馬洪飛

（河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300250）

北拒馬河南支渠道倒虹吸防護(hù)工程設(shè)計(jì)

馬洪飛

（河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300250）

以北拒馬河南支渠道倒虹吸防護(hù)工程為例，探討采用垂直防護(hù)與柔性水平防護(hù)相結(jié)合的形式，以減小倒虹吸工程上下游采砂坑引起的上游頂沖沖刷和下游溯源沖刷。

采砂坑；防護(hù)工程；透水防沖墻；鉛絲石籠

1 工程概況

北拒馬河南支渠道倒虹吸工程位于涿州市趙家鋪村東，是南水北調(diào)中線(xiàn)京石段應(yīng)急供水工程總干渠上的主要輸水建筑物。交叉斷面以上總流域面積4966km2，渠線(xiàn)與北拒馬河南支水流方向呈67°交角。

2012年7月21日暴雨洪水時(shí)，北拒馬河南支出現(xiàn)較大過(guò)流，倒虹吸工程附近洪峰流量1400m3/s，與10年一遇設(shè)計(jì)洪峰流量1430m3/s相當(dāng)，“7·21”洪水過(guò)后倒虹吸管身軸線(xiàn)位置河床高程由初步設(shè)計(jì)階段的60.1m降為59.35m，比初步設(shè)計(jì)階段計(jì)算的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)沖刷深度低。但受下游采砂坑影響，倒虹吸管身下游河床下切嚴(yán)重，沖溝已接近倒虹吸管身右側(cè)，管身上部出現(xiàn)明顯沉降和開(kāi)裂，35kV電力桿塔基礎(chǔ)灌注樁暴露3m。

北拒馬河南支渠道倒虹吸主體建筑物上下游存在嚴(yán)重采砂石現(xiàn)象，形成許砂石坑，坑深較深，改變了原有河床形態(tài)，破壞了天然河道的平衡狀態(tài)，持續(xù)采砂強(qiáng)度超過(guò)上游泥沙補(bǔ)給能力時(shí)，對(duì)河床穩(wěn)定構(gòu)成威脅。近些年北方地區(qū)一直處于干旱少雨的年份，根本無(wú)泥沙補(bǔ)給的可能性。無(wú)序采砂引起長(zhǎng)距離河床的整體下切，同時(shí)由于下游沖刷基點(diǎn)降低引起河段比降增大，使河道產(chǎn)生溯源沖刷，倒虹吸管身處沖刷加劇，管身埋置深度變小，在遇到高標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)，倒虹吸管身可能會(huì)發(fā)生失穩(wěn)等危險(xiǎn)。需要采取工程防護(hù)措施，以保證倒虹吸工程的運(yùn)行安全。

2 防護(hù)方案選擇

垂直防沖墻可采用明挖扶壁墻、地下連續(xù)墻、透水防沖墻及防沖樁等型式。

2.1 明挖扶壁墻

明挖扶壁墻是水利工程中常用的擋土墻結(jié)構(gòu)，靠擋墻及底板上覆土自重保持墻體穩(wěn)定。其優(yōu)點(diǎn)是不需進(jìn)行嵌固，基礎(chǔ)埋深較小，擋墻高度相對(duì)較低，墻體現(xiàn)澆時(shí)可埋設(shè)排水孔，對(duì)上下游滲流影響較小，墻前水壓力相對(duì)較??；缺點(diǎn)是基礎(chǔ)寬度較大，需開(kāi)槽明挖施工，土方挖填工程量較大，且墻體混凝土現(xiàn)澆時(shí)受環(huán)境溫度影響較大。

2.2 地下連續(xù)墻

地下連續(xù)墻與防沖透水墻受力特點(diǎn)基本一致，可視為地下彈性嵌固的樁。樁體上游土體及水壓力推動(dòng)樁繞底部向下游轉(zhuǎn)動(dòng)，樁腳嵌固土體推動(dòng)樁向上游反向轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)嵌固長(zhǎng)度足夠時(shí)，兩種作用趨于平衡，樁體保持穩(wěn)定。其優(yōu)點(diǎn)是橫向聯(lián)系強(qiáng)，當(dāng)下游采砂坑溯源沖刷形成沖溝時(shí)，墻體整體受力，不會(huì)出現(xiàn)局部墻體坍塌的情況。缺點(diǎn)是墻體阻斷上下游滲流，墻前水壓力較大，受力條件不佳，墻體嵌固段長(zhǎng)度較大，工程投資相應(yīng)較高。

2.3 透水防沖墻

透水防沖墻優(yōu)點(diǎn)是墻體具有一定的透水性，墻前水壓力相對(duì)較小，墻體嵌固長(zhǎng)度較小，工程投資相應(yīng)較低。缺點(diǎn)是橫向聯(lián)系較弱，在下游沖溝部位易產(chǎn)生薄弱斷面。

2.4 防沖樁

防沖樁與透水防沖墻特點(diǎn)相近。防沖樁透水性相對(duì)更好，施工相對(duì)簡(jiǎn)單；但防沖樁作為懸臂結(jié)構(gòu)擋側(cè)向土體壓力，其結(jié)構(gòu)斷面不能得到充分利用，因此防沖樁結(jié)構(gòu)斷面相對(duì)更大，配筋量更高，經(jīng)濟(jì)性較差。

