淺談南水北調(diào)中線京石段唐河渠道倒虹吸防護(hù)工程設(shè)計

劉志奇

河北省水利水電勘測設(shè)計研究院 天津 300250

概述

唐河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，工程等別為Ⅰ等，主要建筑物級別為1級。

2013年唐河上游西大洋水庫為降低水庫水位開始泄洪，受溯源沖刷影響唐河上下游河道在很大范圍內(nèi)河道底高程下切明顯，僅100m3/s流量最大沖坑達(dá)5m深。雖然采取了臨時防護(hù)，但倒虹吸管仍存在沖刷破壞的危險，急需采取工程防護(hù)措施，以保證倒虹吸工程的運(yùn)行安全。2015年，設(shè)計院受托對唐河渠道倒虹吸管頂進(jìn)行了防護(hù)工程設(shè)計。

1 防護(hù)工程設(shè)計

（1）防護(hù)形式。防護(hù)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。采用透水防沖墻垂直防護(hù)與鉛絲石籠水平防護(hù)相結(jié)合的形式。

（2）防護(hù)范圍。1）順?biāo)鞣较蚍雷o(hù)范圍。①透水防沖墻位置及墻頂高程。防沖墻布置在倒虹吸下游距倒虹吸15m處，高于倒虹吸管身頂高程1.0m。②柔性水平防護(hù)范圍及高程。鉛絲石籠水平防護(hù)位置在倒虹吸管身頂高程以上0.5m處。2）垂直水流方向防護(hù)范圍。垂直水流方向防護(hù)總寬度為620m。

（3）防護(hù)工程布置。唐河倒虹吸防護(hù)工程設(shè)計包括：上游斜坡防護(hù)段、管身頂部水平防護(hù)、下游防護(hù)段、進(jìn)口導(dǎo)流堤防護(hù)4部分：①上游斜坡防護(hù)段。管頂防護(hù)段上游采用適應(yīng)變形能力較強(qiáng)的鉛絲石籠防護(hù)，底坡為1∶10倒坡，長度20m，在上游端部設(shè)計1m×1m（高×寬）的鉛絲石籠齒墻，為防止細(xì)顆粒在高流速水流下被帶走，鉛絲石籠下鋪一層土工布。②管身頂部水平防護(hù)。管身頂部采用1.0m厚鉛絲石籠進(jìn)行水平防護(hù)，長度42m，包括水平段37m和1∶10斜坡段5m兩部分，為防止細(xì)顆粒在高流速水流下被帶走，鉛絲石籠下鋪一層土工布。③下游防護(hù)段。管頂水平護(hù)砌下游端距倒虹吸15m處設(shè)20m深透水防沖墻，透水防沖墻下部設(shè)置鋼筋混凝土灌注樁，透水防沖墻下游設(shè)20m長鉛絲石籠水平軟護(hù)砌段，為防止細(xì)顆粒在高流速水流下被帶走，鉛絲石籠下鋪一層土工布。④進(jìn)口導(dǎo)流堤防護(hù)。沿倒虹吸進(jìn)口導(dǎo)流堤水平鋼筋石籠防護(hù)末端設(shè)透水防沖墻，防護(hù)寬度112m，透水防沖墻下部采用鋼筋混凝土灌注樁。

（4）水力設(shè)計。防沖墻下游沖坑深度，主要考慮兩個方面，一是防護(hù)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。①水平防護(hù)下游端局部沖刷計算。根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范[2]》附錄B.3河床沖刷深度計算公式進(jìn)行計算。②溯源沖刷影響。由于現(xiàn)狀河道下游大量采砂坑的存在，會引起溯源沖刷。參照天然縱坡，推算出防護(hù)墻位置沖刷線高程，為減小防沖墻的深度，在防沖墻下游設(shè)置鉛絲石籠水平防護(hù)，考慮形成1∶5沖坑穩(wěn)定向上游反推，得出防沖墻位置的沖刷線高程[3]。

（5）防沖墻穩(wěn)定設(shè)計。透水墻采用鋼筋混凝土灌注樁，樁間凈距0.5m。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(diǎn)向下游轉(zhuǎn)動，下游則產(chǎn)生被動土壓力，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。計算采用《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ120-2012[2]）中公式進(jìn)行計算，計算公式為：

（6）灌注樁結(jié)構(gòu)設(shè)計

1）灌注樁結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算。灌注樁結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算采用極限平衡法，采用“m”法復(fù)核。

①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)計手冊》（第二版）中的公式進(jìn)行計算：

經(jīng)計算得出樁徑。

②“m”法。灌注樁內(nèi)力計算采用《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ94-2008[1]）中的“m”法進(jìn)行復(fù)核計算，主要計算工具采用軟件“橋梁通CAD7.78”，計算防沖墻灌注樁最大彎矩。經(jīng)復(fù)核計算，兩種計算方法得出的結(jié)果基本一致。

2）防沖墻承載力計算。按《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（SL191-2008[1]）中公式進(jìn)行正截面受彎承載力計算，同時采用軟件“橋梁通CAD7.78”進(jìn)行承載力計算復(fù)核。計算公式為：

2 結(jié)束語

無序過度采砂改變了河道的天然形態(tài)和水流條件，建議在法律框架內(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，禁止在倒虹吸工程所處河道一定范圍內(nèi)采砂，同時加強(qiáng)巡視與維護(hù)，汛后根據(jù)河道情況對防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行及時維護(hù)。

2015年，唐河渠道倒虹吸防護(hù)工程正式實施，通過近幾年的連續(xù)運(yùn)行，驗證了設(shè)計方案的合理性與安全性，工程的實施有效保證倒虹吸工程的運(yùn)行安全。