定向鉆穿越河道防洪評(píng)價(jià)的要點(diǎn)

王小丹

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510610)

1 概況

白云管線穿越工程:輸油線路共穿越大中型河流2處，小型水渠8處，小型溝渠70處;高速公路、省道、國(guó)道穿越22處，鐵路1處。小型溝渠采用大開挖方式穿越，大中型河流采用定向鉆穿越方式;現(xiàn)有公路采用開挖或頂管方式穿越，在建公路采用預(yù)埋套管方式;鐵路采用箱涵進(jìn)行穿越。白云管線工程穿越LX河、ZJ江、XF為大中型河流，工程結(jié)合穿越LX河、ZJ江、XF河段地質(zhì)情況擇定向鉆穿越方式穿越。定向鉆穿越方式適合地層容易成孔、擴(kuò)孔的地質(zhì)，不適用于砂層、砂卵石等不易成孔的地質(zhì)，其優(yōu)勢(shì)在于快捷、對(duì)地貌影響小、破壞少，對(duì)河床、堤岸、防護(hù)堤造成破壞及擾動(dòng)很小，缺點(diǎn)是對(duì)于地質(zhì)有一定要求，需要在施工前做好勘探。

白云管線在廣州市穿越LX河、ZJ江、XF河，設(shè)計(jì)管線穿越段設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇，穿越段管線水平穿越長(zhǎng)度733m，實(shí)際長(zhǎng)度為763m，定向鉆穿越入土點(diǎn)均位于堤后130m外，采用直縫電阻焊鋼管。由于白云管線在LX河、ZJ江、XF河等河道管理范圍內(nèi)布置管道等建筑物，必須依據(jù)防洪評(píng)價(jià)報(bào)告編制導(dǎo)則進(jìn)行防洪影響評(píng)價(jià)。根據(jù)管道穿越工程的情況、所在河段的防洪任務(wù)與防洪要求、防洪工程與河道整治工程布局及其它國(guó)民經(jīng)濟(jì)設(shè)施的分布情況等，對(duì)建設(shè)項(xiàng)目的防洪影響進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)的主要內(nèi)容有:對(duì)河道行洪影響、對(duì)河勢(shì)穩(wěn)定影響、對(duì)堤防穩(wěn)定影響分析、對(duì)防汛搶險(xiǎn)影響分析、對(duì)第三事權(quán)益影響分析。

2 評(píng)價(jià)內(nèi)容

2.1 河道行洪影響分析

涉河建筑物對(duì)河道行洪影響主要是由于構(gòu)筑物的修建減小了斷面過(guò)流面積，水流流線在構(gòu)筑物的上游形成收縮，下游形成擴(kuò)散，加上構(gòu)筑物本身的阻力等因素，使河流的局部阻力增大，造成局部水頭損失，形成上下游的水位差(稱為壅水)，增大了淹沒(méi)面積，滯蓄了洪水，從而對(duì)河道行洪產(chǎn)生影響。

白云國(guó)際機(jī)場(chǎng)航煤輸送管道工程穿LX河、ZJ河、XF河等河道采用定向鉆穿越河流等障礙物時(shí)，在穿越河道時(shí)，首先用鉆孔機(jī)械在河底一側(cè)先開一個(gè)導(dǎo)向孔，當(dāng)鉆頭在河道另一側(cè)即河道對(duì)岸出土后，在出土端連接擴(kuò)孔器擴(kuò)孔，在擴(kuò)孔的同時(shí)，將待敷設(shè)的管線拉入導(dǎo)向孔，完成敷設(shè)作業(yè)。管道穿越河流時(shí)，建筑物均在地面線以下鋪設(shè)，沒(méi)有縮窄過(guò)水?dāng)嗝?、沒(méi)有增加行洪的阻力，沒(méi)有增大河道的綜合糙率系數(shù)，河道水位變化不明顯，對(duì)河道行洪影響很微小。

