淺析某供水工程涉河防洪評價

鄭一帆，馬國綱，劉文君

（1.甘肅省水文站，甘肅 蘭州 730030；2.中國市政工程西北設(shè)計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730030）

1 概述

某供水工程擬采用大開挖方式埋設(shè)管道穿越渭河干流，管線布設(shè)方向與河道流向垂直，管道敷設(shè)于渭河干流河床底部，項目建設(shè)在河道管理范圍之內(nèi)，基本不占用河道?，F(xiàn)狀河道為10 a一遇設(shè)防標準堤防，堤防工程級別為5級，管道穿河處現(xiàn)狀河寬160 m。堤防采用碾壓砂礫石梯形斷面，堤頂寬3.0 m，迎水面坡比1∶1.5，背水面坡比1∶1.25，迎水面采用厚度0.15～0.30 mC15混凝土防護，堤腳采用0.8 m×0.5 m（寬×高）C15混凝土基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深為深泓線以下2.5~3.5 m。

設(shè)計采用大開挖方式敷設(shè)1.0 MPa壓力等級、管徑315 mmPE管道，埋至渭河河床底部約6 m，穿越渭河后從渭河右岸堤防穿出，如圖1所示。穿河管道長178 m，管道安裝后外包現(xiàn)澆C25鋼筋混凝土，呈900×900 mm矩形斷面，外包混凝土兩側(cè)及頂部采用原開挖料夯填。依據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL 252—2017）及《防洪標準》（GB 50201—2014）的相關(guān)規(guī)定，按主要供水對象重要性，管道埋設(shè)洪水標準采用20 a一遇，校核洪水標準采用50 a一遇。

圖1 穿河管道與河道位置關(guān)系示意（單位：cm）

管線穿河施工時采用分期導流土石圍堰的形式，導流建筑物的級別劃分、設(shè)計洪水標準按《水利水電工程施工組織設(shè)計規(guī)范》（SL303－2017）規(guī)定，確定導流土石圍堰建筑物級別為5級臨時建筑物，圍堰設(shè)計洪水重現(xiàn)期為5 a一遇。圍堰順渭河河道布置，兩端與岸坡連接，呈圓弧狀。施工完畢后，圍堰拆除，河道正常過水。其中于4月～5月在渭河左岸設(shè)置臨時一期土石圍堰，完成左岸部分管線開挖及埋設(shè)夯填，上游圍堰高程1 443.45 m，地面以上堰體最大高度2.95 m，圍堰長116 m；Ⅱ期在5月～6月進行，利用二期土石圍堰導流，完成右岸部分管線開挖及埋設(shè)夯填，相應(yīng)上游圍堰高程1 443.00 m，地面以上堰體最大高度2.50 m，圍堰長120 m；Ⅰ、Ⅱ期圍堰均采用碎石土填筑，圍堰頂寬均為3.0 m，迎水面邊坡1∶1.5，背水面邊坡1∶1.25，迎水面設(shè)編織袋砂礫石護坡厚600 mm，砂礫石袋底部鋪設(shè)二布一膜土工膜，圍堰迎水面護角處設(shè)鉛絲籠護腳，高1.5 m，厚度0.8 m，以防止河水沖毀圍堰。圍堰斷面示意圖如圖2所示。

圖2 圍堰斷面示意圖（單位：cm）

2 研究思路及主要內(nèi)容

穿河穿堤工程對河道及堤防的影響主要體現(xiàn)在施工期和運行期2個階段。因施工方法的不同，穿河穿堤工程對河道行洪安全的影響亦有所區(qū)別。

穿河管線防洪評價報告的主要內(nèi)容包括基本情況介紹、河道演變分析、防洪評價計算、防洪綜合評價、防治與補救措施，主要目的是對穿河管線的設(shè)計內(nèi)容進行分析與評估，判斷其是否符合防洪要求，并提出整改措施。

3 研究過程與結(jié)果

3.1 河道演變分析

河道演變主要分析說明建設(shè)項目所在河段的歷史演變過程與特點，分析其近期河床的沖淤特性和河勢變化情況，明確河床演變的主要特點、規(guī)律和原因，從而對河道的演變趨勢進行預(yù)估。

3.1.1 河道歷史演變概況

從工程位置處河段的歷年衛(wèi)星影像圖中可以看出，供水管穿河處河道主槽相對穩(wěn)定，河勢變化不大。加之2012年后，工程區(qū)河段兩岸修建堤防，受堤防控制河道主流集中，河勢趨于穩(wěn)定，工程河段主流河道基本無擺動。工程所在河段近年來主流河勢較穩(wěn)定。

