中水管道穿唐河右堤工程設(shè)計實踐

□高慶洲

定州市唐河流域綜合治理項目一方面可有效減少洪澇災(zāi)害、提供防洪安全保障，另一方面可綜合提升唐河沿岸景觀，將自然水景觀與城市環(huán)境建設(shè)相融合。河北省定州市唐河流域生態(tài)治理項目中水管道工程為河北省定州市唐河流域生態(tài)治理項目C 段配套補(bǔ)水管道，水源為定州市污水處理廠尾水。由于中水管道為唐河補(bǔ)水管道，為更好達(dá)到唐河補(bǔ)水效果，以定州市污水處理廠中水泵房出水管為起點，經(jīng)人工濕地凈化后，在唐河右堤K15+628 處穿越河堤為唐河補(bǔ)水，以實現(xiàn)唐河生態(tài)補(bǔ)水功能。

1.項目概況

定州市唐河流域綜合治理項目，包括生態(tài)水系工程和生態(tài)治理工程，是集“引、排、蓄、供”及生態(tài)、景觀功能于一體的公益性基礎(chǔ)工程。中水管道工程為河北省定州市唐河流域生態(tài)治理PPP 項目中C 段配套補(bǔ)水管道，中水管道以定州市污水處理廠中水泵房出水管為起點，經(jīng)唐河段南側(cè)人工濕地凈化后，最終排入唐河進(jìn)行補(bǔ)水。

由于中水管道為唐河補(bǔ)水管道，為更好達(dá)到唐河補(bǔ)水效果，管道出口應(yīng)靠近唐河上游，同時考慮征占遷的影響，此次穿堤工程位置位于唐河中上游，在西大洋水庫以下約46km 處、南水北調(diào)中線唐河倒虹吸下游15.6km 處、京廣鐵路下游1.6km 處穿越河堤排入唐河進(jìn)行補(bǔ)水。主要建設(shè)內(nèi)容包括穿堤建筑物工程和右堤復(fù)堤工程。

2.工程水文地質(zhì)條件

2.1 工程水文條件

唐河是大清河南支的一條主要河流，發(fā)源于山西省渾源縣，經(jīng)靈丘進(jìn)入河北省境內(nèi)，全長273km，總流域面積4990km2。多年平均水面蒸發(fā)量1609mm（φ20cm 口徑蒸發(fā)皿），多年平均降雨量為494.6mm，降水量年際變化較大。穿越處相應(yīng)水位為：唐河20 年一遇洪水位49.797m，50 年一遇水位53.326m。定州市污水處理廠設(shè)計規(guī)模7 萬m3/d，經(jīng)改造后尾水已達(dá)到國家地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)III 類水質(zhì)要求，設(shè)計日處理量9 萬m3/d，因此中水管道設(shè)計流量為9 萬m3/d，即1.04m3/s。

2.2 工程地質(zhì)條件

此次勘察20.0m 深度范圍內(nèi)揭露地層為第四系沖洪積地層，主要地層有雜填土、砂土等，根據(jù)其工程地質(zhì)特征及物理力學(xué)性質(zhì)，自上而下劃分為6 個工程地質(zhì)層，分別為素填土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、粉質(zhì)黏土、中砂。擬建場地內(nèi)及附近無影響場地穩(wěn)定性的地質(zhì)構(gòu)造，未發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)作用，場地基本穩(wěn)定，綜合分析場地的穩(wěn)定性應(yīng)劃為基本穩(wěn)定場地。

3.工程設(shè)計

3.1 穿堤工程

3.1.1 穿堤涵閘設(shè)計

根據(jù)相關(guān)規(guī)范及報告文件，確定排水工程穿堤涵閘防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 年一遇，工程區(qū)右堤堤防工程級別為2 級，穿堤涵閘級別為2 級，工程合理使用年限均為50 年，閘門合理使用年限均為50 年。

穿堤涵閘采用單孔C30W4F150 混凝土箱涵穿越唐河右堤，尺寸3.15m×3m，箱涵底高程與中水管道底高程順接，涵閘出口位于堤頂外19.2m 處，是一座涵洞式水閘，設(shè)計過流量為1.04m3/s，建筑物總長89.7m，包括進(jìn)口段、穿堤涵閘段、出口段及下游防護(hù)段4 部分。

