生態(tài)補水管線下穿石馬河防洪評價

黃祖榮

(東莞市運河治理中心，廣東 東莞 523000)

1 概述

為改善區(qū)域河涌水環(huán)境及水質(zhì)狀況，逐步消除內(nèi)河涌黑臭現(xiàn)象，全面推進河涌水環(huán)境綜合治理，對區(qū)域社會可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[1]。位于東莞市的常平環(huán)保專業(yè)基地污水經(jīng)處理達標(biāo)后，約1.4萬m3/d尾水排入常平東部污水處理廠。近幾年，隨著常平鎮(zhèn)截污管網(wǎng)工程的建設(shè)，現(xiàn)狀污水處理廠處理壓力日趨飽和。通過建設(shè)專管工程，將達標(biāo)尾水外排至木茶湖水道進行生態(tài)補水，不僅可提升木茶湖水質(zhì)，亦可削減污水廠的處理壓力。

生態(tài)補水專管工程敷設(shè)路線為：沿基底園區(qū)圍墻外敷設(shè)至常謝路，之后沿村內(nèi)支路敷設(shè)至石馬河南岸，采用定向鉆法施工穿越石馬河后，最終敷管至木茶湖水(管道布設(shè)如圖1所示)。工程設(shè)計壓力管道總長約5.2km，管徑De630，管材為聚乙烯(PE)給水管。由于設(shè)計管線采用水平定向鉆法穿越石馬河，可能會對兩岸堤防的滲透穩(wěn)定和抗滑穩(wěn)定產(chǎn)生一定的影響。根據(jù)《中華人民共和國防洪法》《中華人民共和國河道管理條例》等有關(guān)規(guī)定，須對擬建管線越河進行防洪影響評價。

圖1 生態(tài)補水專管路線圖

2 防洪評價準(zhǔn)備

2.1 技術(shù)路線和工作內(nèi)容

根據(jù)石馬河的水動力特點，研究技術(shù)路線為：在收集現(xiàn)有技術(shù)資料的基礎(chǔ)上，采用現(xiàn)場實地查看、資料整理收集和分析、經(jīng)驗公式法等多種技術(shù)手段，分析工程所在河道的河床演變情況，科學(xué)地評價擬建工程對石馬河河勢穩(wěn)定的影響；主要工作內(nèi)容為：分析穿越工程方案及特點，對穿越位置進行水文成果復(fù)核分析、堤防滲流和穩(wěn)定、抗沖刷計算等，結(jié)合計算結(jié)果綜合評價擬建工程對河勢穩(wěn)定、河道行洪、堤防安全、防汛搶險、第三方合法水事權(quán)益等的影響。

2.2 管線穿越方案分析

工程采用定向鉆法施工穿越石馬河，穿越段管長約322m，樁號為K1+851～K2+173，管徑為De630，雙管(兩管間距為2m)水平平行敷設(shè)，穿河管段剖面如圖2所示。河床現(xiàn)狀底高程為1.35m，根據(jù)設(shè)計方案，該處穿河管管頂高程為-3.94m，管頂至河床的最小覆土厚度為5.29m。根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告等資料，穿越河段揭露地層主要為粉質(zhì)黏土、強風(fēng)化粉砂巖、中風(fēng)化粉砂巖等，擬建管道主要穿越粉砂巖層，穿越處地質(zhì)條件較好，無須進行地基處理。工程定向鉆穿越需建設(shè)兩個工作井(始發(fā)井和接收井，位于河道管理范圍以外)，均采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，工作井尺寸為長4.55m、寬2.5m、深2.88～4.70m。穿越管段采用水平定向鉆法施工，入土點選擇始發(fā)井沿管道延伸方向的反向30m處，出土點選擇接收井沿管道延伸方向30m處。鉆孔軌跡設(shè)計如下：

圖2 穿河管段剖面示意圖(單位：mm)

(1)出入土角：根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，項目采用地面始鉆式，入土角和出土角應(yīng)為8°～20°，計算所得的出土角和入土角均為8.3°，符合要求。

(2)管道軸向曲率半徑：因為牽引管是作為排水管道使用的，管道由起點向終點方向具有一定的縱向坡度，不能出現(xiàn)彎曲情況，因此管道軸向曲率半徑為∞。

(3)終孔孔徑、擴孔次數(shù)：拖拉管道直徑為630mm，成孔直徑控制在管道外徑的1.2～1.5倍，終孔直徑確定為800mm。鉆進鉆頭直徑為40cm，初次成孔直徑為40cm，根據(jù)擴孔鉆頭比孔洞大1.2～1.5倍的原則，選取直徑600cm的鉆頭進行第1次擴孔，再選取直徑800cm的鉆頭進行二次擴孔至成孔尺寸。

