城市排水泵站穿越堤防對河道行洪及堤防穩(wěn)定的影響評價

阮 偉，張 鍇

（1.武漢市城市建設(shè)投資開發(fā)集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430000；2.武漢臨空經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)投資開發(fā)集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430000）

排水泵站工程是保障城市安全、維護(hù)社會穩(wěn)定的重要基礎(chǔ)設(shè)施[1]。為提高區(qū)域排澇防災(zāi)能力，武漢市規(guī)劃建設(shè)了琴斷口泵站及配套排水工程。根據(jù)國家有關(guān)規(guī)定，建設(shè)穿堤、臨河的排水工程設(shè)施，應(yīng)不得危害堤防安全，妨礙行洪暢通[2]。為確保涉堤工程的順利實(shí)施與防洪安全，需開展防洪影響專題研究[3-4]。本文從工程修建后對河道行洪與堤防安全穩(wěn)定影響上進(jìn)行計算分析，得出評價結(jié)論并提出相關(guān)措施建議。

1 工程概況

琴斷口泵站及配套排水工程設(shè)計規(guī)模20 m3/s，位于武漢市漢陽區(qū)琴臺大道北側(cè)與漢江堤防保護(hù)線南側(cè)之間，主要建設(shè)內(nèi)容包括進(jìn)水管道、泵站及排江壓力管道、自排箱涵。壓力管道排江口位于漢江匯入長江口上游約6.3 km，布置3 根DN2000 管道翻堤入江，自排箱涵（BH＝2.6 m×2.2 m）就近穿堤入江，排江管道與箱涵穿越堤防后均接入堤內(nèi)新建的消力池及渠道等。工程河段離與長江匯合口較近，屬典型的“兩堤一江”河段，兩岸筑有堤防與護(hù)岸工程，河岸土質(zhì)較好，抗沖力較強(qiáng)，總體河勢基本穩(wěn)定。工程平面布置如圖1 所示，管道、箱涵穿越堤防情況如圖2 所示。出江管道、箱涵及相關(guān)設(shè)施開挖施工均安排在枯水期（11 月至次年4 月）間進(jìn)行。

圖1 工程平面布置圖

圖2 管道、箱涵穿越堤防截面圖

2 技術(shù)路徑

依據(jù)工程有關(guān)設(shè)計文件及水文等資料，建立工程河段平面二維水流數(shù)學(xué)模型，采用定床計算方法，對工程修建后河道壅水高度及影響范圍，工程前后河道流速變化進(jìn)行計算分析。利用堤防分析軟件，分析計算工程對漢江堤防穩(wěn)定安全的影響。

3 結(jié)果計算與分析

3.1 河道行洪影響

3.1.1 確定計算工況

工程處洪水和水位既受漢江來水影響，也受長江頂托影響，水位流量關(guān)系復(fù)雜。根據(jù)行洪和河勢影響分析的需要，確定3 組計算工況，各工況水流條件如表1 所示。

3.1.2 壅水幅度計算分析

根據(jù)計算，工程修建前后附近河道水位變化情況如表2 所示。

表2 各工況下工程前后水位變化表

結(jié)果表明，各工況下，工程修建對河段內(nèi)水位影響有限，最大壅高幅度不超過0.01 m，造成水位抬高0.001 m 以上區(qū)域在工程上游20 m 至下游25 m 范圍內(nèi)，表明工程的修建對河段行洪水位影響較小。

3.1.3 流速變化計算分析

根據(jù)計算，工程修建前后附近河道流速變化情況如表3 所示。

表3 各工況下工程前后流速變化表

結(jié)果表明，各工況下，工程修建對河段流場及局部流速影響均較小，流速變化主要集中在工程附近，最大變幅不超0.043 m/s，表明工程修建基本不會對河段行洪造成不利影響。

3.2 堤防安全影響

3.2.1 滲透影響計算分析

擬定2 種計算工況：工況一，堤防設(shè)計洪水位27.85 m，堤防現(xiàn)狀斷面，水位取堤內(nèi)最低點(diǎn)高程27.00 m；工況二，堤防設(shè)計洪水位27.85 m，管道鋪設(shè)回填，消力池等設(shè)施施工完成后，管道回填土不密實(shí)，回填土滲透系數(shù)降一個數(shù)量級，水位取堤內(nèi)最低點(diǎn)高程27.00 m。根據(jù)土層物理力學(xué)試驗，上覆素填土允許滲透坡降0.40。

