南水北調(diào)中線沙河(北)渠道倒虹吸防護(hù)工程設(shè)計(jì)

王金晶

(河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300250)

1 概 述

沙河(北)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，按照《水利水電工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(SL252-2000)及國(guó)務(wù)院對(duì)《南水北調(diào)工程總體規(guī)劃》的批復(fù)意見(jiàn)(國(guó)函[2002]117號(hào))，沙河(北)渠道倒虹吸工程等別為Ⅰ等，主要建筑物級(jí)別為1級(jí)。

沙河(北)渠道倒虹吸上下游河道存在嚴(yán)重采砂現(xiàn)象，改變了原有河床形態(tài)及抗沖刷條件，一旦行洪，河床將產(chǎn)生溯源沖刷。而南水北調(diào)中線總干渠與沙河(北)交叉斷面(即沙河(北)渠道倒虹吸)以上現(xiàn)有兩座大型水庫(kù)以及一座中型水庫(kù)，在 2012、2013年汛期連續(xù)兩年水庫(kù)提閘泄水。受溯源沖刷影響沙河(北)倒虹吸上下游河道在很大范圍內(nèi)河道底高程下切明顯，僅300 m3/s流量最大沖坑深達(dá)5.1 m，再遇較大洪水將危及倒虹吸的安全。需要采取工程防護(hù)措施，以保證倒虹吸工程的運(yùn)行安全。

2 防護(hù)工程布置

本防護(hù)工程主要以防護(hù)主槽現(xiàn)狀河道采砂坑為主。工程布置情況如下：

1) 管身頂部采用鉛絲石籠進(jìn)行水平防護(hù)，下鋪一層300 g/m2的土工布。水平段上游20 m，采用厚1.0 m鉛絲石籠，以1∶10進(jìn)行斜坡護(hù)砌。樁前5.0 m，采用厚2.0 m鉛絲石籠，以1∶10進(jìn)行斜坡護(hù)砌，護(hù)砌頂部原土回填至原地面高程。

2) 倒虹吸下游設(shè)φ1 500鋼筋混凝土防沖透水墻，中心距2.0 m，墻頂部設(shè)連接2.0 m×1.5 m(寬×高)鋼筋混凝土冠梁。為減少灌注樁入土深度以及對(duì)上游建筑物的影響，防沖透水墻下游設(shè)長(zhǎng)20 m水平軟護(hù)砌段，護(hù)砌材料選用厚1 m鉛絲石籠，鉛絲石籠上回填土至原地面高程，以保護(hù)鉛絲石籠并減少工程永久征地。為防止鉛絲石籠下細(xì)顆粒在高流速水流下被帶走，墊層下鋪一層300 g/m2的土工布。

防護(hù)布置以及防護(hù)斷面圖詳見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 防護(hù)工程布置圖

圖2 防護(hù)工程斷面圖

3 防護(hù)工程設(shè)計(jì)

3.1 水力設(shè)計(jì)

防沖墻下游沖坑深度，主要考慮兩個(gè)方面：①防護(hù)下游端形成的局部沖刷坑；②由于下游大量采砂坑的存在而引起的溯源沖刷。

3.1.1 水平防護(hù)下游端局部沖刷計(jì)算

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265-2001)附錄B.3河床沖刷深度計(jì)算，水平防護(hù)下游端沖刷深度計(jì)算公式為：

式中：dm為水平護(hù)砌末端河床沖刷深度，m；qm為水平護(hù)砌末端單寬流量，m2/s；[v0]為河床土質(zhì)允許不沖流速，m/s；hm為水平護(hù)砌末端河床水深，m。

3.1.2 溯源沖刷影響

由于現(xiàn)狀河道下游大量采砂坑的存在，將會(huì)引起溯源沖刷。下游砂坑距離倒虹吸較近的為3 km。資料顯示，該河段河底平均縱坡2‰。參照該天然縱坡，下游溯源沖刷形成的縱坡按2‰考慮，推算出防沖墻位置的沖刷線高程。

溯源沖刷線高程高于水平防護(hù)下游端沖刷線高程，故用沖刷線高程確定防沖墻深度。

為減小防沖墻深度，防沖墻后設(shè)柔性防沖段，考慮形成1∶5沖坑上游面護(hù)坡，可減小樁長(zhǎng)。

3.2 防沖墻穩(wěn)定設(shè)計(jì)

倒虹吸管下游端設(shè)防沖透水墻，防沖透水墻采用鋼筋混凝土灌注樁，樁間凈距0.5 m。

樁的深度計(jì)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(cè)向彎曲變形，墻在上游主動(dòng)土壓力作用下，將繞墻底部反轉(zhuǎn)點(diǎn)向下游轉(zhuǎn)動(dòng)；下游則產(chǎn)生被動(dòng)土壓力，達(dá)到平衡狀態(tài)，使墻體保持穩(wěn)定。結(jié)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(yīng)力。

計(jì)算采用《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120-2012)中公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為：