(4)定位導(dǎo)向系統(tǒng)：采用DCI公司生產(chǎn)的ECLIPSE無線地下定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括地面接收器及遙顯，地面接收器通過接收鉆頭內(nèi)無線探棒發(fā)射的信號，探測鉆頭的具體位置；遙顯上顯示鉆頭鐘面值及溫度接收器探測的鉆頭深度[2]。鉆機操作人員根據(jù)接收器探測結(jié)果，對鉆頭軌跡進行動態(tài)糾偏調(diào)整，確保鉆頭沿設(shè)計軌跡鉆進。

2.3 河道演變分析

河床演變的實質(zhì)是河床的垂直與水平的移動，以及河床形態(tài)的變化，水流對河床的作用是河床演變的基礎(chǔ)[3]。河床上垂直方向的變形主要表現(xiàn)為沖刷或淤積，在水平方向上的移動則表現(xiàn)為河岸的侵蝕[4-5]。由于人類對河岸的整治活動，河道橫向變形基本被限制，僅在垂直方向上變形，即表現(xiàn)為沖刷或淤積。工程位置處現(xiàn)狀河寬為110m，目前石馬河正在進行全流域的綜合整治，遠期擬建工程處河道需擴寬50～60m，因此河道未來演變方向存在向右拓寬的趨勢。當(dāng)工程處河道擴寬后，流速變慢，一段時間內(nèi)擬建工程處河道的淤積趨勢會有所增強，但最終會達到?jīng)_淤平衡狀態(tài)。因此工程建設(shè)不會對所在河段整體沖淤變化造成影響。

3 防洪評價計算

3.1 水文分析計算

3.1.1基本資料

石馬河是東江下游的一級支流，位于東莞市東部，主流發(fā)源于深圳市大腦殼山，流向為自南向北，形狀狹長，河流較彎曲。石馬河河道左岸堤防為東莞大堤，規(guī)劃防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇；右岸堤防為石馬河常平段堤防，規(guī)劃防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，現(xiàn)狀未達標(biāo)。石馬河流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，特點是氣候溫和，季風(fēng)明顯，雨量充沛，濕度較大，日照充足，溫差幅小，無霜期長，多年平均氣溫在21～22.2℃。石馬河流域暴雨成因有鋒面、低壓槽、低壓、低渦、低空急流及熱帶風(fēng)暴(臺風(fēng))等，具有次數(shù)多、強度大、持續(xù)時間長、籠罩范圍大的特點。每年絕大部分雨量集中在4—10月份，占全年降雨量的89%，由于雨量時空分配極不均勻，易引起洪澇災(zāi)害。

3.1.2設(shè)計洪水

結(jié)合相關(guān)資料，石馬河流域設(shè)計洪水成果見表1，滿足規(guī)劃要求。擬建工程位于第六段，50年一遇的洪峰流量為2801m3/s；100年一遇洪峰流量為3240m3/s。擬建工程位于司馬大橋下游約810m，50年一遇規(guī)劃水位為13.46m，100年一遇規(guī)劃水位為14.09m。

表1 石馬河干流設(shè)計洪水成果匯總表

3.2 堤防滲流分析及計算

滲流計算選取生態(tài)補水管穿越工程軸線中部實測橫斷面，運用理正軟件中的滲流分析模塊，采用二維有限單元法將滲流場離散成有限個單元體，根據(jù)邊界水頭值，按滲流有限元基本計算方程求得各點水頭值，進而求得整個滲流場的水頭分布[6]。穿越管段左岸東莞大堤水力邊界條件選取臨水側(cè)100年一遇洪水位，右岸潼湖圍由于現(xiàn)狀堤防仍未達標(biāo)，根據(jù)現(xiàn)狀情況水力邊界選取臨水側(cè)10年一遇洪水位，而背水側(cè)均為無水條件時的水位組合。經(jīng)過計算比較工程建設(shè)前、后兩岸堤防滲透的穩(wěn)定性變化，左、右岸堤防在各工況下滲流計算成果見表2。計算表明：左、右岸工程建設(shè)前后浸潤線位置變化不大，計算最大滲透坡降均小于允許滲透坡降，工程建設(shè)對兩岸堤防滲流場影響較小，不會造成堤基的滲透破壞，工程運行期能夠滿足規(guī)范要求。

表2 左、右岸堤防滲流計算成果表

3.3 堤防抗滑穩(wěn)定分析及計算

堤防整體抗滑穩(wěn)定計算斷面與滲流計算選取的斷面相同，邊坡穩(wěn)定計算采用瑞典圓弧法，計算模型依據(jù)理正軟件里的邊坡穩(wěn)定分析模塊。計算工況如下：①100年、10年一遇設(shè)計洪水位下，堤坡形成穩(wěn)定滲流后的臨、背水側(cè)堤坡；②100年、10年一遇設(shè)計洪水位驟降至常水位，堤坡形成穩(wěn)定滲流后的臨水側(cè)堤坡。根據(jù)石馬河洪水特性，洪水過程一般為1天，常水位采用8.46m；③100年、10年一遇設(shè)計洪水位下，施工期堤坡形成穩(wěn)定滲流后的臨、背水側(cè)堤坡；④枯水期水位下，堤坡形成穩(wěn)定滲流后的臨水側(cè)堤坡，枯水期水位取6.40m；⑤100年、10年一遇設(shè)計洪水位驟降至常水位，施工期堤坡形成穩(wěn)定滲流后的臨水側(cè)堤坡。根據(jù)計算結(jié)果，擬建工程施工前后，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)無明顯變化，均大于規(guī)范規(guī)定的允許安全系數(shù)，滿足GB 50286—2013《堤防工程設(shè)計規(guī)范》要求。