進(jìn)口段：進(jìn)口段為混凝土連接井，尺寸3m×3m（寬×長），高5.73m。底板厚0.5m，側(cè)墻厚0.5m，頂部設(shè)15cm 厚鋼筋混凝土蓋板。

穿堤涵閘段：穿堤涵閘段由穿堤箱涵段和閘室段兩部分組成，長48m。穿堤箱涵段為單孔鋼筋混凝土箱涵結(jié)構(gòu)，長40m，底板厚0.5m，頂板、側(cè)墻厚0.4m，涵洞內(nèi)徑1.5m×1.5m（寬×高）。閘室段尺寸1.5m×1.5m（長×寬），底板厚0.8m，邊墩0.6m，閘門設(shè)置在涵洞出口處，閘門為1.5m×1.5m 雙向止水鑄鐵門，啟閉機(jī)共1 臺，一門一機(jī)布置，閘門操作方式為動水啟閉，局部開啟，啟閉設(shè)備采用手、電兩用直聯(lián)式螺桿啟閉機(jī)，電源采用移動式電源。

出口段：閘室出口沿現(xiàn)狀斜坡與消力池相接，消力池長15m、深0.5m，底板厚0.5m，消力池為整體式鋼筋混凝土矩型槽結(jié)構(gòu)，槽凈寬由1.5m 漸變至3.96m，擴(kuò)散角為8°。

穿堤涵閘設(shè)計縱剖面示意圖如圖1 所示。

圖1 穿堤涵閘設(shè)計縱剖面示意圖

3.1.2 穩(wěn)定分析

滲流采用有限元數(shù)值分析方法計算，應(yīng)用河海大學(xué)工程力學(xué)研究所研制“水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)”程序進(jìn)行計算，利用Autobank 建立模型，計算滲流量及滲透比降，并繪制滲透比降圖。通過分析可得出，在河道50 年水位55.326m 管道內(nèi)無水46.53m 的工況下，水流不出逸，不發(fā)生滲透破壞。模型見圖2，滲流逸出處滲流比降統(tǒng)計見表1。

表1 滲流逸出處滲流比降統(tǒng)計

圖2 計算滲流模型

閘室穩(wěn)定計算主要包括閘室抗滑穩(wěn)定及基底應(yīng)力計算，計算工況為四種，分別為完建工況、閘孔正常排水工況、上游滿管，閘門關(guān)閉，下游河道流量5830m3/s 時的河道水位工況、遇地震時閘孔正常排水工況。

閘室抗滑穩(wěn)定計算公式：

式中：

Kc—抗滑穩(wěn)定系數(shù)；

f—基礎(chǔ)地面與地基之間的摩擦系數(shù)；

ΣH—作用在閘室上的水平總荷載，（kN）；

ΣG—作用在閘室上的鉛直總荷載，（kN）。

基底應(yīng)力計算公式：

式中：

ΣG—作用于基底以上的所有鉛直力的總和，（kN）；

σ—閘底板基底應(yīng)力，（kPa）；

A—底板的面積，（m2）；

ΣM—所有鉛直力和水平力對基底垂直水流方向的形心軸的力矩總和，（kN·m）；

W—基底對于該底面垂直水流方向的形心軸的截面矩，（m3）。

經(jīng)計算，得出閘室及涵管抗滑穩(wěn)定、基底壓力及基底壓力不均勻性均滿足。計算結(jié)果見表2、表3。

表2 閘室抗滑穩(wěn)定計算成果

表3 閘室基底應(yīng)力計算成果

3.2 復(fù)堤工程

15+628 右堤排水涵閘采用開挖回填方式穿越唐河右堤，需要破壞右堤堤防。此次設(shè)計按50 年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)加高加固堤防，堤防加高加固范圍為涵閘中心線兩側(cè)各25m 水平段，并按不陡于5%的坡度與原堤防銜接，樁號15+574～15+702，長度共計110m。此次設(shè)計堤頂寬度6.0m，堤頂高程為55.326m，迎水側(cè)、背水側(cè)邊坡坡比均為1∶2.5，保證迎水側(cè)堤腳線不變，向背水側(cè)加高加固堤防。銜接段應(yīng)清表50cm，并刨毛后方可進(jìn)行筑堤填筑。