南水北调中线沙河(北)渠道倒虹吸防护工程设计

王金晶

(河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250)

1 概 述

沙河(北)渠道倒虹吸是南水北调中线总干渠上的一座大型建筑物，按照《水利水电工程等级划分及设计标准》(SL252-2000)及国务院对《南水北调工程总体规划》的批复意见(国函[2002]117号)，沙河(北)渠道倒虹吸工程等别为Ⅰ等，主要建筑物级别为1级。

沙河(北)渠道倒虹吸上下游河道存在严重采砂现象，改变了原有河床形态及抗冲刷条件，一旦行洪，河床将产生溯源冲刷。而南水北调中线总干渠与沙河(北)交叉断面(即沙河(北)渠道倒虹吸)以上现有两座大型水库以及一座中型水库，在 2012、2013年汛期连续两年水库提闸泄水。受溯源冲刷影响沙河(北)倒虹吸上下游河道在很大范围内河道底高程下切明显，仅300 m3/s流量最大冲坑深达5.1 m，再遇较大洪水将危及倒虹吸的安全。需要采取工程防护措施，以保证倒虹吸工程的运行安全。

2 防护工程布置

本防护工程主要以防护主槽现状河道采砂坑为主。工程布置情况如下：

1) 管身顶部采用铅丝石笼进行水平防护，下铺一层300 g/m2的土工布。水平段上游20 m，采用厚1.0 m铅丝石笼，以1∶10进行斜坡护砌。桩前5.0 m，采用厚2.0 m铅丝石笼，以1∶10进行斜坡护砌，护砌顶部原土回填至原地面高程。

2) 倒虹吸下游设φ1 500钢筋混凝土防冲透水墙，中心距2.0 m，墙顶部设连接2.0 m×1.5 m(宽×高)钢筋混凝土冠梁。为减少灌注桩入土深度以及对上游建筑物的影响，防冲透水墙下游设长20 m水平软护砌段，护砌材料选用厚1 m铅丝石笼，铅丝石笼上回填土至原地面高程，以保护铅丝石笼并减少工程永久征地。为防止铅丝石笼下细颗粒在高流速水流下被带走，垫层下铺一层300 g/m2的土工布。

防护布置以及防护断面图详见图1、图2。

图1 防护工程布置图

图2 防护工程断面图

3 防护工程设计

3.1 水力设计

防冲墙下游冲坑深度，主要考虑两个方面：①防护下游端形成的局部冲刷坑；②由于下游大量采砂坑的存在而引起的溯源冲刷。

3.1.1 水平防护下游端局部冲刷计算

根据《水闸设计规范》(SL 265-2001)附录B.3河床冲刷深度计算，水平防护下游端冲刷深度计算公式为：

式中：dm为水平护砌末端河床冲刷深度，m；qm为水平护砌末端单宽流量，m2/s；[v0]为河床土质允许不冲流速，m/s；hm为水平护砌末端河床水深，m。

3.1.2 溯源冲刷影响

由于现状河道下游大量采砂坑的存在，将会引起溯源冲刷。下游砂坑距离倒虹吸较近的为3 km。资料显示，该河段河底平均纵坡2‰。参照该天然纵坡，下游溯源冲刷形成的纵坡按2‰考虑，推算出防冲墙位置的冲刷线高程。

溯源冲刷线高程高于水平防护下游端冲刷线高程，故用冲刷线高程确定防冲墙深度。

为减小防冲墙深度，防冲墙后设柔性防冲段，考虑形成1∶5冲坑上游面护坡，可减小桩长。

3.2 防冲墙稳定设计

倒虹吸管下游端设防冲透水墙，防冲透水墙采用钢筋混凝土灌注桩，桩间净距0.5 m。

桩的深度计算采用悬臂式板桩墙理论，在土压力作用下板桩将产生侧向弯曲变形，墙在上游主动土压力作用下，将绕墙底部反转点向下游转动；下游则产生被动土压力，达到平衡状态，使墙体保持稳定。结合板桩受力状态，根据力矩平衡条件，确定板桩入土深度以及最大弯曲应力。