3.1.2 河道近期演變分析

（1）河道橫向變化

供水管穿河河段兩岸修建有高標準堤防工程，河床基本平整，灘地有雜草，河道河勢左、右岸均受已成堤防控制，渭河主河槽位置較穩(wěn)定不會發(fā)生較大變化，工程所在河段近年來主流河勢較穩(wěn)定。

（2）河道縱向變化

本項目區(qū)所在河段河道較為順直，河床由卵石和砂卵石、砂壤土等砂石組成，地質(zhì)條件較好。河道比降小，水流相對平穩(wěn)，若無大洪水，河床縱向變化處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。當發(fā)生特大洪水時，河道將發(fā)生沖刷，大洪水過后逐步恢復到洪水沖刷前的狀態(tài)，長期看河段處于沖淤平衡狀態(tài)，管道穿河斷面河道縱向變化處于穩(wěn)定狀態(tài)。

綜上所述，根據(jù)河道歷史演變、近期演變分析，該河段河谷平面保持順直、微彎穩(wěn)定，受地質(zhì)構(gòu)造與巖性控制明顯，河床沖淤年內(nèi)呈周期性變化，年際間沖淤維持相對平衡。從定量分析中也可以得出，河道的縱橫向變化均穩(wěn)定。供水管穿河斷面河段兩岸均已建成完整堤防工程，控制了河勢的橫向發(fā)展，河勢更加趨于穩(wěn)定[1]。

3.2 水文分析計算

3.2.1 設(shè)計流量

根據(jù)鄰近水文站實測洪水資料，按照《水利水電工程設(shè)計洪水計算規(guī)范》（SL44-2006）以年最大值法選樣，加入歷史洪水，按不連續(xù)系列進行頻率計算。經(jīng)比對，工程所在河段計算結(jié)果與已獲批復的《渭河流域重點治理規(guī)劃》附件三《渭河流域防洪規(guī)劃》中所采用的洪峰流量成果較為接近，其他建設(shè)項目多直接引用該成果，本次也采用該成果值作為洪水評價依據(jù)（見表1）。

表1 工程處評價計算采用的設(shè)計洪水成果

渭河主汛期7—9月，根據(jù)渭河干流洪水特性，結(jié)合施工要求，將施工洪水分為4—6月，7—9月，10月，11月至來年3月四個時間段。選用渭河武山站實測流量資料，應(yīng)用分期年最大值洪水選樣法，跨期10天選樣，分別組成分期連續(xù)洪水系列資料，按連續(xù)系列采用P-Ⅲ型頻率曲線法計算各分期設(shè)計洪水成果，主汛期采用設(shè)計洪水成果，干流工程河段施工洪水根據(jù)武山站成果按面積推算（見表2）。

表2 工程河段P 20%施工分期洪水成果

3.2.2 設(shè)計水位

采用水位流量推算方法計算管道穿河處20 a一遇洪峰流量2 340 m3/s，對應(yīng)的洪水水位為1 444.63 m。供水管施工期主要安排在4—6月，4—6月5 a一遇洪峰流量為156 m3/s，對應(yīng)的水位1 442.25 m，圍堰高程為1 443.45 m，圍堰高程高于施工期洪水位1.20 m，圍堰設(shè)計高度是合理的。

3.3 壅水分析計算

（1）運行期壅水分析

本工程穿河供水管道埋設(shè)于渭河河床底部，工程的建設(shè)在管道埋設(shè)后不產(chǎn)生壅水現(xiàn)象，壅水不會對該供水管道及河道行洪能力造成影響。工程評價段河道河床為砂礫石組成，河道坡降小，洪水期水流向一致。大水過后，主河槽不會發(fā)生大的變化，河流不會發(fā)生改道，對河道、河勢變化無影響，不會對河流上下游滯洪行洪區(qū)域造成影響，也不會對河道來水、來沙產(chǎn)生不利影響，因此不進行壅水計算。

（2）臨時工程（分期圍堰）壅水分析

供水管施工期安排于4—6月，施工期河道行洪采用分期導流圍堰（土石圍堰）的形式。圍堰的建設(shè)會產(chǎn)生局部阻水斷面，致使河道過洪面積減小，產(chǎn)生壅水，施工期洪水采用5 a一遇洪峰流量為156 m3/s，圍堰建設(shè)后壅水高度計算結(jié)果為0.68 m、壅水長度為750.95 m。供水管穿渭河斷面距上游武山水文站約4.0 km，本次計算壅水長度小于該距離，即圍堰產(chǎn)生的壅水不會對武山水文站產(chǎn)生影響。

3.4 沖淤計算

依據(jù)河道近期演變趨勢分析，該工程處于渭河河段，河道過流相對穩(wěn)定，河道含沙量很小，沖淤變化幅度不大，河道未來演變按沖淤基本平衡考慮，自然沖刷按0 m考慮，僅計算天然狀態(tài)下河道的一般沖刷和施工期的沖刷。

