水庫(kù)輸水工程過河段防護(hù)工程設(shè)計(jì)

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［摘要］針對(duì)輸水管道與河流交叉段防護(hù)工程關(guān)鍵技術(shù)問題，結(jié)合國(guó)內(nèi)類似情況穿河防護(hù)措施，提出了連續(xù)樁墻、格賓石籠鋪蓋及下游出口處預(yù)制六棱體相結(jié)合的綜合防護(hù)體系，對(duì)管道過河段進(jìn)行全斷面保護(hù)。實(shí)踐證明，該防護(hù)措施安全可靠，經(jīng)濟(jì)合理，對(duì)其他同類工程有借鑒意義。

［關(guān)鍵詞］綜合防護(hù)；連續(xù)樁墻；格賓石籠；預(yù)制六棱體

1工程背景

大伙房水庫(kù)輸水工程是解決遼寧中南部沈陽、大連、鞍山、撫順、營(yíng)口、遼陽、盤錦7城市工業(yè)和1400余萬居民生活用水的戰(zhàn)略性工程。該工程包括從遼寧東部地區(qū)向大伙房水庫(kù)輸水的一期工程和從大伙房水庫(kù)向下游7城市供水的二期工程，輸供水線路總長(zhǎng)413km，輸水隧洞114.42km，輸水管道574.02km，2003年6月開工建設(shè)，2010年11月建成供水,現(xiàn)階段設(shè)計(jì)年供水11.66億m3，工程綜合效益顯著發(fā)揮。大伙房水庫(kù)輸水二期工程在遼寧省遼陽市遼陽縣境內(nèi)穿越太子河干流，太子河是遼寧境內(nèi)較大河流，全長(zhǎng)363km，流域面積13493km2，流經(jīng)本溪縣、本溪市區(qū)、遼陽市區(qū)、燈塔市、遼陽縣、海城市等市縣，在海城市西四鎮(zhèn)八家子村入渾河，近年來，太子河干流洪水發(fā)生較為頻繁，量級(jí)相對(duì)較大，根據(jù)遼陽水文站洪峰流量統(tǒng)計(jì)情況，2005年，洪峰流量達(dá)7770m3/s；2010年，洪峰流量達(dá)6639m3/s；2012年，洪峰流量達(dá)2200m3/s，洪水對(duì)大伙房輸水管線安全造成了較大影響，加之前期河道采砂問題十分突出，輸水管線穿越太子河下游河段河道下切明顯，河床高程整體下降達(dá)5m以上，管線最大出露長(zhǎng)度達(dá)35m，嚴(yán)重威脅輸水管線工程安全。因此，實(shí)施輸水管線過河段綜合防護(hù)工程不僅能夠有效保護(hù)重點(diǎn)輸水工程安全，且確保社會(huì)正常運(yùn)行發(fā)展，間接上還能對(duì)兩岸防洪安全、重要跨河設(shè)施、區(qū)域生態(tài)環(huán)境以及國(guó)土安全等都有諸多益處，工程建設(shè)十分必要。

2工程防護(hù)方案選擇

輸水管線過河段防護(hù)工程的主要目的是保護(hù)管線埋深，使管線抗浮、抗凍等指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，保證管線正常運(yùn)行。目前國(guó)內(nèi)常見的防護(hù)措施主要有，一是在過河工程下游修建壅水?dāng)r沙壩，通過人為制造壅水來減緩流速，減少水土流失，但該種措施受地質(zhì)等條件影響較大且會(huì)造成河道壅水，不適用本工程；二是在工程過河處單純敷設(shè)格賓石籠防護(hù)，此方案多應(yīng)用于河床不下切河道；三是在工程過河處敷設(shè)格賓石籠加下游布設(shè)防沖槽方案，此方案缺點(diǎn)是當(dāng)上游來流較大時(shí)，防沖槽內(nèi)拋石容易流失，增加工程維護(hù)復(fù)雜性。四是在河道中敷設(shè)全斷面混凝土面板，此方案防護(hù)效果較好，但混凝土面板屬于剛性防護(hù)，由于不均勻沉降等因素，面板極易碎化開裂被水流裹挾帶走，造成防護(hù)失效。鑒于大伙房水庫(kù)輸水工程重要性，綜合考慮過河段水文地質(zhì)、地形地貌及下游采砂情況等多項(xiàng)因素，采用上述任何單一保護(hù)方案都難以起到有效保護(hù)作用，因此最終在設(shè)計(jì)中選取連續(xù)樁墻、格賓石籠鋪蓋及下游出口處的預(yù)制六棱體相結(jié)合的綜合防護(hù)方案。該方案中格賓石籠屬于柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)，適應(yīng)地形變化能力較強(qiáng)，配合土工布使用，在水平面形成有效防護(hù)體，保護(hù)管線安全；連續(xù)樁墻強(qiáng)度較高，能夠有效發(fā)揮抗剪作用，在垂直面擋住河床沙土流失；在河道下游布設(shè)預(yù)制混凝土六棱體，因其自重大，穩(wěn)定性好，滿足大流量過流穩(wěn)定要求，即使因底部失穩(wěn)，發(fā)生傾倒，也多為向上游傾倒，不會(huì)發(fā)生流失現(xiàn)象。水流流經(jīng)六棱體時(shí)，流速減緩，還能夠起到一定促淤作用。同時(shí)，從工程施工及造價(jià)方面考慮，本方案施工影響范圍小，施工干擾少，難度較低，其直接工程投資也較低。

