淺議南水北調(diào)工程北汝河倒虹吸河道沖刷防護(hù)處理

鄭曉陽(yáng)，張飛躍， 鮑 捷

（1.中國(guó)南水北調(diào)集團(tuán)中線有限公司河南分公司，河南 鄭州 450018；2.西安理工大學(xué)，陜西 西安，710048；3.河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，河南 鄭州 450018）

1 工程概況

北汝河渠道倒虹吸工程總長(zhǎng)1482 m，由進(jìn)口漸變段、進(jìn)口檢修閘、管身段、出口節(jié)制閘和出口漸變段和退水閘組成。渠倒虹總長(zhǎng)1282 m，管身水平投影總長(zhǎng)1143 m。渠段起點(diǎn)設(shè)計(jì)水位128.761 m，終點(diǎn)水位128.254 m，總設(shè)計(jì)水頭為0.507 m。倒虹吸水平管身段采用河床部分回填砂卵石，相對(duì)密度不小于0.75，其余部分回填開(kāi)挖料，相對(duì)密度不小于0.72。從右岸向左岸依次成階梯型回填，高程逐漸增高。

2 工程水文條件

北汝河處于溫帶季風(fēng)氣候區(qū)。年降水量一般為650 mm～950 mm，由西南向東北遞減，多年平均雨量為800 mm。年內(nèi)分配極不均勻，大多集中在7 月、8 月，占全年降雨量的67%，汛期降雨往往集中為一場(chǎng)或幾場(chǎng)暴雨。年際間降雨變化極大，最大和最小年降水量相差6.5 倍。最大年徑流量為最小年徑流量的12 倍。根據(jù)北汝河交叉斷面設(shè)計(jì)洪水報(bào)告提供的數(shù)據(jù)，交叉斷面天然河道設(shè)計(jì)洪水成果見(jiàn)表1。

表1 交叉斷面天然河道設(shè)計(jì)洪水成果表

3 應(yīng)急防護(hù)的必要性分析

3.1 水毀情況分析

2021年汛期北汝河倒虹吸經(jīng)歷20 次降雨，其中小雨9次、中雨6 次、大雨3 次、暴雨及以上2 次，范圍較大的強(qiáng)降雨經(jīng)歷了三輪，分別為7 月17 日至22 日，8 月22 日至23 日，9月18 日至20 日。其中北汝河倒虹吸交叉斷面在7 月20 日18 時(shí)出現(xiàn)洪峰，洪峰最大流量約1800 m3／s。洪峰過(guò)后，交叉斷面主河道淘刷較明顯。

該處原設(shè)計(jì)管頂覆土頂高程為114.0 m，主河槽處管頂高程約109.66 m，覆土厚度約4.3 m。目前管頂主河槽高程已降低至112.8 m，比原設(shè)計(jì)高程下切了1.2 m。頂部覆土厚度剩余約3.14 m。根據(jù)河道現(xiàn)狀，河道下游砂坑較多，工程保護(hù)范圍內(nèi)現(xiàn)狀河底高程110.6 m，主河槽河底高程106.6 m，河道比降1／500，經(jīng)過(guò)河道洪水沖刷自然變化后，推斷管身處可能的主河槽底高程約為110.6 m，覆土厚度僅剩0.94 m。故有必要進(jìn)行應(yīng)急防護(hù)。

3.2 沖刷深度判斷分析

結(jié)合目前現(xiàn)狀，對(duì)該渠段按照20 年、100 年、300 年一遇洪水計(jì)算其沖刷深度，計(jì)算過(guò)程如下，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2 各工況沖刷深度。

表2 各工況沖刷深度

通過(guò)查閱地質(zhì)勘察報(bào)告，交叉斷面處河床表層為砂卵石，厚度4.5 m～7 m，其下為礫巖和粘土巖。工程建成后，管頂以上以砂卵石回填，因此一般沖刷深度按非粘性土公式計(jì)算。

式中：Hp為一般沖刷后的最大水深，m；QC為河槽部分通過(guò)的設(shè)計(jì)流量，m3／s；BC為河槽部分橋孔過(guò)水凈寬，m；hmC為河槽最大水深，m；hm為河槽平均水深，m；A 為單寬流量集中系數(shù)；Bd、H 為流量時(shí)的河寬和平均水深，可按平灘水位計(jì)算；E 為與汛期含沙量有關(guān)的系數(shù)；dc為河槽土平均粒徑，mm。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，最小沖刷深度為2.094 m，最大沖刷深度為3.577 m。目前管道上覆土厚度僅剩余3.14 m，若發(fā)生300 年一遇洪水時(shí)，倒虹吸管身頂部將無(wú)覆土，管身暴露在外極易受到損害影響供水安全，因此防洪加固是必要的。

