淺析管線工程穿越渾河沖刷深度計(jì)算方法

金子嵩

（遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110006）

1 問(wèn)題的提出

渾河為遼寧省較大河流，發(fā)源于撫順市清原縣灣甸子鎮(zhèn)，自東北向西南流經(jīng)撫順、沈陽(yáng)、遼陽(yáng)、鞍山、盤錦、營(yíng)口等地區(qū)，經(jīng)營(yíng)口西市區(qū)渤海大街入海。渾河是沈陽(yáng)市的母親河，近年來(lái)隨著沈陽(yáng)南部城區(qū)的崛起，大量穿河管線工程不斷修建。對(duì)于穿河管線自身安全而言，水流的不斷沖刷會(huì)造成管線露出河床，令管線直接承受水體的動(dòng)力及腐蝕作用，影響管線安全。因此，管線穿越段沖刷深度及管線埋深的確定尤為重要。沖刷深度通常采用局部沖刷深度公式計(jì)算，然而渾河沈陽(yáng)城市段受20世紀(jì)90年代大規(guī)模采砂的影響，多處河段遺留采砂坑，造成河床下切，大洪水條件下溯源沖刷對(duì)管線安全的影響不容忽視。本文以沈陽(yáng)市渾南區(qū)某穿越渾河燃?xì)夤芫€為例，充分論證溯源沖刷對(duì)管線安全的影響，并以此計(jì)算溯源沖刷和局部沖刷共同影響下的沖止高程，以確定管線的安全埋深。

2 工程概況

擬建管線工程穿越渾河段位于渾河?xùn)|陵橋—高陽(yáng)壩段。東陵大橋上游110 m，平面線路長(zhǎng)度為436 m，現(xiàn)狀主河槽寬326 m，管線規(guī)格為D508 mm×8.8 mm。平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 工程平面布置圖 單位：m

3 沖刷分析計(jì)算

3.1 河道橫向演變分析

本次燃?xì)夤芫€工程范圍內(nèi)無(wú)多年測(cè)量資料，沈陽(yáng)水文站位于其下游21.0 km處，通過(guò)對(duì)沈陽(yáng)水文站的斷面套繪來(lái)分析本段橫斷面的演變情況。沈陽(yáng)水文站1980—2010年的橫斷面套繪見(jiàn)圖2。由圖2可以看出，1980年河床較高，斷面最小。

圖2 沈陽(yáng)水文站歷年橫斷面套繪圖

渾河閘以上沈陽(yáng)河段，根據(jù)現(xiàn)有1982年以后的資料分析，沈陽(yáng)段河床一直在下切，至“95”洪水前，河床下切已非常劇烈[1]。而同期沈陽(yáng)以下渾河河道雖在1985—1986年洪水中有所沖深，但除了彎道段外，沖深幅度不大。由此看來(lái)，1985—1986年洪水對(duì)河床下切影響不大，造成河床下切的主要原因是采砂。到1988年，由于采砂影響，河道變化較大，部分河段主槽最寬處已達(dá)400多米[2]。

分析表明，渾河閘以上沈陽(yáng)城區(qū)段在“95”洪水前，洪水對(duì)河道演變的影響并不大，河道采砂是造成河道演變的主要原因。

3.2 溯源沖刷分析

溯源沖刷是指因下游水位降低引起的河床沖刷自下游向上游發(fā)展的過(guò)程。

渾河閘以上沈陽(yáng)城區(qū)段在“95”洪水前，洪水對(duì)河道演變的影響并不大，河道采砂是造成河道演變的主要原因。此外，“95”洪水也對(duì)河槽下切起了一定作用[3]。

隨著渾河沈陽(yáng)城區(qū)段河道采砂的全部叫停，人為干預(yù)渾河河道演變的因素逐步消除，目前河道平面及橫向穩(wěn)定。然而，考慮到王家灣壩上游河段由于采砂造成河底高程較低，而燃?xì)夤芫€位于東陵大橋以上，該段比降較大，上游管線位置有發(fā)生溯源沖刷的可能。

根據(jù)2008年渾河1∶2 000地形圖，繪制渾河王家灣壩至燃?xì)夤芫€上游1.7 km處的現(xiàn)狀河底高程縱斷面圖（見(jiàn)圖3）。由圖3可見(jiàn)，該段河道上下游高程相差較大，擬建燃?xì)夤芫€位于上游河段，會(huì)受到溯源沖刷的影響。為安全考慮，假定大洪水條件下發(fā)生溯源沖刷，將河底縱斷面沖刷成水平線，即考慮溯源沖刷后河底高程取各斷面現(xiàn)狀河底高程的平均值，為37.68 m，低于管線所在位置的現(xiàn)狀河底高程。

圖3 渾河王家灣壩以上河底高程縱斷面圖

3.3 設(shè)計(jì)洪水條件下的沖刷計(jì)算

3.3.1 地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)勘察成果，管線穿越渾河段主河槽主要由淤泥質(zhì)土（0.00～1.90 m）、圓礫、含黏土圓礫等土層組成。本次管線穿河段主槽沖刷計(jì)算主要集中在圓礫層，圓礫層中值粒徑為8.46 mm，容重為22 kN/m3。