2.2 河道堤防、護(hù)岸穩(wěn)定分析

建筑物跨越河道同時(shí)往往需要跨越河道兩岸堤防或兩岸岸坡，白云國(guó)際機(jī)場(chǎng)航煤輸送管道工程采用定向鉆穿越方式涉及LX河、ZJ河、XF河等河道兩岸堤防，定向鉆入土點(diǎn)、出土點(diǎn)一般位于堤防(岸坡)背水坡后，距離背水坡坡腳一定距離，管道在堤防下最小埋深為6m;工程管線敷設(shè)于較為穩(wěn)定的地層內(nèi)，管線埋深距堤防均有一定的有效安全距離。管線穿越河道堤防，與堤防具有一定的距離，不存在侵占堤身斷面，破壞堤防等影響問(wèn)題，但是，管道施工期間將對(duì)堤基下面地層產(chǎn)生一定擾動(dòng)，引起地下水滲流流場(chǎng)一定變化，該變化可能誘發(fā)滲透破壞。因此，在定向鉆防洪評(píng)價(jià)中需結(jié)合工程的布置方案、《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50286-2013)對(duì)工程運(yùn)行期的堤防滲透穩(wěn)定和抗滑穩(wěn)定進(jìn)行安全復(fù)核計(jì)算，該項(xiàng)分析也是定向鉆穿越防洪評(píng)價(jià)的重點(diǎn)。

滲流穩(wěn)定分析常采用有限原法進(jìn)行分析計(jì)算，管道穿越滲流分析重點(diǎn)是分析穿越工程對(duì)原河道堤防地基土體的影響。定向鉆穿越工程管道埋深較大，但施工中難免會(huì)對(duì)堤防工程基礎(chǔ)土層產(chǎn)生擾動(dòng)，影響原土體的密實(shí)度，甚至可能會(huì)沿管道周邊形成1條滲流通道，影響堤防穩(wěn)定。因此，對(duì)定向鉆穿越工程防洪評(píng)價(jià)的滲流穩(wěn)定分析應(yīng)重點(diǎn)分析工程前后地基土體的滲透系數(shù)及滲透坡降，從而分析對(duì)堤防的滲透穩(wěn)定產(chǎn)生影響。

定向鉆穿越工程施工中難免會(huì)對(duì)堤防基礎(chǔ)產(chǎn)生擾動(dòng)，降低基礎(chǔ)土體的抗剪強(qiáng)度，造成堤基失滑穩(wěn)定，因此，需進(jìn)行抗滑穩(wěn)定分析。定向鉆穿越工程對(duì)堤防的抗滑穩(wěn)定分析常采用堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范推薦的瑞典圓弧法。瑞典圓弧滑動(dòng)屬于條分法的一種，適用于計(jì)算各種地貌形態(tài)的均質(zhì)、非均質(zhì)和人工斜坡的抗滑穩(wěn)定性及建筑物地基的穩(wěn)定性。

在計(jì)算過(guò)程中假定(1)自然邊坡穩(wěn)定計(jì)算假定滑動(dòng)破壞面為圓形;(2)不考慮土條間推力;(3)考慮穩(wěn)定滲流時(shí)對(duì)土坡的影響時(shí)采用替代容重法;(4)地震對(duì)土坡的穩(wěn)定影響采用擬靜力法;(5)考慮水位降落時(shí)影響。計(jì)算結(jié)果參照GB50286-2013中關(guān)于土堤抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的規(guī)定進(jìn)行復(fù)核，若未能滿足抗滑穩(wěn)定要求，應(yīng)提出相應(yīng)的補(bǔ)救措施。

2.3 河勢(shì)穩(wěn)定影響

涉河建筑物對(duì)河勢(shì)穩(wěn)定影響主要由于建筑物的阻水作用，水流在建筑物前向兩側(cè)繞過(guò)，在建筑物后收縮回流，建筑物所在斷面及其上下游局部河段流速會(huì)有所變化。建筑物上游由于建筑物阻水壅水影響，過(guò)水?dāng)嗝婷娣e有所增加，河段總體流速將有所減小;建筑物所在斷面由于建筑物的設(shè)置縮小河道過(guò)水?dāng)嗝?，?dǎo)致河段流速增大，局部產(chǎn)生繞流，從而對(duì)河勢(shì)穩(wěn)定產(chǎn)生影響。