3.4 沖刷計算

由于穿越管線沿河床底敷設(shè)，沒有占用石馬河行洪斷面，因此只對穿越處河槽進行最大沖刷深度計算，從而判斷管道埋深是否安全。根據(jù)地質(zhì)勘察資料，擬建工程穿越處河床地層主要為黏土層，故采用DB44/T 1661—2015《河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項目技術(shù)規(guī)程》推薦的黏性土一般沖刷經(jīng)驗公式計算。經(jīng)分析，50年一遇工況下河道一般沖刷深度為1.06m，沖止流速為2.34m/s；100年一遇工況下河道一般沖刷深度為1.01m，沖止流速為2.40m/s。由于穿越管道管頂至河床的最小覆土厚度為5.29m，可見規(guī)劃管道埋深滿足設(shè)計要求，河道沖刷不會對管道安全造成不利影響。

4 防洪綜合評價

4.1 對河勢穩(wěn)定的影響分析

擬建工程管道布設(shè)在河床以下并具有一定埋深，同時管線水平定向鉆穿越施工方法具有不開挖地面、不破壞地層結(jié)構(gòu)、不損壞河堤、不擾動河床、施工周期短、施工占地少等特點，管道不會出露河床，不占用河道行洪面積，對河道行洪不產(chǎn)生阻水作用，無壅高行洪水位的影響；同時不改變河道水流邊界條件，對河床沖淤變化影響不大。因此，擬建工程對所在河道的河勢穩(wěn)定無明顯影響。

4.2 對現(xiàn)有堤防、護岸和其他水利工程及設(shè)施的影響分析

根據(jù)上述計算成果，擬建工程建成后對兩岸堤防的滲流、抗滑穩(wěn)定影響較小，工程前后安全系數(shù)均大于規(guī)范規(guī)定的允許安全系數(shù)，滿足相關(guān)規(guī)范要求。因此，工程對堤防的結(jié)構(gòu)安全基本不會產(chǎn)生明顯的不利影響。工程始發(fā)井和接收井均布置在河道管理范圍以外，而且設(shè)計采用防水井蓋、防水砂漿、防水涂料等措施，對兩岸堤防的滲流影響較小。擬建管道穿河斷面上游約1km處左岸有司馬聯(lián)圍泵站，但距離較遠，工程建設(shè)不會對其產(chǎn)生影響。

4.3 對防汛搶險的影響分析

根據(jù)GB 50286—2013規(guī)定，跨堤建筑物、構(gòu)筑物與堤頂之間的凈空高度，應(yīng)滿足堤防交通、防汛搶險、管理維修等方面的要求。為保證防洪通道的暢通，防洪堤頂?shù)膬艨諔?yīng)能滿足防汛搶險的需求。擬建管道從河床底部穿越，穿越處左、右兩岸場地平坦開闊，不占用堤防防汛搶險通道，對通道凈寬無影響。因此，擬建工程不會對兩岸的防汛搶險造成不利影響。

4.4 項目建設(shè)對第三方合法水事權(quán)益的影響

擬建管道下穿石馬河，石馬河無通航要求；擬建工程處附近無取水口。擬建工程管道布設(shè)在河床以下并具有一定埋深，工程建設(shè)不會改變河道水流邊界條件，故不會對第三方合法水事權(quán)益造成不利影響。

5 結(jié)論及建議

(1)根據(jù)計算，擬建工程的建設(shè)對兩岸堤防的滲流、抗滑穩(wěn)定影響較小，且河道沖刷不會對管道安全構(gòu)成不利影響。

(2)擬建管道穿越石馬河河槽時，管道不會露出河床，不占用河道行洪面積，因此工程實施不會對行洪安全和河勢穩(wěn)定帶來不利影響。

(3)石馬河無通航要求，擬建工程附近無取水口，且管道布設(shè)在河床以下并具有一定埋深，工程建設(shè)不會對第三方合法水事權(quán)益造成不利影響。

(4)建議在工程管理范圍內(nèi)設(shè)置警示標(biāo)志，標(biāo)明工程類型、埋深、結(jié)構(gòu)等，以避免其他活動對管道安全運行造成影響。項目的實施，可為我國類似管線穿河工程的防洪評價分析積累現(xiàn)實經(jīng)驗。