3.3.2 計(jì)算方法

本次沖刷計(jì)算要同時(shí)考慮溯源沖刷和管線所在位置設(shè)計(jì)洪水作用下河床沖刷的影響。渾河為少沙河流，主河槽沖淤變化主要由推移質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)造成。因此，根據(jù)推移質(zhì)泥沙輸運(yùn)原理計(jì)算管線所在位置主河槽設(shè)計(jì)洪水作用下的極限沖刷深度，堤岸附近河床沖刷深度采用堤防設(shè)計(jì)規(guī)范的沖刷深度公式進(jìn)行計(jì)算。

（1）主河槽沖刷計(jì)算：根據(jù)極限沖刷理論，假定沖刷前后單寬流量相等，沖刷前的流速為設(shè)計(jì)洪水流速，沖刷后的流速轉(zhuǎn)變?yōu)槟嗌硢?dòng)流速，根據(jù)流量平衡方程可列出下式：

式中：H0為沖刷處的水深，m；Δh為沖刷深度，m；Uc為泥沙起動(dòng)流速，m/s；U為行近流速，m/s。

其中泥沙起動(dòng)流速按簡(jiǎn)化沙莫夫公式計(jì)算：

式中：d為泥沙粒徑，mm。本例中取8.46 mm。

（2）近岸河床局部沖刷計(jì)算：近岸河床局部沖刷深度采用GB 50286—2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中的局部沖刷深度公式進(jìn)行計(jì)算[4]：

式中：hs為局部沖刷深度，m；H0為沖刷處的水深，m；Ucp為近岸垂線平均流速，m/s；Uc為泥沙起動(dòng)流速，m/s；U為行近流速，m/s；n為岸坡形狀系數(shù)，取值為1/6～1/4；η為水流流速不均勻系數(shù)，根據(jù)水流流向與岸坡交角α查表獲取。

3.3.3 計(jì)算頻率

根據(jù)《渾河沈陽(yáng)城區(qū)段防洪規(guī)劃修編報(bào)告》，擬建管線位于渾河右岸渾北壩—馬官橋段，防洪標(biāo)準(zhǔn)50 a一遇；根據(jù)《沈撫新區(qū)水利專項(xiàng)規(guī)劃報(bào)告》，擬建管線位于渾河左岸下伯官壩—東陵橋段，該段規(guī)劃防洪標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇。由此可知，擬建管線所在河段左岸防洪標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇，右岸防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇。

根據(jù)CJJ/T 250—2016《城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿来┛缭焦こ碳夹g(shù)規(guī)程》，考慮水域穿越工程等級(jí)及設(shè)計(jì)洪水頻率等綜合因素，擬建管道穿越渾河等級(jí)為大型穿越，設(shè)計(jì)洪水頻率為1%（100 a一遇）。

綜上可知，出于安全考慮，本次沖刷計(jì)算采用P=1%（100 a一遇）洪水進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)水文成果，洪水過(guò)程取2 d。

3.3.4 計(jì)算成果

3.3.4.1 主河槽沖刷計(jì)算成果

選取考慮河床溯源沖刷后的河底高程進(jìn)行計(jì)算，河底高程37.68 m，管頂高程34.22 m，管頂埋深3.46 m。根據(jù)由水力計(jì)算得到的該斷面100 a一遇的水深、流速，以及地質(zhì)勘察得到的土體中值粒徑，計(jì)算燃?xì)夤芫€所在斷面100 a一遇洪水條件下的主河槽沖刷深度為1.12 m。

3.3.4.2 近岸河床局部沖刷計(jì)算成果

同樣選取河床溯源沖刷后的河底高程及100 a一遇水力條件，計(jì)算左右岸近岸河床局部沖刷深度為0.88 m。

3.4 成果分析

本次計(jì)算考慮溯源沖刷和設(shè)計(jì)洪水條件下河床沖刷的疊加作用，即在溯源沖刷后河底高程37.68 m的條件下，再減去主河槽沖刷深度1.12 m，可得主河槽沖止高程為36.56 m。同理，減去左右岸的近岸沖刷深度0.88 m，可得左右岸的近岸沖止高程為36.80 m。燃?xì)夤芫€管頂高程為34.22 m。因此，富余深度為2.34～2.58 m，滿足GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》中“燃?xì)夤艿乐梁哟驳母餐梁穸?，?yīng)根據(jù)水流沖刷條件及規(guī)劃河床確定，對(duì)不通航河流不應(yīng)小于0.50 m”的規(guī)定。因此，沖刷對(duì)管線安全沒(méi)有影響。沖刷高程計(jì)算成果見(jiàn)圖4。

圖4 燃?xì)夤芫€穿越渾河處沖刷計(jì)算成果圖

4 結(jié)論與建議

通過(guò)對(duì)渾河河道的演變分析可知，采砂是河道演變的主要原因，造成了河槽下切。擬建管線位于沈陽(yáng)城市段上游，需要考慮溯源沖刷的影響。對(duì)管線所在斷面，進(jìn)行溯源沖刷與設(shè)計(jì)洪水下河床沖刷的疊加計(jì)算可知：擬建管線管頂高程以上仍有2.34～2.58 m的富余深度，即沖刷對(duì)管線的安全無(wú)影響。

本文分析渾河河道的演變特性，論證溯源沖刷的影響，并與洪水條件下河床變形造成的沖刷進(jìn)行疊加計(jì)算，對(duì)類似管線穿河工程具有一定的參考價(jià)值。建議類似工程建設(shè)時(shí)充分考慮河道演變對(duì)建設(shè)項(xiàng)目的影響，并預(yù)留足夠的深度，保證工程安全。