計算結(jié)果表明，工況一下，堤內(nèi)300 m 范圍內(nèi)，堤腳處垂直滲透坡降最大為0.020，沿程滲透坡降逐漸降低，小于允許滲透坡降，滿足滲透穩(wěn)定要求；工況二下，堤腳處為0.030，管道處為0.024，也滿足滲透穩(wěn)定要求。

3.2.2 堤坡穩(wěn)定計算分析

堤坡穩(wěn)定計算擬定3 種工況：工況一，設(shè)計洪水位27.85 m 背水側(cè)堤坡穩(wěn)定（正常運(yùn)用）；工況二，設(shè)計洪水位27.85 m 驟降1 m 至26.85 m 臨水側(cè)堤坡穩(wěn)定（正常運(yùn)用）；工況三，施工無水期臨水側(cè)、背水側(cè)堤坡穩(wěn)定（非正常運(yùn)用）。計算結(jié)果如表4 所示。

表4 （續(xù)）

表4 堤坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算表

工程處漢江沿河堤為1 級堤防，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，1 級土堤正常運(yùn)用抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不小于1.30，非常運(yùn)用時抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)不小于1.20。結(jié)果表明，工程前斷面各工況下，計算得到的堤坡最小抗滑安全系數(shù)均大于規(guī)范要求允許值，滿足規(guī)范要求。工程后斷面，由于管道翻堤鋪設(shè)時，對堤身進(jìn)行開挖，各工況下，計算得到的堤坡最小抗滑安全系數(shù)較工程前有所減小，但仍小于規(guī)范要求允許值，滿足規(guī)范要求。

3.2.3 岸坡穩(wěn)定計算分析

堤坡穩(wěn)定計算擬定2 種工況：工況一，灘頂水位22.42 m 驟降1 m 至21.42 m 時岸坡穩(wěn)定（正常運(yùn)用）；工況二，施工期漢江設(shè)計枯水位12.83 m 臨水側(cè)岸坡穩(wěn)定（非正常運(yùn)用）。

計算結(jié)果如表5 所示。

表5 岸坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算表

根據(jù)相關(guān)設(shè)計規(guī)范，1 級邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)最小值正常運(yùn)用時為1.30～1.25，非常運(yùn)用時為1.25～1.20。結(jié)果表明，工程前、后驟降工況和施工期枯水位工況的最小抗滑安全系數(shù)均滿足規(guī)范的要求。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

工程修建后，所在斷面水位略有抬高，各計算工況下，最大壅高值0.01 m，工程上游河段水位略有降低，最大降幅約0.007 m，發(fā)生在5250 m3/s 流量下。工程造成水位抬高0.001 m 以上區(qū)域在工程上游20 m至下游25 m 范圍內(nèi)。各計算工況下，工程修建對河段流場及局部流速影響均較小，變化主要集中在工程局部附近，最大變幅小于0.043 m/s。表明工程修建對河段行洪基本沒有不利影響。

經(jīng)滲流計算，漢江沿河堤現(xiàn)狀條件下和工程建成后，在大部分情況下，堤后各處覆蓋層垂直滲透坡降小于滲透坡降允許值，滿足規(guī)范要求。經(jīng)抗滑穩(wěn)定計算，工程前后堤坡、岸坡在各計算工況條件下，抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均大于規(guī)范要求允許值，滿足規(guī)范要求。

4.2 建議

工程共布置3 條鋼管翻越漢陽沿河堤，并設(shè)有自排工程穿越堤防，施工過程中易發(fā)生坍塌、地表變形、流砂、管涌等事故，有可能對堤防局部穩(wěn)定造成不利影響。為有效保障堤防的安全穩(wěn)定，建議在防洪影響評價基礎(chǔ)上開展工程段堤坡穩(wěn)定專項設(shè)計。

由于施工將破壞堤防原先的護(hù)岸工程，因此施工布置時應(yīng)盡量減小破壞范圍。汛前及工程完工后應(yīng)及時進(jìn)行堤防的回填和加固，并對工程附近水域進(jìn)行河床清理，及時清除臨時施工設(shè)施，將施工廢棄物運(yùn)至河道行洪斷面以外，保證河道行洪通暢。

工程出江口附近坡腳進(jìn)行了拋石護(hù)岸，但仍可能會對其附近地形產(chǎn)生沖刷，應(yīng)定期對附近地形進(jìn)行監(jiān)測，保障工程自身安全以及岸坡的穩(wěn)定。

工程壓力管道入江口位于宗關(guān)水廠取水口下游附近，施工期應(yīng)注意保護(hù)水源，施工期的棄物、堆放物、生活生產(chǎn)排放水等應(yīng)進(jìn)行有效管理，減少對河水的污染破壞，確保用水安全。