3綜合防護(hù)工程設(shè)計(jì)

3.1過河段河道概況

本區(qū)地貌單元為太子河沖積低-高漫灘，地形較平坦，地勢(shì)開闊。輸水管道穿越位置河道寬度1863m，右灘寬約260m，左灘寬約1100m，主槽寬約503m。其中枯水主槽寬約303m，距右側(cè)岸坡約200m，與左側(cè)岸坡相接。枯水主槽最深河底高程為9.5m，枯水主槽左側(cè)至岸坡段平均高程11.17m，枯水主槽右側(cè)至岸坡段平均高程為13.8m。

3.2工程等級(jí)和標(biāo)準(zhǔn)

大伙房水庫(kù)輸水工程的工程等別為I等，穿河管線為主要輸水建筑物，建筑物級(jí)別為1級(jí)。綜合防護(hù)工程是輸水管線的保護(hù)工程，其中連續(xù)防護(hù)樁墻維修困難，是管道防護(hù)工程的主要結(jié)構(gòu)，按1級(jí)建筑物設(shè)計(jì)；其余建筑物屬次要建筑物，根據(jù)SL252-2017第4.7.1條確定建筑物級(jí)別為3級(jí)。主要建筑物防洪標(biāo)準(zhǔn)：設(shè)計(jì)50年一遇，校核200年一遇。防護(hù)建筑物合理使用年限為50年，混凝土最低強(qiáng)度等級(jí)為C25，抗凍等級(jí)為F200。

3.3綜合防護(hù)工程整體布置

輸水工程穿越太子河段共4根管道，前期建設(shè)中分二步實(shí)施，其中一步工程為兩根DN2500鋼管，兩管中心線間距13.0m，過河段鋼管外防腐為環(huán)氧煤瀝青，穿河處輸水管中心設(shè)計(jì)高程分別為A線6.1m、B線5.49m。二步工程為兩根DN3200鋼管，兩管中心線間距15.0m，過河段鋼管外防腐為融結(jié)環(huán)氧粉末，二步管中心主河床處設(shè)計(jì)高程分別為A線0.97m、B線0.97m。本次防護(hù)工程設(shè)計(jì)是在原一步管道防護(hù)措施基礎(chǔ)上，對(duì)一、二步穿河管道的防護(hù)措施統(tǒng)一考慮，形成一個(gè)由連續(xù)樁墻、格賓石籠鋪蓋及下游出口處的預(yù)制六棱體組成綜合防護(hù)體系，對(duì)管道穿河段進(jìn)行護(hù)底和護(hù)岸的全斷面保護(hù)，工程整體布置如下圖所示：

3.4護(hù)底連續(xù)樁墻工程

連續(xù)樁墻由灌注樁和旋噴樁交錯(cuò)布置，為避免管道埋設(shè)段河床進(jìn)一步下切，主河床段護(hù)底連續(xù)樁墻至岸坡段進(jìn)行封閉，并根據(jù)河勢(shì)演變分析，連續(xù)樁墻向兩岸灘地各延伸50m。為防止河道行洪時(shí)管道上岸段邊坡連續(xù)坍塌，在管道進(jìn)入岸坡處的河道處增加鎖口連續(xù)樁墻，左岸鎖口樁墻長(zhǎng)38m，右岸鎖口樁墻長(zhǎng)62m。灌注樁樁體強(qiáng)度等級(jí)C30F200，旋噴樁樁體抗壓強(qiáng)度不小于1.5MPa。樁深為19.2m。灌注樁與旋噴樁軸線間距0.2m，旋噴樁布置在灌注樁的河道上游側(cè)。連續(xù)樁墻按排樁計(jì)算懸臂長(zhǎng)度，不考慮旋噴樁受力，采用《理正深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)軟件》進(jìn)行計(jì)算。灌注樁嵌固深度按《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算嵌固深度值，經(jīng)計(jì)算樁體懸臂6.0m時(shí)，樁深嵌固深度不小于13.2m。旋噴樁布置在相鄰灌注樁之間，每空2根，主要作用是封閉灌注樁間的空隙，與灌注樁交替布置形成連續(xù)樁墻擋土，旋噴樁承擔(dān)的水平土壓力作用于臨近的灌注樁，因此旋噴樁嵌固深度不考慮抗傾，本工程旋噴樁長(zhǎng)按2倍懸空段長(zhǎng)考慮為12m。