綜上所述，透水防沖墻工程投資相對(duì)較低，雖有墻體橫向聯(lián)系較弱，在下游沖溝部位易產(chǎn)生薄弱斷面的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)可通過(guò)墻頂設(shè)立連系梁的方式予以緩解。綜合比選，本次設(shè)計(jì)垂直防護(hù)采用透水防沖墻方案。

3 防護(hù)工程設(shè)計(jì)

3.1 順?biāo)鞣较蚍雷o(hù)位置的確定

3.1.1 透水防沖墻位置及墻頂高程

防沖墻布置原則：①防沖墻墻頂高程不低于倒虹吸管身頂高程；②防沖墻施工和墻下游形成沖坑后墻身受力不應(yīng)影響倒虹吸管身的受力狀態(tài)；③將防沖墻位置盡量靠近倒虹吸布置，以縮短管頂水平防護(hù)范圍，減少工程投資。

綜合考慮上述因素，防沖墻布置在倒虹吸管身外側(cè)下游15m處，墻頂高程高于倒虹吸管身頂高程1.0m，為55.9m。

3.1.2 柔性水平防護(hù)范圍及高程

水平防護(hù)高程考慮以下3個(gè)原則：①盡量不影響高標(biāo)準(zhǔn)洪水時(shí)河道行洪；②能與防沖墻相結(jié)合對(duì)倒虹吸管身形成有效保護(hù)；③鉛絲石籠頂部應(yīng)有一定的覆土厚度，以減少占地和延長(zhǎng)鉛絲網(wǎng)的使用壽命。

為減小倒虹吸上游端頂沖沖刷，倒虹吸上游采用適應(yīng)變形能力較強(qiáng)的鉛絲石籠防護(hù)，底坡采用倒坡，加強(qiáng)對(duì)倒虹吸上游端的保護(hù)。斜坡段防護(hù)端底高程按低于管頂高程0.5m考慮，采用1∶10倒坡，護(hù)砌長(zhǎng)20m。

為減小倒虹吸頂部河道沖刷，在倒虹吸管頂至下游透水防沖墻之間，采用鉛絲石籠水平防護(hù)，護(hù)砌長(zhǎng)度28m，防護(hù)頂高程56.4m，其后設(shè)5m長(zhǎng)1∶10斜坡段與防沖墻連接?？紤]到防沖墻末端會(huì)形成沖坑，且由于嚴(yán)重的采砂，倒虹吸下游河道底高程嚴(yán)重下降，為減小防沖墻的深度，在防沖墻下游設(shè)置鉛絲石籠水平防護(hù)，護(hù)砌長(zhǎng)20m，水平防護(hù)長(zhǎng)73m。

3.2 垂直水流方向管頂防護(hù)范圍

根據(jù)河道的現(xiàn)狀及下游采砂坑分布情況，目前的無(wú)序開(kāi)采及河道采砂坑主要在主河槽范圍內(nèi)，故本次防護(hù)主要以防護(hù)主槽為主。為保證南水北調(diào)中線(xiàn)工程的輸水安全，本著盡量少占耕地的原則，垂直水流方向防護(hù)主河槽322m，主槽兩側(cè)以1∶3.0放坡至兩岸灘地，為保證左右側(cè)灘地管身安全，為避免因無(wú)序開(kāi)采的砂石坑沖填淘坡，左右側(cè)灘地各護(hù)50m。渠線(xiàn)與北拒馬河南支水流方向呈67°交角，為保證倒虹吸安全，防沖墻布置與倒虹吸方向平行，故垂直水流方向防護(hù)總寬440m。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

4.1 水力設(shè)計(jì)

防沖墻下游沖坑深度，主要考慮兩個(gè)方面，一是防護(hù)下游端形成的局部沖刷坑；二是由于下游大量采砂坑的存在而產(chǎn)生的溯源沖刷。

4.1.1 防護(hù)下游端局部沖刷計(jì)算

根據(jù)SL265—2016《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》河床沖刷深度計(jì)算，水平護(hù)砌下游端沖刷深度計(jì)算公式如式（1）。

式中 dm為水平護(hù)砌下游端河床沖刷深度（m）；qm為水平護(hù)砌下游端單寬流量，考慮1.5倍流速不均勻系數(shù)，取23.9m3/（s·m）；［v0］為河床土質(zhì)允許不沖流速（m/s），根據(jù)GB50286—2013《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄D坡岸計(jì)算泥沙起動(dòng)流速，取1.98m/s；hm為水平護(hù)砌下游端水深（m），取7.98m。

經(jīng)計(jì)算300年一遇洪水倒虹吸管下游側(cè)沖刷深度5.32m，沖刷線(xiàn)高程50.58m。

4.1.2 溯源沖刷影響

由于現(xiàn)狀河道下游大量采砂坑的存在，下游采砂坑分布較為密集，一旦遇到洪水，將使河道下游產(chǎn)生溯源沖刷。采砂坑最近距倒虹吸管身軸線(xiàn)130m，坑底高程43.16m。從新測(cè)地形圖可見(jiàn)，該河段河底平均縱坡1%。參照該天然縱坡和地層粒徑差異，下游溯源沖刷形成的縱坡按3%考慮，推算出防護(hù)末端的沖刷線(xiàn)高程46.058m。

