中水管道穿唐河右堤工程设计实践

□高庆洲

定州市唐河流域综合治理项目一方面可有效减少洪涝灾害、提供防洪安全保障，另一方面可综合提升唐河沿岸景观，将自然水景观与城市环境建设相融合。河北省定州市唐河流域生态治理项目中水管道工程为河北省定州市唐河流域生态治理项目C 段配套补水管道，水源为定州市污水处理厂尾水。由于中水管道为唐河补水管道，为更好达到唐河补水效果，以定州市污水处理厂中水泵房出水管为起点，经人工湿地净化后，在唐河右堤K15+628 处穿越河堤为唐河补水，以实现唐河生态补水功能。

1.项目概况

定州市唐河流域综合治理项目，包括生态水系工程和生态治理工程，是集“引、排、蓄、供”及生态、景观功能于一体的公益性基础工程。中水管道工程为河北省定州市唐河流域生态治理PPP 项目中C 段配套补水管道，中水管道以定州市污水处理厂中水泵房出水管为起点，经唐河段南侧人工湿地净化后，最终排入唐河进行补水。

由于中水管道为唐河补水管道，为更好达到唐河补水效果，管道出口应靠近唐河上游，同时考虑征占迁的影响，此次穿堤工程位置位于唐河中上游，在西大洋水库以下约46km 处、南水北调中线唐河倒虹吸下游15.6km 处、京广铁路下游1.6km 处穿越河堤排入唐河进行补水。主要建设内容包括穿堤建筑物工程和右堤复堤工程。

2.工程水文地质条件

2.1 工程水文条件

唐河是大清河南支的一条主要河流，发源于山西省浑源县，经灵丘进入河北省境内，全长273km，总流域面积4990km2。多年平均水面蒸发量1609mm（φ20cm 口径蒸发皿），多年平均降雨量为494.6mm，降水量年际变化较大。穿越处相应水位为：唐河20 年一遇洪水位49.797m，50 年一遇水位53.326m。定州市污水处理厂设计规模7 万m3/d，经改造后尾水已达到国家地表水水质标准III 类水质要求，设计日处理量9 万m3/d，因此中水管道设计流量为9 万m3/d，即1.04m3/s。

2.2 工程地质条件

此次勘察20.0m 深度范围内揭露地层为第四系冲洪积地层，主要地层有杂填土、砂土等，根据其工程地质特征及物理力学性质，自上而下划分为6 个工程地质层，分别为素填土、粉质黏土、细砂、粉质黏土、中砂。拟建场地内及附近无影响场地稳定性的地质构造，未发现不良地质作用，场地基本稳定，综合分析场地的稳定性应划为基本稳定场地。

3.工程设计

3.1 穿堤工程

3.1.1 穿堤涵闸设计

根据相关规范及报告文件，确定排水工程穿堤涵闸防洪标准为50 年一遇，工程区右堤堤防工程级别为2 级，穿堤涵闸级别为2 级，工程合理使用年限均为50 年，闸门合理使用年限均为50 年。

穿堤涵闸采用单孔C30W4F150 混凝土箱涵穿越唐河右堤，尺寸3.15m×3m，箱涵底高程与中水管道底高程顺接，涵闸出口位于堤顶外19.2m 处，是一座涵洞式水闸，设计过流量为1.04m3/s，建筑物总长89.7m，包括进口段、穿堤涵闸段、出口段及下游防护段4 部分。

进口段：进口段为混凝土连接井，尺寸3m×3m（宽×长），高5.73m。底板厚0.5m，侧墙厚0.5m，顶部设15cm 厚钢筋混凝土盖板。

穿堤涵闸段：穿堤涵闸段由穿堤箱涵段和闸室段两部分组成，长48m。穿堤箱涵段为单孔钢筋混凝土箱涵结构，长40m，底板厚0.5m，顶板、侧墙厚0.4m，涵洞内径1.5m×1.5m（宽×高）。闸室段尺寸1.5m×1.5m（长×宽），底板厚0.8m，边墩0.6m，闸门设置在涵洞出口处，闸门为1.5m×1.5m 双向止水铸铁门，启闭机共1 台，一门一机布置，闸门操作方式为动水启闭，局部开启，启闭设备采用手、电两用直联式螺杆启闭机，电源采用移动式电源。

出口段：闸室出口沿现状斜坡与消力池相接，消力池长15m、深0.5m，底板厚0.5m，消力池为整体式钢筋混凝土矩型槽结构，槽净宽由1.5m 渐变至3.96m，扩散角为8°。

穿堤涵闸设计纵剖面示意图如图1 所示。

图1 穿堤涵闸设计纵剖面示意图

3.1.2 稳定分析

渗流采用有限元数值分析方法计算，应用河海大学工程力学研究所研制“水工结构有限元分析系统”程序进行计算，利用Autobank 建立模型，计算渗流量及渗透比降，并绘制渗透比降图。通过分析可得出，在河道50 年水位55.326m 管道内无水46.53m 的工况下，水流不出逸，不发生渗透破坏。模型见图2，渗流逸出处渗流比降统计见表1。

表1 渗流逸出处渗流比降统计

图2 计算渗流模型

闸室稳定计算主要包括闸室抗滑稳定及基底应力计算，计算工况为四种，分别为完建工况、闸孔正常排水工况、上游满管，闸门关闭，下游河道流量5830m3/s 时的河道水位工况、遇地震时闸孔正常排水工况。

闸室抗滑稳定计算公式：

式中：

Kc—抗滑稳定系数；

f—基础地面与地基之间的摩擦系数；

ΣH—作用在闸室上的水平总荷载，（kN）；

ΣG—作用在闸室上的铅直总荷载，（kN）。

基底应力计算公式：

式中：

ΣG—作用于基底以上的所有铅直力的总和，（kN）；

σ—闸底板基底应力，（kPa）；

A—底板的面积，（m2）；

ΣM—所有铅直力和水平力对基底垂直水流方向的形心轴的力矩总和，（kN·m）；

W—基底对于该底面垂直水流方向的形心轴的截面矩，（m3）。

经计算，得出闸室及涵管抗滑稳定、基底压力及基底压力不均匀性均满足。计算结果见表2、表3。

表2 闸室抗滑稳定计算成果

表3 闸室基底应力计算成果

3.2 复堤工程

15+628 右堤排水涵闸采用开挖回填方式穿越唐河右堤，需要破坏右堤堤防。此次设计按50 年一遇洪水标准加高加固堤防，堤防加高加固范围为涵闸中心线两侧各25m 水平段，并按不陡于5%的坡度与原堤防衔接，桩号15+574～15+702，长度共计110m。此次设计堤顶宽度6.0m，堤顶高程为55.326m，迎水侧、背水侧边坡坡比均为1∶2.5，保证迎水侧堤脚线不变，向背水侧加高加固堤防。衔接段应清表50cm，并刨毛后方可进行筑堤填筑。