜合評價、防治與補救措施，主要目的是對穿河管線的設計內容進行分析與評估，判斷其是否符合防洪要求，并提出整改措施。

3 研究過程與結果

3.1 河道演變分析

河道演變主要分析說明建設項目所在河段的歷史演變過程與特點，分析其近期河床的沖淤特性和河勢變化情況，明確河床演變的主要特點、規律和原因，從而對河道的演變趨勢進行預估。

3.1.1 河道歷史演變概況

從工程位置處河段的歷年衛星影像圖中可以看出，供水管穿河處河道主槽相對穩定，河勢變化不大。加之2012年后，工程區河段兩岸修建堤防，受堤防控制河道主流集中，河勢趨于穩定，工程河段主流河道基本無擺動。工程所在河段近年來主流河勢較穩定。

3.1.2 河道近期演變分析

（1）河道橫向變化

供水管穿河河段兩岸修建有高標準堤防工程，河床基本平整，灘地有雜草，河道河勢左、右岸均受已成堤防控制，渭河主河槽位置較穩定不會發生較大變化，工程所在河段近年來主流河勢較穩定。

（2）河道縱向變化

本項目區所在河段河道較為順直，河床由卵石和砂卵石、砂壤土等砂石組成，地質條件較好。河道比降小，水流相對平穩，若無大洪水，河床縱向變化處于相對穩定狀態。當發生特大洪水時，河道將發生沖刷，大洪水過后逐步恢復到洪水沖刷前的狀態，長期看河段處于沖淤平衡狀態，管道穿河斷面河道縱向變化處于穩定狀態。

綜上所述，根據河道歷史演變、近期演變分析，該河段河谷平面保持順直、微彎穩定，受地質構造與巖性控制明顯，河床沖淤年內呈周期性變化，年際間沖淤維持相對平衡。從定量分析中也可以得出，河道的縱橫向變化均穩定。供水管穿河斷面河段兩岸均已建成完整堤防工程，控制了河勢的橫向發展，河勢更加趨于穩定[1]。

3.2 水文分析計算

3.2.1 設計流量

根據鄰近水文站實測洪水資料，按照《水利水電工程設計洪水計算規范》（SL44-2006）以年最大值法選樣，加入歷史洪水，按不連續系列進行頻率計算。經比對，工程所在河段計算結果與已獲批復的《渭河流域重點治理規劃》附件三《渭河流域防洪規劃》中所采用的洪峰流量成果較為接近，其他建設項目多直接引用該成果，本次也采用該成果值作為洪水評價依據（見表1）。

表1 工程處評價計算采用的設計洪水成果

渭河主汛期7—9月，根據渭河干流洪水特性，結合施工要求，將施工洪水分為4—6月，7—9月，10月，11月至來年3月四個時間段。選用渭河武山站實測流量資料，應用分期年最大值洪水選樣法，跨期10天選樣，分別組成分期連續洪水系列資料，按連續系列采用P-Ⅲ型頻率曲線法計算各分期設計洪水成果，主汛期采用設計洪水成果，干流工程河段施工洪水根據武山站成果按面積推算（見表2）。

表2 工程河段P 20%施工分期洪水成果

3.2.2 設計水位

采用水位流量推算方法計算管道穿河處20 a一遇洪峰流量2 340 m3/s，對應的洪水水位為1 444.63 m。供水管施工期主要安排在4—6月，4—6月5 a一遇洪峰流量為156 m3/s，對應的水位1 442.25 m，圍堰高程為1 443.45 m，圍堰高程高于施工期洪水位1.20 m，圍堰設計高度是合理的。

3.3 壅水分析計算

（1）運行期壅水分析

本工程穿河供水管道埋設于渭河河床底部，工程的建設在管道埋設后不產生壅水現象，壅水不會對該供水管道及河道行洪能力造成影響。工程評價段河道河床為砂礫石組成，河道坡降小，洪水期水流向一致。大水過后，主河槽不會發生大的變化，河流不會發生改道，對河道、河勢變化無影響，不會對河流上下游滯洪行洪區域造成影響，也不會對河道來水、來沙產生不利影響，因此不進行壅水計算。

（2）臨時工程（分期圍堰）壅水分析

供水管施工期安排于4—6月，施工期河道行洪采用分期導流圍堰（土石圍堰）的形式。圍堰的建設會產生局部阻水斷面，致使河道過洪面積減小，產生壅水，施工期洪水采用5 a一遇洪峰流量為156 m3/s，圍堰建設后壅水高度計算結果為0.68 m、壅水長度為750.95 m。供水管穿渭河斷面距上游武山水文站約4.0 km，本次計算壅水長度小于該距離，即圍堰產生的壅水不會對武山水文站產生影響。