由于溯源沖刷推算出的沖刷線(xiàn)高程低于防護(hù)下游端計(jì)算出的沖刷線(xiàn)高程，故本次設(shè)計(jì)采用溯源沖刷推算出的沖刷線(xiàn)高程。

為減小防沖墻的深度，在防沖墻下游設(shè)置20m長(zhǎng)鉛絲石籠水平防護(hù)，按1∶5的沖坑穩(wěn)定邊坡向上游反推，得到防沖墻位置的沖刷線(xiàn)高程50.118m。

4.2 防沖墻穩(wěn)定設(shè)計(jì)

透水防沖墻采用鋼筋混凝土灌注樁，樁間凈距0.5m。根據(jù)工程實(shí)際情況，需要確定樁身長(zhǎng)度和樁徑。

計(jì)算采用JGJ120—2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》中公式（4.2.1）進(jìn)行計(jì)算，如式（2）。

式中 ke為嵌固穩(wěn)定安全系數(shù)，取1.05；Eak，Epk為基坑外側(cè)主動(dòng)土壓力、基坑內(nèi)側(cè)被動(dòng)土壓力的標(biāo)準(zhǔn)值（kN）；aal，apl為基坑外側(cè)主動(dòng)土壓力、基坑內(nèi)側(cè)被動(dòng)土壓力合力作用點(diǎn)至擋土結(jié)構(gòu)底端的距離（m）。

樁身部位地質(zhì)條件主要為卵石層，內(nèi)摩擦角33°。經(jīng)計(jì)算，透水防沖墻處沖坑平均深7.812m，樁的嵌固長(zhǎng)度9.19m，樁頂部設(shè)1.8m×1.5m（寬×高）鋼筋混凝土冠梁，防沖墻墻深17m。

4.3 灌注樁結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算

4.3.1 極限平衡法

根據(jù)GB50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》和JGJ120—2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》，懸臂式灌注樁結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算采用極限平衡法。防沖墻灌注樁最大彎矩采用《支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)》（第二版）中公式（11-31）進(jìn)行計(jì)算，如式（3）。

式中 a為最大彎矩系數(shù)，取1.956；ka為主動(dòng)土壓力系數(shù)；h為懸臂樁外露長(zhǎng)度，取7.8m；η為寬度影響系數(shù)，取1.2。

經(jīng)計(jì)算，防沖墻灌注樁最大彎矩1417kN·m。

4.3.2 “m”法

m為樁的水平變形系數(shù)和地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)。

灌注樁內(nèi)力計(jì)算采用JGJ94—2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》中的“m”法進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，主要計(jì)算工具采用軟件“橋梁通CAD7.78”，計(jì)算防沖墻灌注樁最大彎矩1336.4kN·m。

4.3.3 結(jié)果分析

經(jīng)復(fù)核計(jì)算，兩種計(jì)算方法得出的結(jié)果基本一致。本次透水防沖墻采用C30鋼筋混凝土灌注樁，樁徑φ1200mm。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）防護(hù)工程采用垂直防護(hù)與柔性水平防護(hù)相結(jié)合的形式，維持了原河道行洪斷面，保證了河道正常行洪。

（2）水平防護(hù)采用適應(yīng)變形的能力較強(qiáng)鉛絲石籠，能有效減緩河床沖刷向上游發(fā)展。

（3）倒虹吸管下游端設(shè)鋼筋混凝土灌注樁防沖透水墻，墻體具有透水性，墻前、墻后水壓力相平衡，減小墻體受力，墻體嵌固長(zhǎng)度較小，有效減少樁長(zhǎng)，節(jié)省了投資。

［1］河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.南水北調(diào)中線(xiàn)京石段北拒馬河南治渠道倒虹吸防護(hù)工程專(zhuān)題設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.2014.

［2］GB50007—2002，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］JGJ120—2012，建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程［S］.

［4］SL265—2001，水閘設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］GB50707—2011，河道整治設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

（責(zé)任編輯：姜彤宇）

Design of inverted siphon protection engineering in North Juma River south branch channel

MA Hong-fei
（Hebei Research Institute of Investigation&Design ofWater Conservancy&Hydropower，Tianjin 300250，China）

The inverted siphon protection engineering in North Juma River south branch channel is taken as a example.The scouring erosion in upstream and retrogressive erosion in downstream is caused by the sand mining pits in upstream and downstream of inverted siphon projects，this paper expounds the combination of vertical protection with flexible horizontal protection to reduce the erosion.

sandmining pit；protection works；pervious anti-scourwall；wire gabions

TV672.5

：B

：1672-9900（2017）04-0077-03

2017-04-28

馬洪飛（1983-），女（漢族），河北南宮人，高級(jí)工程師，主要從事水利工程設(shè)計(jì)工作，（Tel）13920355770。