3.5護(hù)底石籠工程

護(hù)底石籠工程沿主河床全斷面布設(shè)，石籠厚樁墻上游0.8m、樁墻下游0.5m厚，與已建的石籠鋪蓋平順銜接。石籠下設(shè)碎石墊層（300mm厚）和土工布（350g/m2），土工布的等效孔徑O95不大于0.5Cud85≈0.12mm。單片石籠平面尺寸4.0m×1.0m（長(zhǎng)×寬），網(wǎng)片間綁扎連接，石籠與灌注樁頂預(yù)留埋筋綁扎連接。一步管側(cè)順河方向上游石籠長(zhǎng)23m，下游石籠長(zhǎng)70m，一、二步管道間連接石籠鋪蓋寬約22m，新增石籠順?biāo)鞣较蚩傞L(zhǎng)約128m。石籠工程使用年限按50年考慮，格賓網(wǎng)絲選用抗腐蝕性高的鋅-5%鋁稀土合金鍍層鋼絲，鋼絲抗拉強(qiáng)度不得低于350MPa，石籠網(wǎng)孔名義尺寸80mm×100mm，網(wǎng)面鋼絲直徑不得小于3.0mm，邊絲直徑不得小于3.5mm，綁絲直徑不得小于2.5mm。按CECS456-2016要求，石籠網(wǎng)采用II級(jí)鍍層鋼絲，網(wǎng)絲和綁絲鍍層質(zhì)量不小于275g/m2，最小厚度不小于30μm；邊絲鍍層質(zhì)量不小于320g/m2，最小厚度不小于32μm。

3.6石籠鋪蓋下游布設(shè)預(yù)制六棱體

為減小河床下切對(duì)上游鋪蓋工程的危害，在河道下游石籠出口位置布設(shè)2排C25F150預(yù)制混凝土六棱體，交錯(cuò)布置。六棱體邊長(zhǎng)3.0m，每角截去邊長(zhǎng)0.4m的錐體，成品預(yù)制棱體實(shí)際邊長(zhǎng)2.2m，單塊重量約7.72t，間距2.47m，排距1.83m。

4防護(hù)工程運(yùn)行效果

本工程于2018年3月開工，2018年10月完成工程建設(shè)，經(jīng)過兩個(gè)汛期，最大500m3/s流量的沖刷檢驗(yàn)，綜合防護(hù)工程總體穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)資料顯示，格賓石籠15個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)第一年下沉量在4—16cm之間，平均下沉量為9cm，第二年下沉量在2—3cm之間，均在設(shè)計(jì)容許范圍之內(nèi)。連續(xù)樁墻下沉量均在1cm以內(nèi)，預(yù)制六棱體個(gè)別向上游傾倒，無流失現(xiàn)象。河床及邊坡未發(fā)生較大位移，河床高程未有較大變化。連續(xù)樁墻、石籠防護(hù)層與下游防沖六棱體一起構(gòu)成了穿越太子河段管線的堅(jiān)固防線，對(duì)輸水管線的安全運(yùn)行起到重要防護(hù)作用，效益發(fā)揮明顯，達(dá)到了預(yù)期效果。同時(shí)本工程建成后，規(guī)整了河道，改善了河床水利條件，起到了攔沙固土的作用，下游河床已開始回於，在改善和保護(hù)生態(tài)環(huán)境方面也產(chǎn)生起到了顯著效益。

5結(jié)論及建議

受河道采砂、行洪等因素影響，長(zhǎng)距離輸水工程穿河管線常因河床下切而出露，造成管道的埋深、抗浮、抗凍均不能滿足正常運(yùn)行要求，且隨著河床沖刷的不斷發(fā)展，管道穿河部位若不加以防護(hù)，有極大的可能引起停水事故，造成重大經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。本工程參考了結(jié)合國(guó)內(nèi)類似情況的穿河防護(hù)措施，提出主河床全斷面鋪蓋防護(hù)措施，工程采用連續(xù)樁墻攔河防護(hù)，并向兩岸延伸一定距離，避免水流繞岸破壞，河床表面采用格賓石籠柔性結(jié)構(gòu)鋪蓋防沖，避免穿河管道位置的河床繼續(xù)下切，下游布設(shè)預(yù)制六棱體發(fā)揮了明顯的抗沖促淤作用。通過實(shí)踐證明，該方案能夠有效解決采砂河段輸水管道工程的運(yùn)行安全，同時(shí)，該設(shè)計(jì)方案施工線路短，難度較低，征占地范圍少，對(duì)環(huán)境影響較小，有利于節(jié)約資金，為國(guó)內(nèi)其他工程提供借鑒。

作者：夏在森 單位：遼寧省水資源管理集團(tuán)有限責(zé)任公司