式中：ke為嵌固穩(wěn)定安全系數(shù)，取1.05；Eak、Epk為沖坑外側(cè)主動(dòng)土壓力、沖坑內(nèi)側(cè)被動(dòng)土壓力的標(biāo)準(zhǔn)值，kN；azl、apl為沖坑外側(cè)主動(dòng)土壓力、沖坑內(nèi)側(cè)被動(dòng)土壓力合力作用點(diǎn)至擋土結(jié)構(gòu)底端的距離，m。

3.3 防沖墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.3.1 極限平衡法

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 5007-2011)和《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120-2012)，懸臂式灌注樁結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算采用極限平衡法。防沖墻灌注樁最大彎矩采用《支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》(第二版)中的公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：a為最大彎矩系數(shù)；Ka為主動(dòng)土壓力系數(shù)；h為懸臂樁外露長(zhǎng)度；η為寬度影響系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，防沖透水墻采用C30鋼筋混凝土灌注樁，樁徑為φ1 500 mm。

3.3.2 “m”法

灌注樁內(nèi)力計(jì)算采用《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ 94-2008)中的“m”法進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，主要計(jì)算工具采用軟件“橋梁通CAD7.78”，計(jì)算防沖墻灌注樁最大彎矩。經(jīng)復(fù)核計(jì)算，兩種計(jì)算方法得出的結(jié)果基本一致。

3.4 防沖墻承載力計(jì)算

防沖透水墻采用C30鋼筋混凝土灌注樁，樁徑為φ1 500 mm。按《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 191-2008)中公式進(jìn)行正截面受彎承載力計(jì)算，同時(shí)采用軟件“橋梁通CAD7.78”進(jìn)行承載力計(jì)算復(fù)核。計(jì)算公式為：

式中：A為圓形截面面積，mm2；As為全部縱向鋼筋的截面面積，mm2；r為圓形截面半徑，mm；α為對(duì)應(yīng)于受壓區(qū)面積的圓心角(rad)與2π的比值。

圖3 禁采標(biāo)識(shí)樣式圖

3.5 水工模型試驗(yàn)

防沖墻后沖刷深度計(jì)算采用的是經(jīng)驗(yàn)公式，任何經(jīng)驗(yàn)公式都有其適用范圍，且不同的沖刷計(jì)算公式計(jì)算成果往往有較大差異。

采砂對(duì)河床的影響使穿河倒虹吸下游產(chǎn)生溯源沖刷是一個(gè)較復(fù)雜的問(wèn)題，雖然采用已有的研究成果可以定性分析溯源沖刷的發(fā)展過(guò)程及對(duì)倒虹吸的影響，但其對(duì)倒虹吸的影響程度仍難以準(zhǔn)確確定。

為驗(yàn)證溯源沖刷對(duì)沙河(北)倒虹吸安全影響的分析結(jié)論，并對(duì)防護(hù)措施的合理性做進(jìn)一步分析，需要安排水工模型試驗(yàn)?？紤]到大型動(dòng)床河工模型試驗(yàn)工程費(fèi)用高、時(shí)間長(zhǎng)，而選取一定寬度河道縱斷面，采用水槽動(dòng)床沖刷試驗(yàn)來(lái)研究溯源沖刷和防沖墻上下游沖刷是可行的?？梢赃_(dá)到分析采砂所引起的溯源沖刷對(duì)倒虹吸的影響程度，確定防沖墻上下游沖刷坑深的目的。確定安排河道采砂對(duì)沙河(北)倒虹吸安全影響水槽動(dòng)床模型試驗(yàn)。

3.6 采砂控制建議

1) 無(wú)序過(guò)度采砂改變了河道天然形態(tài)和水流條件，河勢(shì)及洪水發(fā)展存在諸多不確定性，河道實(shí)際水文特性與設(shè)計(jì)假定的吻合度尚有待檢驗(yàn)。建議加強(qiáng)河道的巡視與維護(hù)，注意觀察河床沖淤變化及防沖墻結(jié)構(gòu)的完整性，要備好防汛物資、做好搶險(xiǎn)預(yù)案，汛后要根據(jù)河道情況對(duì)防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行及時(shí)維護(hù)。

2) 防護(hù)工程是依據(jù)下游河床采砂坑的現(xiàn)狀條件確定的，如不采取有效的嚴(yán)格管理措施，距離建筑物一定范圍內(nèi)的采砂，仍然會(huì)危及防護(hù)后的倒虹吸工程。為保證工程安全，建議協(xié)調(diào)當(dāng)?shù)卣秃拥拦芾聿块T(mén)，立法建章，在法律框架內(nèi)加強(qiáng)河道保護(hù)，采取措施防止現(xiàn)有采砂坑進(jìn)一步擴(kuò)展，并禁止在倒虹吸工程所處河道一定范圍內(nèi)采砂。禁止采砂范圍應(yīng)為上游1 000 m，下游3 000 m。安全警示標(biāo)識(shí)見(jiàn)圖3。

4 結(jié) 論

2015年，沙河(北)渠道倒虹吸防護(hù)工程正式實(shí)施。通過(guò)2015、2016年的連續(xù)運(yùn)行，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的合理性與安全性，該項(xiàng)工程的實(shí)施有效保證倒虹吸工程的運(yùn)行安全。