白云國(guó)際機(jī)場(chǎng)航煤輸送管道工程采用定向鉆穿LX河、ZJ河、XF河等河道，按設(shè)計(jì)的鉆孔方向在河道底下進(jìn)行鋪設(shè)，整個(gè)鋪設(shè)過(guò)程在河床以下一定深度進(jìn)行，具有不開挖地面、不破壞地層結(jié)構(gòu)、不損壞河堤、不擾動(dòng)河床、施工周期短、施工占地少等特點(diǎn)，采用定向鉆技術(shù)穿越河道不占用河道行洪面積，不改變河道水流邊界條件，河道流速及流態(tài)變化不明顯，引起河床沖淤變化很微小，對(duì)河道的河勢(shì)穩(wěn)定影響較小。

2.4 防汛搶險(xiǎn)影響

根據(jù)GB50286-2013規(guī)定:堤頂是防汛搶險(xiǎn)和工程管理的通道，與堤交叉建筑物與堤頂之間的凈空高度應(yīng)滿足堤防的日常管理、修復(fù)維護(hù)、防汛搶險(xiǎn)的要求。且為了不影響堤防后期加固，應(yīng)預(yù)留足夠高度以備堤防的遠(yuǎn)期建設(shè)。為了保證防洪通道的暢通，路堤結(jié)合河段，防洪堤頂?shù)膬艨諔?yīng)能滿足防汛搶險(xiǎn)的需求，同時(shí)，建筑物的布置不能影響防汛搶險(xiǎn)及維修管理通道。

橋梁等跨河建筑物與堤防相交時(shí)，受條件限制，與堤頂?shù)姆姥赐ǖ纼艨粘：苄?，無(wú)法滿足防汛搶險(xiǎn)交通的要求，對(duì)防汛搶險(xiǎn)造成一定影響。而白云管道工程采用定向鉆技術(shù)穿越河道，從河床底部深處穿越，不占用現(xiàn)有防汛搶險(xiǎn)通道，不影響通道凈空，對(duì)兩岸的防汛搶險(xiǎn)不會(huì)造成不利影響。

2.5 河道沖刷影響分析

管道采用定向鉆穿越河道時(shí)應(yīng)考慮河床沖刷引起河道高程變化的影響，洪水期，河道水流對(duì)河床面掏挖沖蝕易引起河床下切，從而造成管道懸空失穩(wěn)。因此，管道埋深應(yīng)大于其設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)情況下引起河床沖刷深度，且穿越管道頂部的高程不低于河槽的一般沖刷線，這樣可以才能確保管道的運(yùn)行安全，及避免對(duì)河道的行洪安全造成不利影響。為此，在評(píng)價(jià)過(guò)程中，需進(jìn)行沖刷分析，分析管道穿越處埋置深度合理性。

管道等建筑物應(yīng)鋪設(shè)在河床以下一定深度，管道穿越處的最大沖刷深度直接關(guān)系到穿越管道頂部的高程，管道埋深在大于其設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)情況下引起河床沖刷深度，且不低于河槽的一般沖刷線，這樣才能確保管道的運(yùn)行安全，避免對(duì)河道的行洪安全造成不利影響。因此，需采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行沖刷分析，分析穿越處埋置深度合理性。

對(duì)于管道穿越河流過(guò)程中河床的一般沖刷深度計(jì)算，常用Lacey經(jīng)驗(yàn)公式式進(jìn)行計(jì)算。

在白云管線穿越工程計(jì)算過(guò)程中，根據(jù)穿河處的水文條件和河槽實(shí)際狀況，結(jié)合主體設(shè)計(jì)方案，按照上述公式計(jì)算沖刷情況。計(jì)算過(guò)程中，根據(jù)管道穿越處河床地質(zhì)情況，由土層上部往下部分層計(jì)算。若所計(jì)算沖刷深度小于計(jì)算土層厚度，則計(jì)算深度為沖刷深度，若計(jì)算深度大于計(jì)算土層厚度，則沖刷深度為計(jì)算土層厚度加下一層沖刷深度，以此方法計(jì)算，河床總沖刷深度為各計(jì)算土層疊加的深度。