（1）運行期一般沖刷計算

根據(jù)工程地質(zhì)勘察資料，工程穿河點處河床土質(zhì)為砂礫石。采用《公路工程水文勘測設(shè)計規(guī)范》（JTG C30—2015）中推薦的非粘性土河床的一般沖刷公式64-2簡化式（河槽部分）進行計算，一般沖刷深度為3.76 m，考慮1.0 m安全值后，滿足防洪要求的管頂埋深為4.76m。設(shè)計管頂埋深值為6.0 m，滿足20 a一遇洪水抗沖要求。

（2）施工期沖刷計算

a.一般沖刷

施工期供水管道穿渭河斷面處一般沖刷深度為1.52 m。

b.局部沖刷

穿河管道敷設(shè)于河床底部，對已建堤防基礎(chǔ)埋深無影響。但圍堰的建設(shè)。會造成已建堤防局部沖刷，本次對圍堰的建設(shè)造成的局部沖刷進行計算，經(jīng)計算得出水流斜沖產(chǎn)生的沖刷深度為0.33 m，由相關(guān)堤防報告可知，已建堤防基礎(chǔ)埋深為深泓線以下2.5~3.5 m，故圍堰建設(shè)造成的局部沖刷不會對已建堤防基礎(chǔ)埋深產(chǎn)生影響。

3.5 堤防及岸坡穩(wěn)定分析計算

3.5.1 堤防滲流穩(wěn)定分析計算

工程在渭河穿越處20 a一遇設(shè)計洪水位為1 444.63 m。渭河河段防洪標準為10 a一遇，因此只對20 a一遇設(shè)計洪水位下堤防進行滲透穩(wěn)定分析計算（見表3）。

表3 滲流穩(wěn)定計算分析成果表

通過計算得知，堤防堤身及堤基的水力坡降均滿足允許值。同時堤防總體滲透系數(shù)為1.76×10-4cm/s，滲透等級屬于弱透水等級。綜上所述，本工程將不會影響渭河的堤防滲透穩(wěn)定性。

3.5.2 堤防抗滑穩(wěn)定性分析

計算分析工程所在河段20 a一遇洪水下岸坡穩(wěn)定性，邊坡穩(wěn)定計算理論采用《堤防工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50286—2013）附錄F中的瑞典圓弧滑動法，施工期采用總應(yīng)力法計算，穩(wěn)定滲流期采用有效應(yīng)力法（見表4）。

表4 過河管道處河道岸坡穩(wěn)定計算成果

從計算結(jié)果可以看出，正常情況、非正常情況下抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求。項目建設(shè)所在河段處河道邊坡滿足抗滑穩(wěn)定要求，表明工程建設(shè)后引起的河床沖刷不會造成河岸邊坡的失穩(wěn)。

4 評價結(jié)論及建議

（1）經(jīng)分析，導流工程的修建縮窄了河道行洪斷面，穿河管道斷面處壅水高度為0.68 m，壅水長度為750.95 m，對第三方工程無影響，同時對堤防高度及兩岸構(gòu)筑物也無影響。

（2）管道采用大開挖施工方法穿越渭河河底，沖刷深度為3.76 m，管線的埋深在河底6 m處，對河道演變和河勢穩(wěn)定基本不會產(chǎn)生不利影響。

施工期導流圍堰的修建會產(chǎn)生一般沖刷和局部沖刷，可能會對堤防基礎(chǔ)埋深有影響。經(jīng)復核計算，一般沖刷深度為1.52 m，局部沖刷為0.33 m。由相關(guān)堤防報告可知，已建堤防基礎(chǔ)埋深為深泓線以下2.5~3.5 m，故圍堰建設(shè)造成的沖刷不會對已建堤防基礎(chǔ)埋深產(chǎn)生影響。

（3）根據(jù)河道歷史演變、近期演變分析，該河段河谷平面保持順直、微彎穩(wěn)定，受地質(zhì)構(gòu)造與巖性控制明顯，河床沖淤年內(nèi)呈周期性變化，年際間沖淤維持相對平衡。從定量分析中也可以得出，河道的縱橫向變化都是穩(wěn)定的。工程河段兩岸均已建成完整堤防工程，控制了河勢的橫向發(fā)展，河勢更加趨于穩(wěn)定。

（4）穿堤管道與堤身填土以及管壁與地基土層容易產(chǎn)生接觸滲漏危害及堤防的安全。

（5）做好穿河段配水管線地面標志，加強對穿河段河勢及管道運行狀態(tài)的觀測，為渭河的防洪安全、正常管理及配水管道的安全生產(chǎn)提供保證。

（6）在工程建設(shè)中涉及第三人合法權(quán)益時，提前跟相關(guān)單位進行溝通協(xié)調(diào)。