3.4 沖淤計算

依據河道近期演變趨勢分析，該工程處于渭河河段，河道過流相對穩定，河道含沙量很小，沖淤變化幅度不大，河道未來演變按沖淤基本平衡考慮，自然沖刷按0 m考慮，僅計算天然狀態下河道的一般沖刷和施工期的沖刷。

（1）運行期一般沖刷計算

根據工程地質勘察資料，工程穿河點處河床土質為砂礫石。采用《公路工程水文勘測設計規范》（JTG C30—2015）中推薦的非粘性土河床的一般沖刷公式64-2簡化式（河槽部分）進行計算，一般沖刷深度為3.76 m，考慮1.0 m安全值后，滿足防洪要求的管頂埋深為4.76m。設計管頂埋深值為6.0 m，滿足20 a一遇洪水抗沖要求。

（2）施工期沖刷計算

a.一般沖刷

施工期供水管道穿渭河斷面處一般沖刷深度為1.52 m。

b.局部沖刷

穿河管道敷設于河床底部，對已建堤防基礎埋深無影響。但圍堰的建設。會造成已建堤防局部沖刷，本次對圍堰的建設造成的局部沖刷進行計算，經計算得出水流斜沖產生的沖刷深度為0.33 m，由相關堤防報告可知，已建堤防基礎埋深為深泓線以下2.5~3.5 m，故圍堰建設造成的局部沖刷不會對已建堤防基礎埋深產生影響。

3.5 堤防及岸坡穩定分析計算

3.5.1 堤防滲流穩定分析計算

工程在渭河穿越處20 a一遇設計洪水位為1 444.63 m。渭河河段防洪標準為10 a一遇，因此只對20 a一遇設計洪水位下堤防進行滲透穩定分析計算（見表3）。

表3 滲流穩定計算分析成果表

通過計算得知，堤防堤身及堤基的水力坡降均滿足允許值。同時堤防總體滲透系數為1.76×10-4cm/s，滲透等級屬于弱透水等級。綜上所述，本工程將不會影響渭河的堤防滲透穩定性。

3.5.2 堤防抗滑穩定性分析

計算分析工程所在河段20 a一遇洪水下岸坡穩定性，邊坡穩定計算理論采用《堤防工程設計規范》（GB 50286—2013）附錄F中的瑞典圓弧滑動法，施工期采用總應力法計算，穩定滲流期采用有效應力法（見表4）。

表4 過河管道處河道岸坡穩定計算成果

從計算結果可以看出，正常情況、非正常情況下抗滑穩定安全系數均滿足規范要求。項目建設所在河段處河道邊坡滿足抗滑穩定要求，表明工程建設后引起的河床沖刷不會造成河岸邊坡的失穩。

4 評價結論及建議

（1）經分析，導流工程的修建縮窄了河道行洪斷面，穿河管道斷面處壅水高度為0.68 m，壅水長度為750.95 m，對第三方工程無影響，同時對堤防高度及兩岸構筑物也無影響。

（2）管道采用大開挖施工方法穿越渭河河底，沖刷深度為3.76 m，管線的埋深在河底6 m處，對河道演變和河勢穩定基本不會產生不利影響。

施工期導流圍堰的修建會產生一般沖刷和局部沖刷，可能會對堤防基礎埋深有影響。經復核計算，一般沖刷深度為1.52 m，局部沖刷為0.33 m。由相關堤防報告可知，已建堤防基礎埋深為深泓線以下2.5~3.5 m，故圍堰建設造成的沖刷不會對已建堤防基礎埋深產生影響。

（3）根據河道歷史演變、近期演變分析，該河段河谷平面保持順直、微彎穩定，受地質構造與巖性控制明顯，河床沖淤年內呈周期性變化，年際間沖淤維持相對平衡。從定量分析中也可以得出，河道的縱橫向變化都是穩定的。工程河段兩岸均已建成完整堤防工程，控制了河勢的橫向發展，河勢更加趨于穩定。

（4）穿堤管道與堤身填土以及管壁與地基土層容易產生接觸滲漏危害及堤防的安全。

（5）做好穿河段配水管線地面標志，加強對穿河段河勢及管道運行狀態的觀測，為渭河的防洪安全、正常管理及配水管道的安全生產提供保證。

（6）在工程建設中涉及第三人合法權益時，提前跟相關單位進行溝通協調。