3.3 管身抗浮穩(wěn)定判斷分析

若現(xiàn)狀管頂覆土厚度3.14 m，發(fā)生300 年一遇洪水時(shí)，倒虹吸管身頂部將無(wú)覆土，在此情況下，若倒虹吸管身進(jìn)行檢修，對(duì)其進(jìn)行抗浮穩(wěn)定計(jì)算，抗浮穩(wěn)定系數(shù)為1.035＆lt;1.05，不滿(mǎn)足規(guī)范要求。

由計(jì)算結(jié)果（見(jiàn)表3）可知，20 年一遇和100 年一遇洪水時(shí)，管頂無(wú)覆土?xí)r，管身抗浮安全系數(shù)不能滿(mǎn)足規(guī)范要求的1.05，當(dāng)管頂覆土厚度為0.5 m 時(shí)，滿(mǎn)足規(guī)范要求，既管頂至少有4.1 m 覆土厚度，各工況下抗浮穩(wěn)定系數(shù)才能滿(mǎn)足規(guī)范要求。

表3 各工況水平管身抗浮計(jì)算結(jié)果

因此，進(jìn)行防洪加固是必要的。

3.4 南水北調(diào)供水重要性

2014 年南水北調(diào)工程全面建成通水后，南水北調(diào)東、中線一期工程已經(jīng)成為北京、天津等40 多座大中城市，280 多個(gè)縣市區(qū)，1.4 億多人不可或缺的主要水源，甚至是唯一水源。中線一期工程去年調(diào)水突破90 億m3，創(chuàng)歷史新高。目前，南水已經(jīng)占北京市城區(qū)供水75%以上，天津市城區(qū)供水近100%，鄭州市中心城區(qū)供水90%以上，南水北調(diào)工程效益不斷彰顯，重要性日益提升。

綜上所述，北汝河渠道倒虹吸工程作為中線一期工程的重要組成部分，其重要性無(wú)可替代，其安全性需保障，對(duì)其進(jìn)行安全防洪加固非常必要。

4 河道防護(hù)方案比選

4.1 格賓石籠+鋼筋混凝土防護(hù)

本方案主要采取水平防護(hù)，將管身一定范圍內(nèi)采取硬質(zhì)防護(hù)護(hù)底，并適當(dāng)增加垂直防護(hù)措施。根據(jù)《北汝河渠道倒虹吸河工動(dòng)床模型試驗(yàn)研究》中試驗(yàn)結(jié)果，工程后，20 年一遇洪水時(shí)，河道最大流速為3.76 m／s；100 年一遇洪水時(shí)，河道最大流速為4.11 m／s；300 年一遇洪水時(shí)，河道最大流速為4.44 m／s。

鑒于工程后，北汝河河道的流速不大，同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性、適應(yīng)性和耐久性，水平防護(hù)采用格賓石籠+鋼筋混凝土護(hù)底相結(jié)合的型式，見(jiàn)圖1。格賓石籠可以很好地適應(yīng)基礎(chǔ)變形，鋼筋混凝土護(hù)底可以起到很好的防沖作用，增加安全性和耐久性。

圖1 格賓石籠+鋼筋混凝土防護(hù)示意圖

4.2 地連墻防護(hù)

本方案采用以垂直防護(hù)為主，適當(dāng)增加部分水平防護(hù)的原則。

工程布置:主河槽水平管身段上、下游30 m 范圍內(nèi)采用砂卵石回填至113.5 m，相對(duì)密度0.72，上下游按1∶20 坡比整治。距管身軸線130 m 下游處設(shè)置C25 鋼筋混凝土地連墻，墻厚 0.8 m，墻底高程101.2 m～103.8 m，墻頂高程114.8 m～113.2 m。地連墻平行于管身軸線，長(zhǎng)度316 m。地連墻下游主河槽設(shè)置5 m 格賓石籠，厚度1.0 m，頂高程112.60 m。上下游河道按1∶20 整治順接。