白云管線穿河管道采用定向鉆穿越LX河、ZJ河、XF等河流水域時(shí)，穿越管段管頂埋深一般在河流最大沖刷線2.5m以下，且穿越管段管頂?shù)胶哟驳撞康淖钚【嚯x宜大于穿越管徑的10～15倍，且不小于6m，對(duì)防洪等級(jí)高的河流，還適當(dāng)增加穿越深度，滿足沖刷深度的要求。

2.6 引水、排澇分析

工程建設(shè)對(duì)河道的引水、排澇的影響主要表現(xiàn)在壅高值及壅水長(zhǎng)度上。定向鉆是利用特定的鉆機(jī)或鉆頭在地下形成鉆孔，并將建筑物鋪設(shè)于鉆孔的工藝，白云管線采用定向鉆方式穿越河道，將不占用河道過(guò)洪面積，河道水動(dòng)力條件基本不變化，壅水值與壅水長(zhǎng)度基本為零。因此，采用定向鉆方式穿河道對(duì)河道引水、排澇也很小。

2.7 施工期影響分析

定向鉆水域穿越施工時(shí)，入土點(diǎn)、出土點(diǎn)周邊的土體將進(jìn)行大幅度擾動(dòng)，需結(jié)合施工方法分析入土點(diǎn)、出土點(diǎn)與周邊水利工程距離關(guān)系，避免入土點(diǎn)、出土點(diǎn)施工對(duì)周邊水利工程產(chǎn)生破壞。

工程施工階段對(duì)河道的主要風(fēng)險(xiǎn)在于施工期定向鉆實(shí)施不理想，發(fā)生較大的塌孔，引起地面沉降及河岸滑坡，阻塞河道。因此，要求定向鉆施工須在枯水期施工。這樣，一旦發(fā)生河岸滑坡、阻塞河道，有較充足時(shí)間進(jìn)行清理和恢復(fù)，且清理和恢復(fù)難度不大，對(duì)河道行洪、防洪威脅不大，風(fēng)險(xiǎn)較小。

2.8 其它影響分析

采用定向鉆穿越河道時(shí)，應(yīng)分析穿越位置與臨近橋梁工程、碼頭工程、港口工程、水下建筑物、取水口工程等距離關(guān)系是否滿足規(guī)定，評(píng)價(jià)穿越工程的各項(xiàng)布置是否影響臨近工程的正常運(yùn)行，分析施工期和運(yùn)行期是否影響臨近工程的水事權(quán)益。

3 結(jié)論

在編制定向鉆防洪評(píng)價(jià)中，除了分析工程建設(shè)對(duì)河道行洪、河勢(shì)穩(wěn)定、防汛搶險(xiǎn)響、防汛搶險(xiǎn)響、其它設(shè)施等的影響外，還需對(duì)堤防影響、沖刷影響進(jìn)行詳細(xì)分析。由于定向鉆穿越河道為直接從河底或堤基穿越點(diǎn)，其對(duì)河道行洪、河勢(shì)穩(wěn)定影響往往不明顯，而對(duì)堤防穩(wěn)定影響相對(duì)明顯，因此應(yīng)重點(diǎn)分析對(duì)堤防穩(wěn)定影響。另外，河道沖刷對(duì)于管道埋深及工程安全具有很大的影響，在編制定向鉆防洪評(píng)價(jià)中，也需對(duì)沖刷影響進(jìn)行重點(diǎn)分析。

［1］GB50201-94.防洪標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［2］中華人民共和國(guó)河道管理?xiàng)l例.1988年6月10日國(guó)務(wù)院令第3號(hào)發(fā)布.

［3］趙希嶺.防洪評(píng)價(jià)報(bào)告編制中有關(guān)問(wèn)題的探討［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2011(02).

［4］張?zhí)烊?山區(qū)河道防洪堤規(guī)劃建設(shè)關(guān)鍵性問(wèn)題探討［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2013(04).