唐河倒虹吸防護工程設計方案

【摘要】由于河道嚴重采砂，倒虹吸上下游河道在很大范圍內(nèi)河底高程下降明顯，影響倒虹吸工程安全，文中分析了采砂坑對倒虹吸工程的影響，并確定了防護工程的設計方案。

【關(guān)鍵詞】采砂；倒虹吸；沖刷；設計方案

1、工程概況

唐河倒虹吸工程與唐河基本正交，倒虹吸距唐河上游的西大洋水庫16.4km，主要建筑物有進出口漸變段、進口檢修閘段、倒虹吸管身段、節(jié)制閘、導流堤等組成，總長1155m，防洪標準為100年一遇洪水設計、300年一遇洪水校核。

2、河道采砂情況

由于主體建筑物上下游河道嚴重采砂，河道在很大范圍內(nèi)河道底高程下降明顯，倒虹吸交叉斷面上游約2.0km范圍內(nèi)河道出現(xiàn)倒坡，現(xiàn)狀河底高程較原設計河底高程平均降低了12m左右；交叉斷面下游約5.0km范圍內(nèi)河道現(xiàn)狀河底高程較原設計河底高程平均降低了10m左右。

3、水力設計

3.1倒虹吸管身下游現(xiàn)狀沖坑深度復核

倒虹吸管身部位河底高程高出上下游河底高程較多，形成類似潛壩的過流條件，按潛壩沖刷公式計算倒虹吸管身下游的沖刷深度，計算公式為：

（C.2.3）

式中：-從壩下游水面算起的沖刷坑最大深度（m）；

-過壩單寬流量（m3/s/m），取15.7m3/s/m；

-河床沙平均粒徑，取4.21mm；

-壩下游沖刷前水深（m），取9.91 m。

經(jīng)計算，倒虹吸管下游側(cè)沖刷深度12.1m，沖刷線高程48.50m，低于倒虹管底高程，管身存在安全隱患。

3.2防沖墻下游沖坑深度計算

為保護倒虹吸管身安全，擬采用垂直透水防沖墻加水平防護措施，防沖墻下游沖坑深度，主要考慮兩個方面，一是防護下游端形成的局部沖刷坑；二是由于下游大量采砂坑的存在而引起的溯源沖刷。

3.2.1防護下游端局部沖刷計算

水平防護下游端局部沖刷參照海漫末端的河床沖刷深度計算防護下游端的沖坑深度，計算公式為：

式中：-末端河床沖刷深度（m）；

-末端單寬流量（m2/s），取15.7m3/s/m；

-河床土質(zhì)允許不沖流速（m/s），取0.85；

-末端河床水深（m），取9.91 m。

經(jīng)計算，末端河床沖刷深度10.4m，水平防護的長度依據(jù)沖坑深度確定。

3.2.2 溯源沖刷分析

倒虹吸下游大面積的采砂坑使得下游河段河底高程急劇下降，河段縱坡急劇變陡，一旦河道行洪致使采砂坑上緣段流速驟增，而坑底及下游段流速變緩，造成該段河道上沖下淤，沖刷逐步向上游發(fā)展?，F(xiàn)狀采砂坑距倒虹吸軸線較近，且砂坑底高程低于倒虹吸底高程較多，溯源沖刷會使倒虹吸位置河床下降，倒虹吸管身存在沖刷破壞的危險。

4、 防護方案選擇

4.1防護形式確定

防護工程以減小倒虹吸工程上下游采砂坑引起的上游頂沖沖刷和下游溯源沖刷為目的。因此，考慮采用垂直防護與柔性水平防護相結(jié)合的形式。垂直防護推薦采用透水防沖墻，柔性水平防護推薦采用鉛絲石籠水平防護的形式。透水防沖墻優(yōu)點是施工相對簡單，墻體具有透水性，墻前、墻后水壓力相平衡，墻體嵌固長度較小，工程投資相應較低；鉛絲石籠的優(yōu)點是抗沖和適應變形的能力較強，施工較為容易。

4.2防沖墻穩(wěn)定設計

透水防沖墻采用鋼筋混凝土灌注樁，樁的深度計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，墻在上游主動土壓力作用下，將繞墻底部反轉(zhuǎn)點向下游轉(zhuǎn)動，下游則產(chǎn)生被動土壓力，達到平衡狀態(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力。

計算采用《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》（JGJ120-2012）中公式進行計算，計算公式為：

式中：

-嵌固穩(wěn)定安全系數(shù)；

-基坑外側(cè)主動土壓力、基坑內(nèi)側(cè)被動土壓力標準值（kN）；

-基坑外側(cè)主動土壓力、基坑內(nèi)側(cè)被動土壓力合力作用點至擋土構(gòu)件底端的距離（m）。

4.3防護范圍確定

4.3.1順水流方向防護范圍

（1）透水防沖墻位置

防沖墻布置考慮以下幾原則：一是防沖墻的施工和墻下游形成沖坑后墻身受力不應影響倒虹吸管身的受力狀態(tài)；二是將防沖墻位置盡量靠近倒虹吸布置，以縮短管頂水平防護范圍，減少工程投資。綜合考慮，防沖墻布置在倒虹吸下游距倒虹吸15m處。

（2）柔性水平防護范圍

為了減小倒虹吸工程上游端頂沖沖刷，倒虹吸上游采用適應變形能力較強的鉛絲石籠防護，底坡采用倒坡，加強對倒虹吸上游端的保護，倒坡段防護首端頂高程按略低于倒虹吸管頂高程考慮。為了減小倒虹吸頂部河道沖刷，在倒虹吸管頂至下游透水防沖墻之間，采用鉛絲石籠水平防護。考慮到防沖墻下游會形成沖坑，且由于嚴重的采砂，倒虹吸下游河道底高程嚴重下降，為減小防沖墻的深度，在防沖墻下游設置適當鉛絲石籠水平防護。

水平防護高程考慮以下幾個原則：一是盡量不影響高標準洪水時河道行洪；二是能與防沖墻相結(jié)合對倒虹吸管身形成有效的保護；三是鉛絲石籠頂部應有一定的覆土厚度，以減少占地和延長鉛絲石籠的使用壽命。

4.3.2垂直水流方向防護范圍

為保證左右側(cè)灘地管身安全，避免因無序開采的采砂坑沖填淘坡，結(jié)合防護工程投資考慮，左側(cè)灘地防護寬度按10倍高程差考慮，倒虹吸進口導游堤下游砂坑距離較近，故右側(cè)灘地防護寬度至倒虹吸進口導流堤，并向?qū)Я鞯滔掠窝由煲欢尉嚯x，以保護導流堤的安全。垂直水流方向防護共包括主河槽、左側(cè)灘地、右側(cè)灘地至倒虹吸進口導流堤、沿倒虹吸進口導流堤防護四部分，以主河槽防護為主。

5、 結(jié)語

由于河道嚴重采砂，導致倒虹吸上下游河道在很大范圍內(nèi)河底高程下降明顯，為倒虹吸工程的運行帶來很大的安全隱患。文中分析了采砂坑對倒虹吸工程安全的影響，介紹了倒虹吸防護工程的設計方案，工程實施后取得了不錯的效果。

參考文獻：

[1]李煒，水力計算手冊[K].北京：中國水利水電出版社，2006.

[2]尉希成，周美玲，支擋結(jié)構(gòu)設計手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[3]GB50707-211，河道整治設計規(guī)范[S].

[4]JGJ120-2012，建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程[S].