计算采用《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120-2012)中公式进行计算，计算公式为：

式中：ke为嵌固稳定安全系数，取1.05；Eak、Epk为冲坑外侧主动土压力、冲坑内侧被动土压力的标准值，kN；azl、apl为冲坑外侧主动土压力、冲坑内侧被动土压力合力作用点至挡土结构底端的距离，m。

3.3 防冲墙结构设计

3.3.1 极限平衡法

根据《建筑地基基础设计规范》(GB 5007-2011)和《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120-2012)，悬臂式灌注桩结构内力计算采用极限平衡法。防冲墙灌注桩最大弯矩采用《支挡结构设计手册》(第二版)中的公式进行计算：

式中：a为最大弯矩系数；Ka为主动土压力系数；h为悬臂桩外露长度；η为宽度影响系数。

经计算，防冲透水墙采用C30钢筋混凝土灌注桩，桩径为φ1 500 mm。

3.3.2 “m”法

灌注桩内力计算采用《建筑桩基技术规范》(JGJ 94-2008)中的“m”法进行复核计算，主要计算工具采用软件“桥梁通CAD7.78”，计算防冲墙灌注桩最大弯矩。经复核计算，两种计算方法得出的结果基本一致。

3.4 防冲墙承载力计算

防冲透水墙采用C30钢筋混凝土灌注桩，桩径为φ1 500 mm。按《水工混凝土结构设计规范》(SL 191-2008)中公式进行正截面受弯承载力计算，同时采用软件“桥梁通CAD7.78”进行承载力计算复核。计算公式为：

式中：A为圆形截面面积，mm2；As为全部纵向钢筋的截面面积，mm2；r为圆形截面半径，mm；α为对应于受压区面积的圆心角(rad)与2π的比值。

图3 禁采标识样式图

3.5 水工模型试验

防冲墙后冲刷深度计算采用的是经验公式，任何经验公式都有其适用范围，且不同的冲刷计算公式计算成果往往有较大差异。

采砂对河床的影响使穿河倒虹吸下游产生溯源冲刷是一个较复杂的问题，虽然采用已有的研究成果可以定性分析溯源冲刷的发展过程及对倒虹吸的影响，但其对倒虹吸的影响程度仍难以准确确定。

为验证溯源冲刷对沙河(北)倒虹吸安全影响的分析结论，并对防护措施的合理性做进一步分析，需要安排水工模型试验。考虑到大型动床河工模型试验工程费用高、时间长，而选取一定宽度河道纵断面，采用水槽动床冲刷试验来研究溯源冲刷和防冲墙上下游冲刷是可行的。可以达到分析采砂所引起的溯源冲刷对倒虹吸的影响程度，确定防冲墙上下游冲刷坑深的目的。确定安排河道采砂对沙河(北)倒虹吸安全影响水槽动床模型试验。

3.6 采砂控制建议

1) 无序过度采砂改变了河道天然形态和水流条件，河势及洪水发展存在诸多不确定性，河道实际水文特性与设计假定的吻合度尚有待检验。建议加强河道的巡视与维护，注意观察河床冲淤变化及防冲墙结构的完整性，要备好防汛物资、做好抢险预案，汛后要根据河道情况对防护结构进行及时维护。

2) 防护工程是依据下游河床采砂坑的现状条件确定的，如不采取有效的严格管理措施，距离建筑物一定范围内的采砂，仍然会危及防护后的倒虹吸工程。为保证工程安全，建议协调当地政府和河道管理部门，立法建章，在法律框架内加强河道保护，采取措施防止现有采砂坑进一步扩展，并禁止在倒虹吸工程所处河道一定范围内采砂。禁止采砂范围应为上游1 000 m，下游3 000 m。安全警示标识见图3。

4 结 论

2015年，沙河(北)渠道倒虹吸防护工程正式实施。通过2015、2016年的连续运行，验证了设计方案的合理性与安全性，该项工程的实施有效保证倒虹吸工程的运行安全。