主河槽水平管身段上、下游30 m 范圍內(nèi)采用砂卵石回填至113.5 m，相對(duì)密度0.72，上下游按1∶20 坡比回填，回填砂卵石最小粒徑不小于5 cm。距管身軸線130 m 下游處設(shè)置C25 鋼筋混凝土地連墻，墻厚0.8 m，墻底高程101.2 m～103.8 m，墻頂高程114.8 m～113.2 m。地連墻平行于管身軸線，長(zhǎng)度316 m。地連墻下游設(shè)置5 m 格賓石籠，厚度1.0 m，頂高程112.60 m。上下游河道按1∶20 整治順接。見(jiàn)圖2。

圖2 地連墻防護(hù)示意圖

4.3 方案對(duì)比分析

4.3.1 投資分析

方案一主體投資約為1108 萬(wàn)元，方案二主體投資約為1032 萬(wàn)元，方案二較方案一投資減少了77 萬(wàn)元，更為經(jīng)濟(jì)。

4.3.2 施工周期、耐久性及復(fù)雜性分析

方案一施工工藝簡(jiǎn)單，技術(shù)難度小，但施工工期相對(duì)較長(zhǎng)，導(dǎo)流及降排水費(fèi)用相對(duì)較多，河道繼續(xù)下切有可能對(duì)防護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。

方案二施工工藝相對(duì)復(fù)雜，但不需要大面積明挖，對(duì)周邊環(huán)境影響相對(duì)較小，后期河道繼續(xù)下切，不會(huì)對(duì)管頂覆土產(chǎn)生較大影響。鋼筋混凝土地連墻相對(duì)于格賓石籠不容易損壞，在上、下游存在一定高差的情況下，可以有效防護(hù)上游河道沖刷，耐久性好，能夠更好地保護(hù)倒虹吸管身安全。

綜合以上的分析，宜選用地連墻防護(hù)。

4.4 地連墻設(shè)計(jì)方案

地連墻的設(shè)計(jì)防護(hù)深度需根據(jù)下游河床沖刷計(jì)算確定。下游河床交叉斷面處河床表層為砂卵石，厚度4.5 m～7 m，其下為礫巖和粘土巖。工程建成后，管頂以上以砂卵石回填，下游河床根據(jù)沖刷計(jì)算確定，沖刷最大深度為3.57 m，即沖刷坑底高程約為110.00 m。同時(shí)考慮下游沖刷一定深度后，墻后形成垂直跌水，進(jìn)一步擴(kuò)大沖刷深度，計(jì)算墻下游河槽底高程取109.60 m。

4.4.1 抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算

抗傾覆計(jì)算采用《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120-2012）中EPKZPI≥kemEakZal公式計(jì)算可得kem=1.271 ≥1.200，滿(mǎn)足規(guī)范抗傾覆要求。

4.4.2 坑底隆起驗(yàn)算若支護(hù)結(jié)構(gòu)背后的土體重力超過(guò)基坑底面以下地基的承載力時(shí)，地基的平衡狀態(tài)就會(huì)破壞，從而發(fā)生坑壁土流動(dòng)、坑頂下陷、坑底隆起的現(xiàn)象。因此需要驗(yàn)算地基是否會(huì)隆起。

式中：γ 為土的容重；q 為底面荷載；Nc、Nq為地基承載力系數(shù)；D 為連續(xù)墻插入深度；C 為粘聚力。

采用Prandtl 公式，Nc、Nq，按下式計(jì)算:

要求Ks≥1.10～1.20 。

經(jīng)過(guò)計(jì)算， Ks= 4.301，抗隆起穩(wěn)定性滿(mǎn)足要求。

4.4.3 地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)計(jì)算

垂直防沖墻，采用理正深基坑支護(hù)7.0 設(shè)計(jì)軟件，結(jié)構(gòu)計(jì)算土壓力、位移、彎矩、剪力均滿(mǎn)足要求，地表沉降見(jiàn)圖3。

圖3 地連墻地表沉降圖

主要計(jì)算參數(shù)：樁長(zhǎng)為11.0 m，考慮地連墻下游砂礫石層部分被破壞，沖坑深度3.6 m，此時(shí)嵌入深度為8.4 m。

5 結(jié)語(yǔ)

南水北調(diào)北汝倒虹吸河道防護(hù)工程具有投資較小，施工工期短，施工便捷等特點(diǎn)，目前該項(xiàng)目已通過(guò)評(píng)審正在開(kāi)展工程招標(biāo)，相信通過(guò)該防護(hù)工程的實(shí)施，可以有效改善游蕩性河流對(duì)大型下穿輸水建筑物的不利影響，確保工程的運(yùn)行安全。