浅谈南水北调中线京石段唐河渠道倒虹吸防护工程设计

刘志奇

河北省水利水电勘测设计研究院 天津 300250

概述

唐河渠道倒虹吸是南水北调中线总干渠上的一座大型建筑物，工程等别为Ⅰ等，主要建筑物级别为1级。

2013年唐河上游西大洋水库为降低水库水位开始泄洪，受溯源冲刷影响唐河上下游河道在很大范围内河道底高程下切明显，仅100m3/s流量最大冲坑达5m深。虽然采取了临时防护，但倒虹吸管仍存在冲刷破坏的危险，急需采取工程防护措施，以保证倒虹吸工程的运行安全。2015年，设计院受托对唐河渠道倒虹吸管顶进行了防护工程设计。

1 防护工程设计

（1）防护形式。防护工程以减小倒虹吸工程上下游采砂坑引起的上游顶冲冲刷和下游溯源冲刷为目的。采用透水防冲墙垂直防护与铅丝石笼水平防护相结合的形式。

（2）防护范围。1）顺水流方向防护范围。①透水防冲墙位置及墙顶高程。防冲墙布置在倒虹吸下游距倒虹吸15m处，高于倒虹吸管身顶高程1.0m。②柔性水平防护范围及高程。铅丝石笼水平防护位置在倒虹吸管身顶高程以上0.5m处。2）垂直水流方向防护范围。垂直水流方向防护总宽度为620m。

（3）防护工程布置。唐河倒虹吸防护工程设计包括：上游斜坡防护段、管身顶部水平防护、下游防护段、进口导流堤防护4部分：①上游斜坡防护段。管顶防护段上游采用适应变形能力较强的铅丝石笼防护，底坡为1∶10倒坡，长度20m，在上游端部设计1m×1m（高×宽）的铅丝石笼齿墙，为防止细颗粒在高流速水流下被带走，铅丝石笼下铺一层土工布。②管身顶部水平防护。管身顶部采用1.0m厚铅丝石笼进行水平防护，长度42m，包括水平段37m和1∶10斜坡段5m两部分，为防止细颗粒在高流速水流下被带走，铅丝石笼下铺一层土工布。③下游防护段。管顶水平护砌下游端距倒虹吸15m处设20m深透水防冲墙，透水防冲墙下部设置钢筋混凝土灌注桩，透水防冲墙下游设20m长铅丝石笼水平软护砌段，为防止细颗粒在高流速水流下被带走，铅丝石笼下铺一层土工布。④进口导流堤防护。沿倒虹吸进口导流堤水平钢筋石笼防护末端设透水防冲墙，防护宽度112m，透水防冲墙下部采用钢筋混凝土灌注桩。

（4）水力设计。防冲墙下游冲坑深度，主要考虑两个方面，一是防护下游端形成的局部冲刷坑；二是由于下游大量采砂坑的存在而引起的溯源冲刷。①水平防护下游端局部冲刷计算。根据《水闸设计规范[2]》附录B.3河床冲刷深度计算公式进行计算。②溯源冲刷影响。由于现状河道下游大量采砂坑的存在，会引起溯源冲刷。参照天然纵坡，推算出防护墙位置冲刷线高程，为减小防冲墙的深度，在防冲墙下游设置铅丝石笼水平防护，考虑形成1∶5冲坑稳定向上游反推，得出防冲墙位置的冲刷线高程[3]。

（5）防冲墙稳定设计。透水墙采用钢筋混凝土灌注桩，桩间净距0.5m。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》（JGJ120-2012[2]）中公式进行计算，计算公式为：

（6）灌注桩结构设计

1）灌注桩结构内力计算。灌注桩结构内力计算采用极限平衡法，采用“m”法复核。

①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：

经计算得出桩径。

②“m”法。灌注桩内力计算采用《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008[1]）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。

2）防冲墙承载力计算。按《水工混凝土结构设计规范》（SL191-2008[1]）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：

2 结束语

无序过度采砂改变了河道的天然形态和水流条件，建议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，禁止在倒虹吸工程所处河道一定范围内采砂，同时加强巡视与维护，汛后根据河道情况对防护结构进行及时维护。

2015年，唐河渠道倒虹吸防护工程正式实施，通过近几年的连续运行，验证了设计方案的合理性与安全性，工程的实施有效保证倒虹吸工程的运行安全。